Automotive Displays Das neue SerDes-Flaggschiff in der APIX-Flotte erreicht 12 GBit/s

Mit APIX3 lassen sich Infotainment-Architekturen mit 8K Auflösung und 10 Bit RGB-Farbtiefe realisieren. Die Transmitterbausteine ermöglichen auch Videoübertragung über die VESA-DisplayPort-Schnittstelle.

Der Industriestandard VESA DisplayPort unterscheidet sich von anderen Videoschnittstellen vor allem durch seine hohe Datenrate, die Unterstützung aller gängigen Videoformate bis einschließlich 8K Auflösung und die Möglichkeit, gleichzeitig mehrere unabhängige Videos zu übertragen. Die DisplayPort-Schnittstelle ist bei leistungsfähigen SoCs, wie sie heute auch im Fahrzeug eingesetzt werden praktisch ein De-Facto-Standard. Sie ist allerdings für Consumer-Anwendungen und nicht für die Anforderungen der Autoindustrie entwickelt worden, wodurch ihr Einsatz im Fahrzeug zu großen Herausforderungen führt.

Für die Signalübertragung werden vier unabhängige, differenzielle Lanes (4x2 Adern), ein differenzieller AUX-Kanal (1x2 Adern) sowie ein Hot-Plug-Detection-Signal benötigt. Zusammen ergeben sich so mindestens elf Kabeladern, dazu kommen in der Regel noch Konfigurationssignale und Masseverbindungen, die buchstäblich „ins Gewicht fallen“. Ähnlich verhält es sich übrigens auch bei anderen Videoschnittstellen aus dem Consumer-Bereich wie etwa HDMI.

Um das Gewicht und den damit verbundenen CO2-Ausstoß, aber auch die Kosten von mehradrigen Kabeln zu reduzieren, werden deshalb in der Automobilindustrie sogenannte SerDes-Lösungen (Serializer/Deserialzer) verwendet, die alle Signale bündeln und über ein einziges Leitungspaar (2 Adern) übertragen. Eine weit verbreitete SerDes-Lösung ist der Automotive Pixel Link (APIX) von Inova Semiconductors. Seit 2008 im Markt gibt es hier ein breites Portfolio an Produkten, das SoC und Display verbindet und gleichzeitig die hohen Anforderungen der Automobilindustrie wie etwa Übertragungssicherheit und EMV erfüllt.

APIX3 ist die dritte Baustein-Generation und bietet eine Übertragungsrate von bis zu 6 Gbit/s je Lane (Koax- oder STP-Kabel) bzw. 12 Gbit/s über ein Q(uad)STP-Kabel. Die Transmitter INAP566/596TAQ sind die neuesten Produkte in der APIX3 Familie (Bild 1). Sie verfügen über eine DisplayPort 1.4a-Schnittstelle und ermöglichen Video-Übertragungsraten von 2,7 Gbit/s (HBR) oder 5,4 Gbit/s (HBR2). Sie unterstützen ebenfalls Display Stream Compression (DSC), einen VESA-Industriestandard zur verlustfreien Komprimierung von Videos, so können auch hochauflösende Inhalte in 4K mit 120 fps oder in 8K mit 30 fps übertragen werden. Der INAP596TAQ unterstützt zudem den HDCP2.3 Verschlüsselungs-Standard.

Ergänzendes zum Thema

Die Geschichte von APIX

Anzahl der Displays ist Käufern oft wichtiger als die Anzahl der Zylinder

Als APIX im November 2008 mit großem Vertrauensvorschuss von BMW Einzug ins Fahrzeug hielt – beim Head-Up-Display des neuen 7er – war die Displaylandschaft noch recht überschaubar. Neben dem innovativen Head-up-Display, Instrumentenkombi und Zentraldisplay gab es als Sonderausstattung noch das Rear-Seat-Entertainment, das war’s dann auch schon. Und die 1 Gbit/s Datenrate von APIX schien fürs Auto üppig bemessen und für lange Zeit ausreichend. Für die Ansteuerung des Head-up-Displays wurden gerade mal 250 Mbit/s gebraucht.

Vier Jahre später – APIX2 mit 3 Gbit/s hatte gerade SOP – sprachen die vier großen deutschen OEMs über die Anforderungen künftiger High-Speed-Netzwerke und legten in einem Positionspapier vom Mai 2012 fest, dass für SOPs ab 2018 eine Datenrate von bis zu 5 Gbit/s für Display-Links ausreichend sei. Aber nur ein Jahr später, wir waren gerade mitten in der Konzeption von APIX3, gab es bereits erste Gerüchte, dass zwei Premium OEMs künftig Full-HD-Displays im Auto einsetzen wollen. Worauf wir unser ursprüngliches Konzept – eher eine Evolution von APIX2 – wieder verworfen haben und bei APIX3 noch einmal komplett von vorne begannen: mit einem Bruch des bisherigen Übertragungskonzepts, neuem Technologieknoten, neuem Gehäuse und neuem ATE-Testkonzept.

Dass sich Infotainment im Fahrzeug dann allerdings so rasant entwickelt und für die Käufer heute die Größe und Anzahl der Displays oft wichtiger sind als die Anzahl der Zylinder, konnte niemand ahnen; Bei den neuen Architekturen ab 2025/26, wo wir mit dem im neben­stehende Beitrag beschriebenen APIX3 gerade unsere Design-ins machen, sprechen wir von bis zu sechs Displays an einem Steuergerät alleine für das Armaturenbrett. Und längst nicht mehr „nur“ in Full-HD, sondern mit 4k Auflösung, es ist auch schon von 8k-Displays die Rede – wohlgemerkt für den Einsatz im Auto.

APIX wird heute von 10 OEMs in 60 Modellen eingesetzt, mit APIX3 jetzt immer mehr auch von chinesischen Herstellern. Dank unseres im Beitrag beschriebenen Ökosystem-Konzepts, hat sich APIX in den letzten 13 Jahren mit jetzt über 150 Millionen installierter Knoten als ein De-Facto-Standard im Markt etabliert. Und die Entwicklung geht weiter: nach APIX, APIX2 und APIX3 denken wir heute schon konkret über APIX4 nach – mit dann nativen 24 Gbit/s Übertragungsrate.

Das Kommunikationsprotokoll ist integriert

Neben dem DisplayPort stehen dem Anwender auch noch I²S, MII/RMII und SPI als weitere Schnittstellen für die Kommunikation und Konfiguration zur Verfügung. Die Datenkommunikation zwischen den APIX-Bausteinen erfolgt dabei über die integrierte AShell. Hierbei handelt es sich um ein Kommunikationsprotokoll, das sich dank der eingebauten „Null-Fehler“-Mechanismen seit der ersten APIX-Generation bewährt hat. Die AShell stellt sicher, dass alle Kommunikationsdaten fehlerfrei und integriert mit anderen Nutzdaten mit geringster Latenzzeit übertragen werden.

Die serielle Übertragung der Pixeldaten findet auf zwei vollständig unabhängigen Kanälen statt – mit kanal-eigener CDR, Fastforward Equalization und dynamischer Samplepunkt Regelung – die in Richtung Display eine Bandbreite von jeweils bis zu 6 Gbit/s bereitstellen. Zusätzlich bietet jeder Kanal eine Bandbreite von bis zu 187,5 Mbit/s in Rückwärtsrichtung, um eine bidirektionale, praktisch latenzfreie Kommunikation für Status-, Konfigurations- und Ethernet-Daten zu ermöglichen.

Dank Echo Cancellation erfolgt die bidirektionale Übertragung im Vollduplexverfahren. Dieses Verfahren bietet gegenüber anderen Lösungen, die die Kommunikationsrichtung umschalten, den großen Vorteil, dass keine Pufferung der seriellen Daten notwendig ist. Somit kann in beide Richtungen eine gleichzeitige Echtzeitübertragung stattfinden.

Automatische Selbst- und System-Kalibration

Als eine sehr wichtige Funktion verfügt APIX3 erstmals über eine vollautomatische Selbst- und System-Kalibration, die alle internen Taktsysteme abdeckt, sowie die Samplepunkte dynamisch optimiert. Zudem werden nach jedem Reset die Leitungstreiberstufen und Filter justiert, so dass der Frequenzgang diverser Kabeltypen und -Längen kompensiert wird und diese per „plug and play“ verwendet werden können. Darüber hinaus stehen umfangreiche Diagnose- und Kompensationsmöglichkeiten zur Verfügung, um Fertigungstoleranzen, Kabelalterung und Temperatureffekte auszugleichen.

Seit der ersten APIX-Generation im Jahr 2008 setzt Inova Semiconductors konsequent auf den „Non-Return-to-Zero (NRZ)“-Leitungscode und „Current Mode Logic (CML)“ mit differenzieller Übertragung. Dieses in der HF-Technik bewährte Verfahren zeichnet sich durch niedrige Abstrahlungen bei gleichzeitig hoher Robustheit gegenüber Einstrahlung aus.

Die Übertragung erfolgt im APIX-System mit einem konstanten seriellen Bit-Takt, der unabhängig vom Pixel-Takt der zu übertragenden Videos ist. Hinsichtlich Abstrahlung und Störfestigkeit kann daher das gesamte System auf diese Frequenz optimiert werden. Selbst bei der Übertragung verschiedener Videoformate bleibt das EMV-Verhalten damit nahezu unverändert.

12 Gbit/s Bandbreite im Downstream

Das APIX3-Übertragungssystem bietet verschiedene Betriebsmodi und Anschlussmöglichkeiten zwischen Sender und Empfänger. In einem „Single Lane Mode“ wird der Sender über ein Shielded-Twisted-Pair- (STP) oder Koaxial-Kabel mit dem Empfänger-Baustein verbunden.

Im „Dual Lane Mode“ werden beide Lanes angeschlossen. Für diesen Anwendungsfall können neben den genannten Kabeltypen auch Quad-Shielded-Twisted-Pair-Kabel (QSTP) verwendet werden. Dieser Modus stellt bis zu 12 Gbit/s Bandbreite für die Downstream-Übertragung bereit.

Ein Schlüsselmerkmal der DisplayPort-Schnittstelle ist wie bereits erwähnt die Möglichkeit, mehrere Videoströme unabhängig voneinander übertragen zu können.

Vor dem Hintergrund der Entwicklung neuer Empfängerbausteine, etwa der gerade angekündigten „Indigo 4“-Familie von Socionext, ergeben sich hier völlig neue Möglichkeiten für künftige Infotainment Architekturen. Die Smart-Display-Controller SC172x von Socionext werden erstmals eine Repeater-Funktion bereitstellen, wodurch mehrere Controller kaskadiert und Displays „in Reihe geschaltet“ werden können (Bild 2). Von der Head Unit führt hier nur noch ein einziges Kabel zum Displayverbund – statt wie bisher 4 bis 6 Kabel bei üblichen Sternarchitekturen. Erste Muster der SC172x-Bausteine werden voraussichtlich bereits im zweiten Quartal 2022 verfügbar sein.

Die neuen APIX3-Bausteine INAP566/596TAQ von Inova sind zudem – wie alle anderen APIX3-Transmitter auch – voll abwärtskompatibel zu den bestehenden Empfänger-Bausteinen der APIX2-Generation. Dadurch lassen sich alle Videoschnittstellen aus dem APIX-Portfolio miteinander kombinieren. Neben DisplayPort existieren auf Senderseite Bausteine mit HDMI- und/oder DSI- (INAP56xTAQ) sowie LVDS- oder RGB-Schnittstellen (INAP375T/TAQ). Auf Display-Seite stehen LVDS oder RGB (INAP37xR/RAQ) sowie DSI oder CSI (INAP56xRAQ) zur Verfügung.

Für die meisten Schnittstellen existieren zudem Baustein-Varianten, die HDCP-Verschlüsselung unterstützen (INAPx9x). Neben den Produkten von Inova Semiconductors können Entwickler auf der Empfängerseite auch auf die „Indigo“-Controller von Socionext zurückgreifen – seit deren Start im Jahr 2008 mittlerweile in der 4. Generation. Dieses Ökosystem ist in seiner Vielfalt, Kombinierbarkeit und Rückwärtskompatibilität in dieser Form einmalig.

Gerade die Abwärtskompatibilität bietet für den OEM eine hohe Flexibilität bei der Plattform-Entwicklung. Dadurch wird es möglich, auf der Head Unit eine neue SoC-Generation mit höherer Performance und DisplayPort-Schnittstelle einzusetzen, während auf der Empfängerseite weiterhin eine bestehende Display-Plattform verwendet werden kann. Eine Umstellung bzw. ein Upgrade kann dann jederzeit zu einem späteren Zeitpunkt erfolgen.

APIX-Ökosystem und Compliance-Test

In den 13 Jahren, in denen APIX jetzt im Markt ist, wurden bisher über 150 Millionen APIX-Knoten auf die Straße gebracht. Dabei hat Inova Semiconductors nicht nur unzählige Designs begleitet, in dieser Zeit ist auch ein umfangreiches Ökosystem entstanden. Dieses beinhaltet neben der großen Anzahl an APIX-Komponenten von mehreren Herstellern auch Compliance-Tests für die Baugruppe, Empfehlungen zu Kabel- und Steckersystemen, eine präzise Spezifikation der Anforderungen an den Übertragungskanal und dazu umfangreiche Messtechnik von führenden Herstellern zum Teil schon mit „APIX-Taste“: Hier ist die APIX-Spezifikation bereits fest in das Scope einprogrammiert.

Zudem bietet Inova Semiconductors als Service die Simulation von Kunden-Designs hinsichtlich Signalintegrität an, um mögliche Schwächen des Designs bereits in der Vorserienentwicklung zu identifizieren und zu beheben (Bild 3).

Für sämtliche APIX-Bausteine gibt es auch modulare Entwicklerboards, mit denen sich Funktionen und Schnittstellen der Bausteine umfangreich evaluieren lassen (Bild 4). Die Konfiguration der Komponenten erfolgt hier über eine komfortable Konfigurations-Software mit benutzerfreundlicher GUI Bedienoberfläche.

Mit Hilfe eines speziellen PHY-Monitor-Tools (Bild 5) lässt sich ein Augendiagramm auf der Empfängerseite im realen Gesamtsystem darstellen, um Jitter und Rauschen auf dem Signal präzise bewerten zu können. Hiermit wird die Gewährleistung der Signalintegrität erheblich erleichtert.

Auch bei der Entwicklung des DisplayPort-Empfängers wurden Erfahrungen aus der APIX-PHY-Entwicklung umgesetzt und vergleichbare Diagnose-Funktionen eingebaut. Zur nutzerfreundlichen Unterstützung wurde daher auch für den DisplayPort ein Software-Tool entwickelt, mit dessen Hilfe im laufenden Betrieb Augendiagramme aller vier Lanes erstellt werden können. Dadurch kann der Entwickler seine Baugruppe analysieren und die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Übertragungsfehlern beim Empfang der DisplayPort-Daten minimieren.

Mit dem neuen Flaggschiff APIX3 setzt Inova Semiconductors eine Erfolgsgeschichte fort, die mit der Markteinführung im Jahr 2008 begann und APIX zu einem De-Facto-Standard werden ließ. Schlüssel dafür ist neben der konsequenten Weiterentwicklung der Produkte das komplette Ökosystem, das rund um APIX entstanden ist. Dies wird bei der enormen Komplexität heutiger Infotainment-Systeme für den Entwickler immer wichtiger. Weitere Infos finden Sie unter www.inova-semiconductors.de

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