Уникальная SerDes-технология c поддержкой шифрованного видео- и аудиоконтента

Видео высокого разрешения, которое быстро становится де-факто стандартом для домашних систем, в настоящее время стало доступным и на автомобильном рынке. Мы ожидаем такого же качества изображения от автомобильных систем, которое обеспечивают домашние кинотеатры, а дети желают в длительных поездках смотреть любимые Blu-ray-диски. Распределение видеоинформации в автомобиле является сложной задачей для разработчиков информационно-развлекательных систем, особенно в том, что касается обеспечения сигнальной полосы частот для поддержки видеоконтента высокого разрешения. Применение технологий интегральных схем обеспечивает требуемые скорости передачи данных, уменьшает число дорогостоящих кабелей и разъемов и снижает уровень электромагнитных помех в системе. Компания TI недавно выпустила для автомобильных развлекательных систем первый в отрасли SerDes-чипсет со встроенной в кристалл системой HDCP (High-bandwidth Digital Content Protection — защита цифрового содержимого в каналах с высокой пропускной способностью). Чипсет FPD-Link III обеспечивает защищенное распределение зашифрованного видео- и аудиоконтента, например, видеофильмов с разрешением до 720p.
Кроме того, этот чипсет поддерживает полнодуплексный двунаправленный канал управления с уникальной архитектурой, который позволяет реализовать системы реального времени на базе сенсорных дисплеев. Чипсет преобразует в последовательный код видео- и аудиоданные, тактовые, управляющие сигналы и передает их по одному дифференциальному проводу. В статье описаны системные преимущества применения этой технологии, а также другие расширенные возможности, позволяющие снизить уровень электромагнитных помех и общую стоимость системы.
На рисунке 1 показана упрощенная блок-схема системы на базе FPD-Link III, в которой множество кабелей заменено одной дифференциальной парой. Третье поколение чипсета FPD-Link состоит из преобразователя в последовательный код DS90UH925Q и преобразователя в параллельный код DS90UH926Q. DS90UH925Q преобразует видеосигналы, цифровые I2S-аудио- и управляющие сигналы, поступающие от процессора головного устройства (графического процессора, видеокамеры или Blu-ray/DVD-плеера), в последовательный поток данных для распределения по автомобильной кабельной системе.

Рис. 1. Упрощенная блок-схема системы на базе FPD-Link III

DS90UH926Q преобразует поток последовательных данных в видео- и аудиосигналы, а также сигналы управления для центрального информационного дисплея и дисплеев, встроенных в спинки сидений. Передача видеоданных и сигналов управления по одной дифференциальной паре уменьшает размеры, вес и стоимость межсоединений. Полнодуплексный двунаправленный канал не только исключает необходимость в дополнительных кабелях и разъемах, например, для реализации интерфейсов CAN, LIN и I2C, но и позволяет передавать сигналы управления от дисплея в главный процессор независимо от периодов гашения видеосигналов. Этот способ иллюстрируется на рисунке 2. Такая полнодуплексная реализация канала передачи с малой задержкой является значительным улучшением по сравнению с методами, при котрых передача управляющих данных происходит только во время гашения или при модулировании синфазного сигнала. Эти методы приводят к возникновению неопределенной задержки, которая нежелательна в системах на базе сенсорных дисплеев, и возникновению электромагнитных помех.

Рис. 2. Данные управления передаются независимо от периода гашения видеосигналов. Синфазный сигнал не модулируется

Новый чипсет обеспечивает последовательную передачу цветного 24-бит видеоконтента на расстояние более 10 м и обеспечивает частоту следования пикселов 5…85 МГц. Это позволяет создать модульную платформу информационно-развлекательных систем, которая поддерживает широкий спектр источников видеосигналов и дисплеев для применения в самых разнообразных транспортных средствах.

Система цифровой защиты от копирования HDCP разработана корпорацией Intel и предназначена для того, чтобы предотвратить копирование цифрового видео- и аудиоконтента через широко распространенные интерфейсы между цифровыми устройствами воспроизведения мультимедийной информации и дисплеями. Компания TI приобрела лицензию от организации Digital Content Protection LCC (DCP) на разработку технологии поддержки HDCP.
Уникальный набор ключей загружается в энергонезависимую память кристалла при его изготовлении. Доступ извне к ним невозможен. Каждое устройство с HDCP-защитой имеет уникальный набор 56-бит ключей. Во время аутентификации преобразователь в последовательный код и преобразователь в параллельный код обмениваются ключами в соответствии с процедурой по схеме Блома. Эти ключи используются для шифрования и дешифрования данных. Кодирование данных выполняется с помощью поточного шифрования. Функция шифрования реализуется как в преобразователе в последовательный код, так и в преобразователе в параллельный код. Зашифрованные данные передаются через интерфейс FPD-Link III и дешифрируются преобразователем в параллельный код. Встроенные средства HDCP-обработки упрощают конфигурацию информационно-развлекательной системы и исключают необходимость в таких дорогостоящих дополнительных компонентах как микроконтроллеры и FPGA за счет выполнения объемных задач по аутентификации и шифрованию непосредственно на кристалле.

Пассивное подавление элетромагнитных помех с помощью экранирования и применения конденсаторов не является предпочтительным вариантом из-за ограничений по стоимости и весовым показателям системы. Системные разработчики отдают предпочтение активному подавлению элетромагнитных помех с помощью встроенной в кристалл системы. В чипсете FPD-Link III уровень элетромагнитных помех минимизируется благодаря использованию низковольтной передачи дифференциальных сигналов, кодированию и произвольному распределению данных, а также формированию тактовых сигналов с распределенным спектром.
Произвольное распределение, кодирование и DC-балансировка (уравнивание числа нулей и единиц в потоке данных) являются широко распространенными методами снижения электромагнитных помех и потому не описываются в статье. Еще одним методом снижения спектральной плотности электромагнитных помех является применение генератора тактовых сигналов с распределенным спектром. Из-за своей периодической природы тактовый сигнал имеет узкий частотный спектр. Энергия сигнала концентрируется на основной частоте и гармониках, в результате чего она может превысить предельные нормы, допустимые для электромагнитных помех. Тактирование с распределенным спектром позволяет избежать этих проблем благодаря снижению пиковой излучаемой мощности путем модуляции основной частоты тактового сигнала. Данный метод изменяет картину электромагнитного излучения системы, обеспечивая соответствие нормам на электромагнитную совместимость. Тактовый генератор с распределенным спектром не снижает общего уровня энергии, излучаемой системой, а распределяет энергию по более широкой полосе частот, в результате чего ни на одной полосе частот уровень излучения не превышает установленных норм.
Преобразователь в последовательный код DS90UH925Q и преобразователь в параллельный код DS90UH926Q отслеживают входной профиль распределения спектра тактового сигнала с частотой модуляции до 35 кГц на частоте следования 85 МГц. DS90UH926Q использует встроенный тактовый генератор с распределенным спектром для модуляции сигналов на выходах. Модулируются как выходные тактовые сигналы, так и сигналы данных. Поддерживаемая частота модуляции достигает 100 кГц. Этой функцией можно управлять по I2C-интерфейсу. Измерения на планшетном сканере EMSCAN с использованием оценочной платы, не оптимизированной по уровню электромагнитных помех, показали, что использование тактового генератора с распределенным спектром в преобразователе в параллельный код позволило уменьшить уровень излучения помех и пиковых гармоник на 10 дБ (см. рис. 3).

Рис. 3. Уменьшение уровня излучения электромагнитных помех и пиковых гамоник за счет применения тактового генератора с распределенным спектром

Чипсет поддерживает усовершенствованнные методы повышения качества изображения, которые улучшают его восприятие и снижают общую стоимость системы. При обработке изображений баланс цвета регулируется за счет интенсивности основных цветов — красного, зеленого и синего (RGB). Общий метод регулировки иногда называют балансом серого, нейтральным балансом или балансом белого.
Баланс белого изменяет общее смешение цветов в изображении и используется для коррекции цвета. DS90UH926Q имеет функцию баланса белого, которая обеспечивает одинаковый вид изображения при использовании ЖК-дисплеев разных поставщиков. Она компенсирует собственную цветовую температуру дисплея и регулирует относительную интенсивность RGB-цветов для поддержки определенной цветовой температуры. Для определения значений трех таблиц перекодировки гамма-функции, т.е. 8-бит значений на каждый цвет RGB, используются программируемые регистры управления. Таблицы перекодировки преобразуют входные RGB-значения в новые выходные. На каждый цвет приходится одна таблица перекодировки. Каждая таблица перекодировки содержит 256 записей — 8 бит на одну запись с общим объемом 6144 бит (3 × 256 × 8). Все записи можно считывать и перезаписывать. Данная функция применяется также к 18-бит цветным приложениям, когда в таблицу перекодировки записывается только одно 6-бит RGB-значение.
Функция динамического размывания при управлении частотой кадров (Dynamic FRC Dithering) позволяет дифференцировать продукты по качеству изображения. Эта функция понижает разрядность RGB-цветов с 24 до 18 бит, сглаживает градиенты цветов и обеспечивает возможность использования менее дорогих 18-бит дисплеев. Преобразование 24-бит RGB-данных (8 бит на подпиксел) в 18-бит (6 бит на подпиксел) выполняется с использованием системы HiFRC (High Frame Rate Control — управление высокой частотой кадров). HiFRC — это новаторский алгоритм размывания изображения, обеспечивающий большую глубину цвета и более высокие цветовые характеристики. В соответствии с этим алгоритмом отбрасываются два младших значаших разряда из 8-бит записи для гамма-функции. Это позволяет динамичеки настраивать алгоритм размывания для оптимизации храктеристик цвета и минимизации искажений. Доступ к этой функции реализуется через I2C-регистр.