创造车载系统数字高清视频传输神奇的AVT技术

2017-03-13 10:02:13 来源:安防知识网 作者:郑小龙、牟奎霖、余洪福
技术/方案频道文章B

[摘要] 在过去的一年,中国汽车市场销售总量首次超过两千八百万辆达到历史新高, 增幅大于13%,连续八年位居全球首位,其中自主品牌首次突破千万大关,占有率上升超过四成。这样的市场形势有力地推动有关车载视觉安全系统的应用开发和市场,而数字高清视频传输技术推广格外引人瞩目,引发了一系列的技术创新。

  在过去的一年,中国汽车市场销售总量首次超过两千八百万辆达到历史新高, 增幅大于13%,连续八年位居全球首位,其中自主品牌首次突破千万大关,占有率上升超过四成。这样的市场形势有力地推动有关车载视觉安全系统的应用开发和市场,而数字高清视频传输技术推广格外引人瞩目,引发了一系列的技术创新。

  各种类型汽车都遍布着各种信号部件,各自有都需要有效而可靠地传输,如图1所示。其中与视觉相关的视频单元不断增加,所传输的视频信号的信息量最大,并且已经由模拟转为数字、由标清转为高清,路数也在持续增加。

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  图1 汽车内部各种信息部件分布示意图

  众所周知,图像质量、可靠性、系统成本是车载视觉系统最重要的评估指标,但三者之间不可避免存在着对立,一般而言,视频质量越高意味着数据量越大,就是视频传输带宽加大,所带来的问题便是,在同等条件下传输距离变短,或者对传输线材的质量要求变高。因此,对于车载视频系统传输方案的选择,需要对上述三个要素定量分析和综合权衡。在各种视频传输技术中,先进视频传输技术(Advanced Video Transfer,简称AVT)脱颖而出,其优越的数字同轴高清视频传输性能及特性有效地解决了上述问题成为优选手段,并已支持多种车载视频系统的市场应用,并不断为汽车厂商所认可和接受。

  一、   车载数字高清视频传输系统图像质量的保障

  现行车载视频系统有存在多种传输技术体制,选择起来难免显得无从入手。

  如果仅仅围绕如何确保高品质图像质量的高清视频最有效传输,那么就需要做个基本的比较。USB传输当前主要应用于行车记录仪的后摄像头接入,采用广为流行的USB2.0标准,但缺点是传输距离一般仅限于5米,需要通过Hub去延长传输距离,因采用Hub就不可避免的产生视频传输的不稳定,时常会出现丢帧,马赛克等现象,且格式通常是画质较差的MJPEG;LVDS的推荐最高速率655Mbps,理论最高速率更是可达1.923Gbps,但实际常见速率<150Mbps,若用多组线缆将会大幅增加线缆成本;SDI可以用一对线缆最高传输1.5Gbps,也可传反向控制信号,但缺点仍然是成本过高;以太网络传输必须走IP协议,采用分组传输所带来的网络延时动辄数百毫秒,基于H.264压缩算法的视频流采用帧间压缩,平均延时为百毫秒级,由此在车载高清视频端方案中应用性不强,对于无线局域网络难免有更大的延时。

  AVT属于数字无损压缩传输技术,保障视频质量远好于各种模拟高清技术,其突出表现就是对高清视频信号视觉无损压缩,并确保在传输过程中不会掉帧。所采用视觉无损压缩算法,在更好地维持原始视频图像画质的同时,大幅度降低了数据量,其最大压缩倍数可达三十倍。在完全符合车载系统图像质量的基本要求上,AVT解压后的图像与原始图像的差别小于40dB,视觉无损,即使静态图像,肉眼也看不出区别;而且算法本身为帧间压缩,延时低至3ms以内。

  AVT传输技术,实际上是一种类LVDS-Serdes技术,只不过更加灵活,既可以传输非压缩视频数据,也可以传输轻压缩视频数据。其传输既可以用同轴线缆,也可以用以太网线,甚至一对双绞线,如业界俗称“ZVBS宝马线”来实现。对于Bayer RBG传输最高支持1080P60的视频传输,而AVT可以支持两种模式数字视频高速传输,即Raw data模式和YUV模式。下面对这两种模式做简要的分析。

  在Raw data模式下,可支持更高的帧率,其应用框图如图2所示。

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  图2 AVT车载高清视频系统Raw data模式应用框图

  由于在车载应用场景中容易受到干扰,Dewarp在后端主控上实现为宜。但是,具有好的DeWarp性能的主控芯片成本往往比较高。另外,Sensor模组和不同的主控芯片配合要逐一调试,因而通用性较差。

  在YUV模式下,AVT的发送TX可工作在非压缩模式,或者是压缩模式,其应用框图如图3所示。

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  图3 AVT车载高清视频系统YUV模式应用框图

  由于采用轻压缩方式,可以支持更高的数据量且更加可靠。如果前端ISP实现了DeWarp功能,可以降低主控的要求,尤其是类似电子后视镜等应用场合,因而和主控的配合简单容易,通用性强。

  AVT还有一个特色,就是双向传输功能。其中可以支持反向控制信号传输,在不影响高清视频图像传输质量的前提下,可以进行UART、IR、I²C信号的双向透传,以及SPI信号的正向透传。同时,还具有支持双向语音透传能力,可以支持SPDIF和 I²S信号的双向传输,支持语音格式包括8/16/24/32/44.1/48/96K 抽样速率。

  二、车载数字高清视频传输系统可靠性的保证

  车载高清视频系统对可靠性具有极高的要求,对相关传输技术的考察将涉及到其传输模式。AVT采用低频数字的传输模式,为信号可以进行嵌入式的应用提供便捷通道。在车载系统中POC(power on coaxial)技术开始受到关注,这是使用单根同轴线缆同时实现RX->TX端的DC电源传输和TX->RX端的视频传输,是未来的一个发展趋势。

  在车载前装市场,对视频信号进行POC传输就是必要要求,而AVT恰恰可以更好的满足此点。POC传输的优势主要在于视频信号与电源信号通过载波叠加,用一根同轴线或者差分线就可实现电源与信号的传送,大大减少线材的同时又带来安装的方便。AVT的低频数字传输技术保证其在复杂车载应用环境下的高可靠性和抗干扰,ESD在不加任何ESD保护器件时可达8KV/15KV,  EMI指标高。

  车载视频系统需要所采用的传输技术尽可能地满足现有的布线要求。可以看到AVT的传输接口使用270Mbps传输速率,所对应的信号有效频率又恰好介于27MHz~135MHz之间的频段,其接收芯片带有自适应均衡,能自适应各种线材及传输条件,视频码流使用RS纠错码,2Kbits中最高可纠正8位随机错误及64位连续错误。因此,AVT在可以很好地符合和支持现有车载布线手段。

  除此之外,AVT在车载高清视频传输应用所具有的独特优势还表现在,其分辨率可任意设定,例如对于电子后视镜,可以是支持长宽比为16:9或4:3的画面,很好地解决了传输方案可能存在的兼容性问题。再如差分传输对外辐射的功率很小,当多根视频线并行走线

  且距离很近时,容易产生互相干扰。而采用AVT后,在实际测试中,用Cat5网线中的4对差分线可以同时传输4路视频,不出现串扰、卡住或停顿顿等问题,如图4所示。

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  图4 AVT在车载高清视频传输实际应用框图

  在POC的应用中,能否实现的关键在于,两种信号能否在耦合和分离过程中互不干扰,更具体的问题在于视频是否会被电源影响,这就取决于两种信号的带宽。DC电源经过滤波之后,其高频成分的幅值本身只在百毫伏级,即使考虑其影响,AVT的信号最低有效频率为27MHz,考虑衰减,RX端幅值也大于400mV;一般DC电源开关频率低于2MHz,27MHz相当于DC电源的13次谐波,DC电源中该频谱的幅值只有视频信号的几十分之一,因此视频信号不会受到电源的干扰。

  在实际应用中,只需要简单的LC滤波,就可以将两种信号分离,其中,低通滤波电路使用4.7uH电感,对27MHz信号的阻抗大于900Ω,远大于线材的特征阻抗,也可以避免视频信号的衰减。

  AVT应用POC方案在传输速率270Mbps时,如果使用75-3同轴线实测,1080P视频的传输距离可达到100米以上。

  三、车载数字高清视频传输系统成本的控制

  AVT在车载系统具有突出的成本优势,通过低码率和自适应均衡技术的应用,大大降低了对线材规格的要求,良好的抗干扰性又降低了对布线的要求。

  以利于后端车机之智能处理算法等;由于将视频采用数字化模式来做传输,保证信号的稳定可靠,同时采用瑞发科特有的压缩模式实现低频传输,在保证信号稳定可靠的前提下大大降低对传输线材的要求,使得产品较为轻松的通过车载各项严格的测试(EMC,EMI等)。

  AVT完美支持POC(Power Over Coax)这个前装/准前装常见要求,灵活支持车载产品常见的各种规格显示屏。支持用车载电子常用同轴线缆或普通CVBS宝马线传输高清1080P@60视频信号至100米, 降低线材和连接器成本, 以及可能的换线工作量。支持单路/双路/4路视频, 从720P到1080P@60乃至4K x 2K,  从长度为8到10米的小车。到长度为30到50米的大轿车和大货车。其传输方案的可扩展性、功耗低性、及微型化的芯片尺寸, 有利于前端摄像头的小型化。

  特别需要指出的是,任何车载系统投入使用,必须采用具有经得起严酷环境特性检验且经过车规认证的器件。AVT相关的系列芯片NS252x和NS353x芯片工作温度范围都在-40~+100℃, 有关AEC-Q100车规认证测试工作已经在进行中,预计2017年上半年通过。

  AVT做为先进数字高清视频传输技术,目前在车载市场上已经取得各项细分领域的成功,其主要表现在以下几个方面:

  第一,在环视系统领域,数字化的高清视频信号可以同步平衡4路视频的亮度色度等,使之保持精确的一致性,业已得到多中主流主控平台厂商的认可,例如如富士通,飞思卡尔,全志等;

  第二,在流媒体后视镜领域,AVT可以实现高清视频的数字,采用低频化传输,确保实时开启的后视视频的稳定。同时结合不同数字ISP可以完美的实现HDR功能以及AVT特有的支持各种分辨率显示,确保在流媒体后视镜各种不同屏幕的完美显示,在各大车载主控方案中,AVT都是首选的传输方案,如业界知名的主处理器提供商安霸、全志、瑞芯微、Intersil等。

  AVT传输技术在车载高清流媒体后视镜其系统示意连接如图5所示:

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  图5 基于AVT传输技术的流媒体后视镜连接示意图

  其中流媒体镜显示屏分别为MIPI和LVDS接口,分辨率为: 1024*400/1920*480/1600*480,该系统主芯片SOC有全智T3、Intersil、安霸A10、高通。其高清视频输入接口为BT.656,高清后拉摄像头为IMX290+ CXD5700+AVT TX, 具备120db的DOL-WDR功能。

  综上所述,一项高速数字传输技术的引入,对于方兴未艾的车载高清视频产品的应用注入了活力,在图像质量提升、系统可靠性提高,以及系统成本下降都有突出的表现。自动辅助驾驶ADAS技术将为汽车行业带来根本性的变革,高清数字视觉必然应用于前视、后视、环视、车舱内多个方位,其中前视包括正向碰撞警告、车道偏离警告、自动远光灯控制、交通信号识别、行人检测、自适应巡航控制、盲点检测、夜视等,后视则包括倒车影像、前视、俯视、全景泊车影像、车镜取代等,所有这些系统都需要极高性能和完全可靠的视频传输技术的支持 ,瑞发科将始终不渝地以基于AVT数字高清视频传输技术的芯片推进车载系统创新的深入进行并展现出更多的神奇。

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[责任编辑:knight]

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