Gestire i segnali video in auto

L’interfaccia per il collegamento di display a schermo piatto FDP-Link III è molto diffusa in ambito automobilistico per trasferire segnali video da punto a punto. L’interfaccia consente di trasportare video digitali ad alta definizione e offre un canale di controllo bidirezionale attraverso un cavo a basso costo (doppino ritorto o coassiale). Si tratta di serializzatori e deserializzatori (SerDes) FPD-Link III ottimizzati per il collegamento fra un processore e un display oppure fra un processore e una videocamera.

I sistemi di visione automobilistici
Fino a poco tempo fa le telecamere erano poco utilizzate nelle automobili, limitate principalmente a veicoli di grossa taglia come ausilio alle manovre in retromarcia. Oggi la telecamera posteriore è disponibile anche in auto compatte con costi contenuti. Con l’evoluzione delle auto, le telecamere troveranno sempre maggiore applicazione e diventeranno più sofisticate. La telecamera posteriore consente al guidatore di visualizzare l’area dietro il mezzo, operazione difficile o impossibile con i soli specchietti retrovisori. Il prossimo passo saranno i sistemi di visualizzazione “surround”, cioè perimetrali. Il sistema perimetrale prevede tipicamente quattro telecamere montate sull’auto, solitamente una su ciascun paraurti (anteriore e posteriore) e una in ciascuno specchietto laterale. Ogni telecamera è dotata di un’ottica fisheye, in modo che l’insieme delle quattro inquadrature offra una visione completa di tutta l’area circostante all’auto. In un sistema di questo tipo, le quattro immagini vengono inviate a un processore video come il DRA74x Jacinto 6 di Texas Instruments, che corregge le distorsioni della lente a “occhio di pesce”, modifica il punto di vista apparente e fonde le quattro immagini per generare una vista aerea dell’auto, in modo che il guidatore possa individuare eventuali ostacoli davanti, dietro o ai lati del veicolo. Durante l’elaborazione delle immagini, alcune porzioni vengono ingrandite, altre vengono invece compresse. Per mantenere una qualità elevata delle immagini, la densità dei pixel deve essere superiore a quella normalmente richiesta dall’occhio umano. Gli attuali sensori per autoveicoli generano immagini da 1 megapixel, ma sono in arrivo modelli da 2 MP. Per supportare questa nuova generazione di sensori, i progettisti di auto possono contare su nuovi progetti di SerDes ottimizzati per i sensori a 2 MP. Oltre ai data rate maggiori richiesti dai nuovi imager, bisognerà gestire anche interfacce di nuova generazione. Un altro aspetto dell’evoluzione dei sistemi di visione automobilistici è il passaggio da sistemi con una sola telecamera, tipicamente quella per la retromarcia, all’impiego di diverse telecamere. Con più telecamere diventa importante la sincronizzazione dei sensori. In un’applicazione di tipo perimetrale, ad esempio, l’elaborazione risulta più agevole se tutti gli imager sono sincronizzati. Tuttavia, se due telecamere devono essere utilizzate in coppia per generare un’immagine stereografica di una scena in 3D davanti al veicolo, la sincronizzazione è necessaria per stabilire l’esatta posizione di un oggetto in movimento... o anche di un oggetto stazionario visto da un veicolo in movimento. I sistemi di nuova generazione dovranno essere in grado di gestire diverse telecamere sincronizzate fra loro. In molti campi, l’estensione delle funzionalità di una tecnologia esistente ha aumentato il livello di complessità e i costi delle interconnessioni. Ad esempio, per proteggere da copia il collegamento fra un lettore Dvd e un monitor è necessario sostituire il cavo coassiale analogico con un cavo Hdmi. La nuova connessione restituisce un video di qualità migliore, oltre alla protezione da copia non autorizzata, ma comporta un ecosistema cavo/connettore molto più costoso, oltre a limitazioni sulla lunghezza massima dei cavi. Con riferimento alle automobili, FPD-Link III è stato sviluppato per consentire il trasferimento di contenuti su cavo a doppino con protezione anti-copia da un server o lettore Blu-ray al sistema di intrattenimento per i sedili posteriori. La richiesta del mercato è ottenere queste funzionalità senza aumentare il costo del supporto o penalizzare l’utilizzo dei vecchi supporti senza protezione anti-copia. In questi dispositivi le informazioni che venivano trasmesse attraverso conduttori separati vengono ora codificate e trasportate tramite FDP-Link III, utilizzando gli stessi conduttori che trasmettono i contenuti video. Non è però sufficiente trasferire un segnale video da una telecamera al processore, o da un lettore Blu-ray a uno schermo. In entrambi i casi servono anche i segnali di controllo in direzione opposta. Nel caso della telecamera, il processore deve poter configurare l’imager. Nel caso del sistema di intrattenimento per i sedili posteriori, l’interfaccia utente è spesso uno schermo touch con comandi che devono essere inviati dallo schermo al processore. FPD-Link III gestisce queste funzionalità con un canale di ritorno integrato, grazie al quale lo stesso cavo coassiale o a doppino ritorto può trasportare il video in una direzione e fornire un canale di controllo bidirezionale indipendente sullo stesso conduttore. In questo modo il cavo resta sottile, flessibile ed economico. E l’alimentazione? Telecamere e display devono essere alimentati. Si può impiegare lo stesso cavo per alimentare il dispositivo oltre a fungere da canale di comunicazione?

Alimentazione via cavo coassiale
La chiave per utilizzare lo stesso cavo per alimentazione e comunicazione è analizzare ciò che accade a livello di frequenza. Il canale di andata video e il canale di controllo bidirezionale su FPD-Link III possono condividere lo stesso cavo perché occupano bande differenti nel campo delle frequenze. Prendendo come esempio i sistemi DS90UB913A-Q1 e DS90UB914A-Q1, il canale di controllo occupa la banda compresa all’incirca fra 1 MHz e 5 MHz. Il canale video occupa lo spazio fra 70 MHz e 700 MHz. È possibile aggiungere l’alimentazione sullo stesso cavo a condizione di non interferire con queste due bande di frequenza. Per l’alimentazione tramite cavo coassiale o Poc (Power over coax) serve un circuito che separi il segnale di ingresso in due rami. Un ramo trasporta l’alimentazione in corrente continua per il circuito Poc, mentre l’altro trasporta i segnali senza alimentazione CC. A questo scopo lungo il percorso del segnale viene posizionato un componente che lascia passare sia il canale di ritorno sia il canale di andata, ma blocca la corrente continua. È sufficiente un semplice condensatore. Un condensatore da 0,1 µF ha un’impedenza bassissima dall’inizio della banda del canale di ritorno a 1 MHz fino al limite superiore di 700 MHz. Si tratta di un componente già disponibile a basso costo. L’induttanza parassita di un condensatore 0603 a 0,1 µF è nell’ordine di 1 nH, pertanto non entra in gioco nella banda di interesse. I condensatori sono una scelta efficace per separare i segnali CA dall’alimentazione CC. L’altro ramo, quello che lascia passare la corrente continua senza interferire con il segnale CA, è un po’ più complesso. Poiché i canali dei dati viaggiano lungo una linea di trasmissione a impedenza controllata, l’impedenza del circuito passa-basso deve essere ampiamente superiore alla banda del canale di andata. Affinché il circuito di alimentazione non interferisca con il canale dei dati, l’impedenza del circuito deve essere circa 20 volte superiore all’impedenza caratteristica del cavo. Quindi, per una linea coassiale da 50 Ω, l’impedenza deve essere maggiore di 1 kΩ da 1 MHz a 700 MHz. La soluzione per questa applicazione sarebbe un induttore ideale. Purtroppo gli induttori ideali sono più difficili da reperire dei condensatori ideali. Per avere un’impedenza superiore a 1 kΩ nella banda inferiore di 1 MHz sul canale di ritorno, serve un induttore da 100 µH. Ma un tipico induttore da 100-µH ha una capacitanza parassita che ne abbassa l’impedenza al di sotto di 1 kΩ a frequenze superiori a 70 MHz. Pertanto interferirebbe con il canale di andata. Fisicamente, gli induttori più piccoli hanno correnti di saturazione inferiori. Un modo per utilizzare un induttore più piccolo è ridurre il fabbisogno di corrente del circuito. Questo obiettivo può essere raggiunto aumentando la tensione trasportata dal cavo coassiale. Se la telecamera richiede 1,5 W e l’alimentazione via cavo coassiale ha una tensione di 5 V, la corrente necessaria è 300 mA. L’induttore da 100-µH scelto è probabilmente quello con le dimensioni fisiche più piccole tollerabili. Se invece si utilizza un’alimentazione a 12 V, sono necessari solo 125 mA. Un induttore che supporta questa corrente minore ha un ingombro di circa un quarto rispetto all’induttore necessario per 300 mA.

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