车载低频LVDS国产化芯片应用如虎添翼

发布时间:2022-04-08
来源于-汽车电子产业联盟《智驾电子》2022第3期 文/郑小龙,牟奎霖



   
    现任职于天津瑞发科半导体技术有限公司系统部,负责公司视频传输类芯片的应用系统设计、功能验证以及客户支持。作为资深硬件工程师,于2014年2月加入后,对于过各个芯片系列和应用都提供过全面的支持,发表多篇技术文章。曾有在国内知名数字视频监控企业工作的经验。


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    现任天津瑞发科半导体技术有限公司市场拓展总监,负责公司的集成电路芯片市场推广及业务拓展。毕业于清华大学电子工程系,曾经在美国德州仪器(TI)中国公司工作十八年,在IC行业技术和市场积累了丰富的经验。

本刊发表的《国产车载视频传输芯片为智能化汽车保驾护航》文章引起业界广泛关注,文中谈到车载高清视频传输芯片市场长期被TI/Maxim等国外厂商所垄断的局面已经改变,面向车载应用的低频LVDS芯片组NS2520/2521成为高清车载视频传输芯片国产化替代优选,所表现高清晰度、高可靠性、低延时等特点为更多的客户认可并采用。于是,“自主、可控、保供、降本”要素在国产芯片提供商给与的全方位支持下得到满足,智能化汽车厂商在新的一年中虎虎生威。文将从技术角度深入地阐述车载低频LVDS国产化芯片的应用和范例。

低频LVDS技术及芯片组脱颖而出

常见的车载视频传输系统,一般使用LVDS接口的传输芯片,其工作方式是将Sensor/ISP输出的数字信号编码成串行的数据流,通过高速的Serdes传输至接收端,接收端解码后恢复成并行数据发给主控SOC。串行通道上数据的码率很高,对于720P30,大约是750Mbps,对于1080P60,将达到3Gbps。因此车载LVDS是典型的高频传输系统,抗干扰性差,对线材品质的要求高,传输距离也受限。

   天津瑞发科半导体在2016年发布了具有自主知识产权的AVT系列高清视频传输芯片,至今累计出货超过百万对,其核心的SerDes技术就属于低频LVDS。

   NS2520/2521芯片组的核心功能是在传统车载高清LVDS系统中引入压缩编解码模块,使用同样的传输接口和传输线缆,但压缩算法将线缆上的码率降低至270Mbps(135MHz max),弥补了传统LVDS传输芯片的上述不足,获得行业内“车载低频LVDS”的称谓。

NS2520作为发送端(Tx)芯片,内置的压缩模块基于瑞发科自主知识产权的压缩算法,压缩率2至30倍可配置,10倍压缩率下图像损失小于-40dB,远小于ISP对图像的影响,满足ADAS视频分析算法的要求。视频压缩方式为帧内压缩,以60帧的视频流为例,画面延时低至1.6毫秒。如图1所示为其内部框图。

                              图1 NS2520芯片内部基本功能模块

    NS2521作为接收端(Rx)芯片,不仅能够实时把收到的串行压缩数据流解码成并行数据流发送给SOC,而且通过内置的自适应均衡器和RS纠错模块,保证传输可靠性。其中自适应均衡器在线材类型,线材长度,连接器,环境温度、电压等外部条件发生变化时,保障视频质量不受影响。RS纠错模块可有效抑制电磁干扰导致的传输错误,2Kbits串行码流中最高可纠正8位随机错误及64位连续错误。如图2所示为其内部框图。


                                    图2 NS2521芯片内部基本功能模块

此外,NS2520/2521还设有I2S/SPDIF音频接口、I2C/UART控制接口、GPIO电平采样接口,可用于双向的音频或控制数据传输,作为视频传输的扩展。这些扩展数据与视频数据复用传输线缆,不需要额外增加传输线。

车载低频LVDS技术方案与FPD Link或模拟高清方案相比,具有的独特优势如下表所示,因此更适合于车载高清视频传输系统的应用。

进一步而言,由于低频LVDS很大程度降低了对线缆和连接器的性能要求,具体到产品上,就意味着系统成本的降低,这对当前车厂普遍面临的国产化替代和降成本压力,无疑是一种利好。

车载低频LVDS典型应用方案别具特色

   车载低频LVDS系统业已在智能化汽车的应用中大放异彩,基于NS2520/2521的解决方案已经成功用于360度环视、流媒体后视镜、DVR、DMS等系统,表现出稳定可靠的特性,并且由于采用低频时钟,因此有效简化硬件设计。

NS2520部署于摄像头端,通过8bit-BT656/DVP或16bit-BT1120接口连接Sensor/ISP,LVDS输出接口通过电容/变压器(AC耦合)连接线缆。线缆可以采用车载产品中常用的同轴线或HSD线。NS2521部署于主机端,单片NS2521支持2通道LVDS输入,可以同时连接2路摄像头,并行视频输出接口为16bit位宽,可作为2路8bit-BT656使用或1路16bit-BT1120或1路8bit-DVP使用。如图4所示为车载低频LVDS系统典型结构

                                        图4基于NS2520/2521的车载系统典型结构

下面以通用的360°全景系统为例进行简要说明,该系统如图5所示,包括四个摄像头,分别安装于车体的前后左右四个方向,并且通过同轴线缆连接到主机端(ECU)。同轴线缆分别将摄像头输出的图像传给主机端,同时主机端也通过POC的方式反向给摄像头供电。主机端需要采用两片NS2521,分别通过8bit-BT656接口连接SOC。中间的同轴线可以是多段,以方便设备的安装,其最大长度可以达到30米以上,四根线缆间的长度差异或者品牌型号的差异不会导致信号接收的问题,即NS2521使用相同的软件配置,无需因为线间的差异做额外调整。

图5基于NS2520/2521的360度全景系统

车载低频LVDS系统效果实测尽如人意

车载视频传输系统中,清晰度、稳定性、实时性是三个核心指标,这些指标需要通过实测来确定和验证。评估清晰度和实时性的影响,需要把经过压缩模块后的图像和原始图像作对比,使用的对比方法是把一个PC机显卡的HDMI输出端,通过视频分配器分成两路,一路直连显示器A,另一路先通过HDMI_RX芯片转为BT1120格式的图像,再经过NS2520/2521芯片组做压缩和解压处理,处理后接入HDMI_TX芯片重新转成HDMI图像连接另一台显示器B。显示器A、B使用相同品牌,并恢复至默认配置。PC机无论是运行专用的LCD_Test软件、观看高清电影,或是显示静态的系统桌面;通过肉眼观看,均无法直接看出两个视频通道间的图像效果差异。实时性测量需打开秒表,使用全局曝光的摄像机同时抓拍两个屏幕,显示的时间差即为延时,使用1080P60的视频源,反复测试,延时均低于2ms,与1.6ms的设计理论值相符。由此可以验证,视频压缩对清晰度和实时性的影响几乎不可见,而稳定性的提升却十分显著。实际使用测试板做BCI测试如图6所示。

                                           图6 使用测试板做BCI测试

高清视频传输稳定性的提升主要体现在抗干扰性能和对线材的兼容性上,最直观的检验方式就是EMC测试,车载产品的EMC测试项中,BCI大电流注入是一种相对比较强的干扰。为了保证足够的设计余量,按照超出常规要求的标准设计测试项,使用了国产的后装线材和连接器,线材为两段式,总长8米,由于受场地限制,采用蛇形绕线多次转折,有的地方弯折角度较大甚至形成锐角,被测设备不加金属外壳,直接裸板测试。测试结果表明,使用全屏蔽的线缆,可以保证全频段200mA的干扰下满足等级Ⅱ的要求,完全符合车载系统的标准。

后记:当前国内半导体产业的迅速发展和显著进步为车载芯片的国产化替代打下坚实的基础,更好地支持国产汽车智能化以及新能源智能汽车的不断创新。瑞发科半导体作为自主研发具有自主知识产权数字高清视频传输技术和芯片的领先者,业已居身国内车企供应链的优秀代表之一。凭借创新设计理念和优越性能的车载低频LVDS技术,使得NS2520/2521芯片组得到越来越多车厂和Tier1的认可和采用,不少已进入前装量产与前装定点阶段,正起到如虎添翼的效果。基于AVT技术新一代的低频LVDS视频传输芯片正在研发中,将以更卓越的性能创造新的辉煌。以国产化半导体芯片主导车载市场,中国智能汽车的未来可期!