Der Allround-Gigabit-Link fürs Auto
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Datenübertragung llll Infotainment + Telematik
Der Allround-
Gigabit-Link fürs Auto
A Übertragung von verschlüsselten HD-Videoströmen mit
PIX (Automotive Pixel Link)
wurde von Inova Semicon-
ductors im Jahre 2006 mit der neuesten Generation des Automotive Pixel Link (APIX)
dem Ziel entwickelt, einen zuverlässi-
gen und robusten Gigabit-Link für die Auf der embedded world in Nürnberg zeigte Inova Semiconductors zusam-
Datenübertragung im Fahrzeug zu men mit Analog Devices im Februar zum ersten Mal die Übertragung von
schaffen. Im Gegensatz zu bestehen-
den reinen Display-Schnittstellen soll- HDCP-verschlüsselten HD-Videos über APIX2. Damit kann dieser neue
te APIX erstmals nicht nur digitale 3-Gbit/s-Übertragungsstandard, der seit einigen Wochen auch schon in
Videosignale, sondern gleichzeitig und Serienfahrzeugen auf der Straße ist, jetzt auch uneingeschränkt für Multi-
unabhängig davon auch Kontroll- und
Steuerdaten über dasselbe Kabel über- media-Anwendungen genutzt werden. Hersteller wie Analog Devices und
tragen. Der erste APIX-Link mit einer Fujitsu Semiconductor haben auf der Messe bereits erste eigene Produkte
Datenrate von 1 Gbit/s hatte im No-
vember 2008 Premiere im neuen 7er
mit APIX2-Schnittstelle und HDCP-Fähigkeit angekündigt.
BMW, wo er das Head-up-Display mit Von Roland Neumann und Michael Riedel
dem Steuergerät verbindet. Seitdem
wird APIX millionenfach im Fahrzeug
eingesetzt: primär als Display-Link,
aber bei ersten Herstellern auch zur senden Displays ist heute neben Elek- APIX1 die dreifache Datenrate im
Anbindung von Kameras in Fahreras- tromobilität das zentrale Thema in der Hinkanal (Downlink) und mit
sistenzsystemen. Fahrzeugelektronik, auf das sich die 187,5 Mbit/s auch im Rückkanal
Galt damals eine Datenrate von großen Hersteller mit Nachdruck kon- (Uplink). APIX2 überträgt gleichzei-
1 Gbit/s als zukunftssicher, sollte die zentrieren. tig zwei voneinander unabhängige
Realität diese Prognose bald einholen. Mit APIX2 hat Inova Semiconduc- Videokanäle, die jeweils in Auflösung,
Infotainment im Auto mit immer bes- tors auf diese Entwicklung reagiert. Farbtiefe und Wiederholrate frei kon-
serer Grafik und großen, hochauflö- Mit seinen 3 Gbit/s bietet er gegenüber figuriert werden können. Zudem kön-
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Infotainment + Telematik llll Datenübertragung
Datenströme der Applikationsdomäne
Referenztakt Referenztakt
(Videoströme, I²S Audio, GPIO, Da-
ten) organisiert und steuert. Dazu wird
RGB/LVDS 3 Gbit/s RGB/LVDS die verfügbare Übertragungsrate lo-
Video
gisch in einer Hierarchie aus Frames
RGB/LVDS RGB/LVDS organisiert, die auf unterster Ebene
aus Mikro-Paketen besteht. Hierbei
I2S I2S kommt es darauf an, einerseits die Si-
Downstream
SPI, I2C AShell AShell SPI, I2C gnalisierung der Belegung dieser
MII MII Frames resistent gegen Übertragungs-
Daten GPIO
Upstream
GPIO Daten fehler zu organisieren, andererseits
INAP375T INAP375R
187,5 Mbit/s dafür möglichst nur einen minimalen
Anteil der Übertragungsrate zu bele-
ll Bild 1. Blockdiagramm des 3-Gbit/s-APIX2-Link für die gleichzeitige Übertragung von Video-, Audio und anderen Da- gen (signalization and protocol over-
ten einschließlich 100-Mbit/s-Ethernet. head; Bild 3).
Für Datenströme, die aus bit-paral-
nen über die I²S-Schnittstelle bis zu schen Display-Links deutlich unter- lelen Worten bestehen, welche zeitlich
acht digitale Audiokanäle (4 × Stereo scheidet. Völlig unabhängig von der äquidistant am Sender angeboten und
oder 7.1, etwa für Raumklangsysteme) Frequenz und Qualität des Pixel-Takts am Empfänger ebenso ausgegeben
übertragen werden. Die integrierten (Jitter) wird zwi-
APIX2-Kommunikationskanäle er- schen dem Sende-
möglichen parallel dazu eine hochwer- und dem Empfangs-
I2C, remote access
I2C, remote access
generische Daten
generische Daten
tige Datenkommunikation. Über diese baustein eine konti-
können zusätzlich Steuer- und Kon nuierlich übertra-
IP-Pakete
IP-Pakete
Protokoll
trolldaten oder – ganz aktuell – auch gende Datenverbin-
audio
audio
video
video
GPIO
GPIO
die Kommunikation zur HDCP-Au- dung aufgebaut, die
thentifizierung und -Verschlüsselung im Prinzip wie ein
Schnittstellen
übertragen werden, die durch ein inte- Förderband arbeitet MII Protokoll MII
griertes Protokoll, die AShell2 (Auto- (Bild 2). AShell2
Protokoll
AShell2
motive Shell), besonders geschützt Daten mit unter- Protokoll
APIX2 APIX2
werden. APIX2 verfügt darüber hi schiedlichen Anfor-
naus über eine standardkonforme MII- derungen an Über- TX RX
Schnittstelle (Media Independent In- tragungsrate, La- INAP375T INAP375R
terface) und bietet damit einen „Fast tenz, Schutz vor
Ethernet Physical Layer“ (100 Mbit/s) Übertragungsfeh- serielle Verbindung
an, der Daten und Protokolle des lern und mit abwei-
Ethernet ohne Einschränkungen trans- chender Dynamik ll Bild 3. Die Kommunikationsschichten (stacked communication lay-
portiert (Bild 1). der Datenübertra- ers) bei APIX2.
gungsrate (burst
Spezielles Taktsystem iness) verwenden jeweils exklusiv ein werden müssen, wie etwa digitales
zwischen Sende- und Empfän- gemeinsames Übertragungsmedium Video/Audio, hat der APIX2-Empfän-
gerbaustein (Kabel). Dies erfolgt durch eine Kom- ger Takt-Synthesizer, um den zeit
bination von statistischem und deter- lichen Abstand zwischen den Daten-
Möglich wird diese Vielseitigkeit von ministischem Multiplex, das die zeit- worten bestmöglich zu rekonstruie-
APIX2 durch ein spezielles Taktsys- abhängige Zuweisung des Übertra- ren.
tem, das ihn von allen anderen klassi- gungskanals an die unterschiedlichen
Daten intelligent schützen
Pixel-Takt Pixel Pixel-Takt Ein besonderes Augenmerk wurde bei
Input CLK PLL
Pixel-Daten
De-Framer
Register der Entwicklung auf den Schutz der
Framer
und -Steuerung Output Pixel-Daten
Downstream- FIFO und -Steuerung Daten speziell für sicherheitsrelevante
Daten Downstream- Anwendungen gelegt. APIX2 erfüllt
3 Gbit/s
Daten
Referenztakt PLLs
Transportstrom
Referenztakt
damit heute bereits schon wesentliche
„Förderband“
Voraussetzungen für eine ASIL-kon-
187,5 Mbit/s forme Übertragung nach ISO 26262.
Die dazu von Inova entwickelte und
De-Framer
Upstream-
Framer
Upstream-
Daten Daten fest in die Bausteine integrierte
AShell2 ist ein vollständig in Hard-
ware implementiertes Kommunika
ll Bild 2. Das Funktionsprinzip von APIX: Ein „Förderband“, das konstant alle Arten von Daten über- tionsprotokoll, das eine zuverlässige
trägt, die in kleinen Containern verpackt sind. Datenübertragung zwischen zwei
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Datenübertragung llll Infotainment + Telematik
AShell2-Instanzen gewährleistet. Fehlererkennung und u.U. auch deren hundertprozentig fehlerfrei empfan-
Applikationsdaten werden durch die Korrektur ermöglichen. gen wurden. Solange die Übertragung
AShell2 auf der Basis eines geeigneten Diese Verfahren erhöhen allerdings fehlerfrei ist, erzeugt dieses Protokoll
CRC (Cyclic Redundancy Check) vor die Komplexität der Sender und Emp- nahezu keinen zusätzlichen Overhead
Fehlern während der Übertragung auf fänger, erzeugen zusätzliche Daten (ca. 1 Prozent, Tabelle).
dem seriellen Übertragungskanal ge- (Overhead) und beeinträchtigen somit Daten, die eine Applikation vom
schützt. Der Empfänger kann durch die Nutzung der seriellen Übertra- Sender zum Empfänger fehlerfrei se-
den CRC Übertragungsfehler erken- gungskapazität durch die tatsächli- riell übertragen möchte, werden wie
nen und im Falle eines Fehlers mit chen Nutzdaten der Applikation. Man oben beschrieben durch die AShell2
Hilfe eines Protokolls (ARQ; Automa- benötigt deshalb für eine sinnvolle geschützt. Quelle und Senke dieser
tic Repeat Request) die Wiederholung technische Lösung ein gutes
der fehlerbehafteten Daten durch den Modell für die Statistik der zu Fehler (bei gegebener Block-Größe) Wahrscheinlichkeit, den Fehler zu erkennen
Sender erzwingen. erwartenden Übertragungs- bis zu 12 aufeinanderfolgende Bits falsch 100 Prozent
In der Praxis ist potentiell jedes fehler und ein gutes Verständ- 1 Bit falsch 100 Prozent
serielle Übertragungssystem mit Feh- nis dafür, welche Restwahr- 2 Bits falsch (zufällig verteilt) 100 Prozent
lern beim Transport der Bits vom Ein- scheinlichkeit für Fehler in
3 Bits falsch (zufällig verteilt) 100 Prozent
gang des Sendebausteins zum Aus- den Nutzdaten durch die Ap-
4 Bits falsch (zufällig verteilt) 99,9 Prozent
gang des Empfängerbausteins kon- plikation toleriert werden
frontiert. Ursache sind äußere physi- kann. Es ist meist sehr schwie- ll Fehlererkennungsrate der AShell2
kalische Einwirkungen der Umge- rig, diese fundamentalen Para-
bung, egal ob dadurch Bits im Über- meter bei der Entwicklung eines Daten sind Bausteine (z.B. MCU) der
tragungskanal verfälscht werden oder Übertragungssystems so zu definie- gemeinsamen Baugruppe, die diese
die Rückgewinnung der zeitlichen ren, dass sie für die Praxis relevant Daten jeweils über SPI-Schnittstellen
Dauer der Bits (Re-Timing) am seri- und belastbar sind, insbesondere, mit den APIX2-Bausteinen austau-
ellen Eingang des Empfängerbau- wenn Sende- und Empfangsbaustein schen. Falls das Datensicherungskon-
steins so stark beeinflusst wird, dass möglichst für viele Applikationen at- zept einer Applikation auch diesen
falsche Bit-Werte rekonstruiert wer- traktiv sein sollen. APIX2 verwendet Übertragungsweg auf der Baugruppe
den. Da für die meisten Datenströme einige der oben genannten Methoden vor unerkannten Fehlern schützen
vieler Applikationen jedoch eine feh- zur Erkennung und Korrektur von möchte, implementiert der APIX2-
lerfreie Übertragung erwünscht bzw. Fehlern, implementiert darüber hi Baustein an seinen SPI-Schnittstellen
erforderlich ist, müssen geeignete naus aber auch die AShell2-Protokoll- Kontrollsummen (CRC) über die
Maßnahmen ergriffen werden, um schicht für die unspezifischen Daten transferierten Daten, die von der Ap-
Fehler zu vermeiden, zu erkennen einer Applikation, die dem oben be- plikation ausgelesen und mit den von
bzw. zu beheben. Enthalten die Appli- schriebenen Dilemma Rechnung tra- ihr ebenfalls berechneten Werten ver-
kationsdaten bereits inhärente Redun- gen soll: Die Daten werden permanent glichen werden können.
danz, kann das beispielsweise durch nur um solche Informationen erwei- Für einen menschlichen Betrachter
Bewertung der Plausibilität der im tert, die eine Fehlererkennung mit enthalten die Informationen der Pixel
Empfänger extrahierten Daten erfol- sehr hoher Wahrscheinlichkeit ermög- von Bilddaten meist große Redundanz
gen. Oder den Applikationsdaten wird lichen – im detektierten Fehlerfall – einzelne, zufällig auftretende und
im Sender Redundanz hinzugefügt, wird ein Protokoll zwischen Sender zufällig im Frame verteilte Bit-Fehler
d.h., die Daten werden um zusätzliche und Empfänger aktiv, das so lange sind meist völlig unsichtbar. Die Infor-
Informationen ergänzt, welche die aufrecht erhalten wird, bis die Daten mationen jedoch, die das Bildformat
ll Bild 4. EMV-Antennenmessung (Abstrahlung) am APIX2-Link mit 5 m STP-Kabel und einem PRS12-Signal. Links: Leerlaufmessung in der Kammer bei
abgeschaltetem Link. Rechts: Messung bei 3 Gbit/s im Hin- und 187,5 Mbit/s im Rückkanal.
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Infotainment + Telematik llll Datenübertragung
Das verwendete ler Bit-Strom erzeugt wird, der völlig
CRC-Polynom er- unabhängig von Art und Inhalt der
kennt Burst-Fehler übertragenen Daten ist und deshalb
bis zu 32 Bits mit ei- keine vom Bildinhalt abhängigen
ner Hamming-Dis- Spektrallinien aufweist.
tanz von vier bzw. Als Ergebnis ist APIX2 selbst bei
sechs für Frames mit der maximalen Übertragungsrate von
bis zu 1.364 24-bit- 3 Gbit/s im Hin- und 187,5 Mbit/s im
Pixeln bzw. 1.818 Rückkanal hinsichtlich elektromagne-
18-bit-Pixeln pro tischer Abstrahlung praktisch unsicht-
Zeile. Dies bedeutet, bar (Bild 4). Und auch beim Thema
dass bis zu vier bzw. Einstrahlungsfestigkeit setzt APIX2
ll Bild 5. Aufbau der BCI-Einstrahlmessung im EMV-Labor. sechs beliebig ver- neue Maßstäbe. Selbst bei 350 mA
teilte Fehler zu großen eingekoppelten HF-Störströ-
beschreiben – in der Regel HSYNC, 100 Prozent erkannt werden. Ein CRC- men – ein neuer Grenzwert, den erste
VSYNC, DE – haben große Relevanz, 4-Schutz, wie er häufig verwendet OEMs fordern (aktuell reichen noch
und viele Displays reagieren mit sicht- wird, hat selbst bei optimaler Wahl des 100 mA) – werden die Daten stabil
baren Störungen, wenn diese Signale CRC-4-Polynoms nur eine Hamming- und zuverlässig übertragen (Bild 5).
auch nur kurzzeitig fehlerhaft sind. Distanz von eins, d.h., er erkennt nur Neben der eigentlichen Chip-Ent-
Deshalb schützt APIX2 diese Infor- Einzel-Bit-Fehler zu 100 Prozent, ob- wicklung widmeten sich die Ingenieu-
mationen besonders und überträgt sie wohl er bei 16 bit breiten Kameradaten re von Inova Semiconductors aber
fehlerfrei. einen Overhead von 25 Prozent gene- auch intensiv dem Thema Kabel/Ste-
Die Bilddaten dagegen werden nicht riert. cker als ein zentrales und auch kriti-
mit diesem hohen Aufwand geschützt, sches Element des gesamten Gigabit-
um die zur Verfügung stehende seriel- 3 Gbit/s über Kupferkabel Übertragungssystems. Neben eigenen
le Übertragungsrate nicht durch unnö- umfangreichen Untersuchungen arbei-
tigen Overhead zu belegen. Neben dem Management und der ef- tet Inova hier eng mit führenden
Manche Applikationen benötigen fektiven Sicherung aller unterschied- OEMs, aber auch Kabel- und Stecker-
jedoch auch Informationen über Fehler lichen Daten und Formate wurde bei herstellern zusammen. Als eine Kon-
in den Videodaten, entweder, um feh- APIX2 auch ein hoher Aufwand bei sequenz dieser umfangreichen Unter-
lerbehaftete – oder auch nur zu stark der Entwicklung des analogen suchungen wurden für APIX2 fest
fehlerbehaftete – Frames zu verwerfen „3 Gbit/s Physical Layer“ (PHY) be- eingebaute und frei programmierbare
oder nur, um über ein Kriterium zu trieben, der für die physikalische digitale Filter für den Sende- und
verfügen, mit dem die Qualität der se- Übertragung der Daten über das Kup- Empfangsbaustein entwickelt, mit de-
riellen Datenübertragung permanent ferkabel verantwortlich ist. Die Fahr- nen sich das Übertragungssystem op-
und zuverlässig beurteilt werden kann. zeughersteller fordern hier, dass auch timal an das jeweils eingesetzte Kabel
APIX2 implementiert dafür einen CRC bei der hohen Datenrate von 3 Gbit/s anpassen lässt (Bild 6). Diese sowie
über jede horizontale Bildzeile und die gleichen günstigen Kabel wie bei ein adaptiver Equalizer im Empfänger
überträgt diese an den Empfänger. 1-Gbit/s-Übertragungssystemen zum ermöglichen einerseits die automati-
Dieser zeigt wahlweise erkannte Über- Einsatz kommen. Und auch bei Zuver- sche Kompensation von Alterungsef-
tragungsfehler an seinem Status-Pin an lässigkeit, EMV-Festigkeit und Reich- fekten im Kabel bzw. zusammen mit
oder leitet den CRC an die Senke der weite sind keine Abstriche zulässig. eingebauten Tests die Beurteilung der
Videodaten weiter, so dass dadurch Im Rahmen eines größeren For- aktuellen Übertragungsqualität. Da-
auch der Pfad beispielsweise bis zu schungsprojekts, das von Bund und durch können Verschlechterungen der
einem Frame-Buffer überwachbar ist. Land Bayern gefördert wurde, entwi- Übertragungseigenschaften des Ka-
ckelte Inova Semiconduc- bels erkannt werden, bevor Fehler für
tors in enger Zusammenar- den Nutzer sichtbar sind oder die ge-
empfangenes Signal empfangenes Signal
(ohne FIR-Filter) (mit FIR-Filter optimiert) beit mit dem Fraunhofer samte Übertragung ausfällt.
IIS einen besonders zuver- Seit kurzem bietet Inova auch ein
lässigen 3-Gbit/s-PHY. Es spezielles Software-Werkzeug an, mit
wurde unter anderem ein dem sich das Übertragungsverhalten
Verfahren entwickelt und eines Kabels abhängig von den FIR-
erfolgreich eingesetzt, mit und DFE-Settings vollständig simulie-
TX RX dem bereits während des ren lässt. Der Anwender kann damit
Least Mean Square
Chip-Entwurfs das EMV- nicht nur eine für seine Anwendung
Serializer CDR De- Verhalten simuliert und optimale Einstellung finden, sondern
serializer
Finite Impulse Offset Automatic Decision kontinuierlich optimiert auch entsprechende Margen-Betrach-
Response Compensation Gain Control Feedback Equalizer werden konnte. Ein spezi- tungen anstellen und damit u.a. auch
eller Line-Code sorgt zu- potentielle Alterungseffekte des Ka-
ll Bild 6. Digitale Filter und Equalizer sorgen bei APIX2 für eine optimale Anpas- dem dafür, dass ein kon bels bereits bei den Einstellungen ein-
sung an das STP-Kupferkabel und können auch Alterungseffekte kompensieren. stant gleichmäßiger, seriel- beziehen.
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Datenübertragung llll Infotainment + Telematik
weiterer großer Halbleiterhersteller
arbeitet bereits an einem neuen
APIX2-Baustein für die Anbindung
leistungsfähiger Grafikprozessoren
im Fahrzeug.
Bei Inova Semiconductors laufen
bereits erste Studien für die nächste
APIX-Generation an, um die weiter
steigenden Anforderungen an Info-
tainment-Systeme im Fahrzeug auch
langfristig und über das Jahr 2020 hi-
naus mit einer durchgehenden APIX-
Plattform abzudecken. sj
ll Bild 7. Neues modulares APIX2-Entwicklungssystem ADK2 mit Software Apico zur komfortablen
Konfiguration und Steuerung des Übertragungssystems.
Modulares Applikations-Kit mit APIX2 und den Megapixel Senso-
für Entwickler ren Omnivision OV10630 oder Aptina
MT9M024 an. Diese Kamera-Erwei-
Um APIX2 mit seiner Vielzahl an terung arbeitet auch nahtlos mit dem
Schnittstellen und Anwendungsmög- Werkzeug „OVT Panther Tool“ von
lichkeiten auch umfassend evaluieren Omnivision bzw. der DevWare von
zu können, bietet Inova Semiconduc- Aptina zusammen.
tors den Entwicklern mit dem ADK2
ein modulares Entwicklersystem an, Halbleiterhersteller
das über die Software APICO komfor- unterstützen APIX2 Roland Neumann
tabel zu bedienen ist (Bild 7, Bild 8). studierte Nachrichtentechnik an der FH Karls-
Das Kit besteht aus einem Basismo- Nachdem APIX2 jetzt im Serienein- ruhe. Nach dem Studium entwickelte er Kom-
dul, das bereits alle wesentlichen satz ist, arbeitet Inova Semiconduc- munikationsrechner und ATM-Komponenten
Funktionen von APIX2, insbesondere tors an ersten APIX2-Derivaten spe- bei Siemens in München, bevor er zu Motoro-
die Video- und Audioübertragung, zur ziell für Multimedia-Anwendungen la in den Bereich System Engineering wech-
Verfügung stellt. Über zusätzliche, und für ultrakompakte 2-Chip-Kame- selte. Dort war er unter anderem für die Ent-
aufsteckbare Adapter-Boards kann der ras in Fahrerassistenz-Systemen. wicklung von Komponenten für die serielle
Anwender die Anbindung an Ethernet Analog Devices und Fujitsu haben Gigabit-Datenübertragung und Anwendungen
realisieren oder APIX2 als Kamera- zur embedded world ihre ersten im Automotive-Bereich verantwortlich. 1999
Link verwenden. Inova bietet dazu APIX2-Multimedia Gateway- und war er Mitgründer der Firma Inova Semicon-
nicht nur 2-Chip-Kameramodule des Display-Controller-Produkte mit ductors und ist dort verantwortlich für Ent-
taiwanesischen Herstellers Supertech HDCP-Funktion angekündigt, ein wicklung und Fertigung.
Michael Riedel
studierte Informationstechnik an der Techni-
schen Universität Dresden und war danach als
Entwickler bei Siemens-Nixdorf sowie in der
Vorfeldentwicklung bei Siemens tätig. Bei
Inova Semiconductors ist er für System En
gineering, digitales Design und Verifikation
verantwortlich.
ll Bild 8. Bedienoberfläche (Menü) der Software Apico.
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