Wie sich die serielle Bildüber­tragung im Auto verbessern lässt

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MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

IBR Leiterplatten GmbH & Co. KG

Moderne Fahrerassistenzsysteme brauchen Kameras und Bildsensoren , deren Signale seriell übertragen werden. Für eine minimale Bitfehlerrate ist auf den Jitter des eingangsseitigen Pixeltakts zu achten.

Moderne Automobilsysteme stecken voller Bildsensoren und Kameras, um die Fahrsicherheit zu verbessern und die Infotainment-Ausstattung aufzuwerten. In vielen dieser Anwendungen werden große Mengen an Videodaten von der Peripherie des Fahrzeugs zur Weiterverarbeitung an das zentrale elektronische Steuergerät (Electronic Control Unit, ECU) übertragen. In Bild 1 sind einige Beispiele für Fahrassistenzsysteme (Advanced Driver Assistance Systems, ADAS) dargestellt.^[1]

Ein FPD-Link-III-SerDes-Chipsatz von Texas Instruments (z.B. DS90UB933 und DS90UB964) nutzt einen Serializer zum Transport der Videodaten von einem Bildsensor an der Fahrzeugperipherie. Die Bilddaten werden dann über ein Koaxialkabel zu einem in der Nähe der ECU befindlichen Deserializer übertragen, in dem die Bildverarbeitung und Entscheidungsfindung erfolgt. Um eine robuste Kommunikationsverbindung vom Serializer über das Kabel zum Deserializer einzurichten, ist es wichtig zu verstehen, welche Auswirkungen die verschiedenen Jitterkomponenten im System haben.

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Serializer mit PLL-Stufe zum Einrasten auf die Phasenlage

In Bild 2 ist das Blockschaltbild eines typischen Serializers zu sehen. In einem Serializer dient eine PLL-Stufe zum Einrasten auf die Phasenlage des als Referenz dienenden Pixeltakt-Eingangs, um daraus den hochfrequenten Takt zum Ausgeben der seriellen High-Speed-Daten zu erzeugen. Abhängig von der Herkunft des Takteingangs (ob dieser Takt also von einem Bildsensor oder einem Grafikprozessor kommt), wird der am Eingang des Serializers ankommende Pixeltakt mit einem gewissen Jitter behaftet sein. Dieser passiert die Jitter-Übertragungsfunktion der PLL-Stufe, sodass ein Teil des Jitters bis zu den seriell ausgegebenen High-Speed-Daten durchschlägt.

Die Jitter-Übertragungsfunktion der PLL-Stufe eines typischen Serializers besitzt eine Tiefpass-Charakteristik. Dies bedeutet, dass niederfrequente Jitter-Komponenten mit minimaler Abschwächung durchgelassen werden, während hochfrequente Anteile am Jitter der eingangsseitigen Referenztaktquelle eine Dämpfung erfahren. Bild 3 gibt den Amplitudengang einer Jitter-Übertragungsfunktion zweiter Ordnung wieder. Das Durchlassband der PLL-Stufe reicht von niedrigen Frequenzen bis zur –3-dB-Bandbreite. Als Sperrband bezeichnet man den Frequenzbereich, in dem die Dämpfung –40 dB oder mehr beträgt. Die Zone zwischen Durchlassband und Sperrband wird dagegen als Übergangsbereich bezeichnet.^[2]

In Fällen, in denen sowohl die Kanal-Fehlanpassung als auch der ISI-Jitter (Intersymbol-Interferenz) minimiert sind, setzt sich der Ausgangs-Jitter des Senders aus dem aus dem eingangsseitigen Pixeltakt durchgeschlagenen Jitter und dem intrinsischen Jitter des Serializers zusammen. Bei ersterem handelt es sich näherungsweise um den Jitter des Eingangstakts, abgeschwächt durch die Tiefpass-Übertragungsfunktion der PLL-Stufe des Serializers.

Wie in Bild 3 zu erkennen ist, weist der verbliebene Jitter vornehmlich niederfrequente Anteile im Durchlassband auf. Im Übergangsbereich (mit Jitterfrequenzen zwischen ω₀ und 10 ω₀) gelangt bereits weniger Jitter an den Ausgang. Im Sperrband schließlich werden die hochfrequenten Jitteranteile durch die Tiefpass-Charakteristik der PLL-Stufe vollständig entfernt. Neben dem verbliebenen Jitter erzeugt jedoch auch der Serializer selbst einen gewissen (intrinsischen) Jitter. Dieser setzt sich aus einem zufälligen Jitter und einem geringen Anteil an periodischem oder datenabhängigem Jitter zusammen, dessen Ursache die endliche Bandbreite des Ausgangstreibers ist.

Hardware-Ingenieure können die Jitter-Amplitude und die Jitter-Frequenz des Pixeltakts so in den Griff bekommen, dass der anschließende Deserializer in der Lage ist, sich auf das Ausgangssignal des Serializers aufzusynchronisieren.

Serielle Verbindung mit Kabel, Seria­lizer und Deserializer

Bild 4 zeigt den Signalpfad einer seriellen Verbindung, bestehend aus Serializer, Kabel und Deserializer. Die vom Serializer ausgegebenen Daten durchlaufen einen Übertragungskanal, der über eine PCB-Leiterbahn, einen Steckverbinder, das Kabel, einen weiteren Steckverbinder und eine erneute PCB-Leiterbahn zum Eingang des Deserializers führt.

Der Übertragungskanal verhält sich wie eine in der Bandbreite begrenzte, verlustbehaftete Wellenleitung und verursacht somit einen ISI-Jitter. Das am Ende des Übertragungskanals anstehende Signal besteht aus dem intrinsischen Jitter des Serializers, dem verbliebenen Jitter des Pixeltakts und dem ISI-Jitter, der durch die begrenzte Bandbreite des Treibers und des Übertragungskanals verursacht wird.

Beim Eintritt in den Deserializer trifft das Signal zunächst auf einen adaptiven Entzerrer (Equalizer), der die vom Übertragungskanal hervorgerufenen Verzerrungen beseitigt und die ISI verringert. In der Praxis ist die Entzerrung allerdings niemals perfekt, sodass stets ein gewisser Umfang an ISI zurückbleibt. Bei einer bidirektionalen Verbindung, wie sie im FPD-Link III SerDes zum Einsatz kommt, bleibt außerdem immer ein gewisser Rest-Jitter aus dem Echokompensierer des Deserializers zurück. Das Signal, das dem Eingang der internen Takt- und Datenrückgewinnungsschaltung (Clock-Data Recovery, CDR) des Deserializers zugeführt wird, ist deshalb mit dem intrinsischen Jitter des Serializers, dem verbliebenen Jitter des Pixeltakts und dem Rest-Jitter des Entzerrers und des Echokompensierers behaftet. Hardware-Ingenieure müssen diese Jitterkomponenten in den Griff bekommen, um sicherzustellen, dass die CDR-Schaltung mit dem verbleibenden Jitter zurechtkommt.

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