Высокоскоростная передача цифровых видеосигналов устройствами GigaSTaR Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Компоненты и технологии, № 4'2005 Компоненты

Высокоскоростная передача цифровых видеосигналов

устройствами GigаSTаR

Внедрение цифровых технологий в области передачи и отображения видеоинформации потребовало разработки каналов связи, способных передавать высокоскоростные потоки видеоданных на сравнительно небольшие расстояния.

Михаил Петров

Mikhail.Petrov@wbc-europe.com

Сергей Заболотский

Sergey.Zabolotskiy@ wbc-europe.com

В':

озьмем, к примеру, салон современного межконтинентального авиалайнера. Для трансляции видеофильмов или другой мультимедийной информации во время длительного перелета в спинки сидений впереди сидящих пассажиров устанавливаются малогабаритные жидкокристаллические экраны. Во время полета на эти экраны отображается информация с единого мультимедийного источника, связанного со всеми устройствами отображения информации. В такой системе можно, конечно, обойтись сравнительно низкоскоростным каналом связи и передавать видеоинформацию в сжатом виде. Но в ряде случаев оказывается значительно проще смонтировать стандартные жидкокристаллические мониторы и передавать на них обыкновенный неком-прессированный цифровой видеосигнал. Такая конструкция потребует, в свою очередь, использования высокоскоростных каналов связи, предназначенных для передачи мультимедийной информации в пределах ограниченной протяженности салона.

Можно привести еще множество примеров подобных систем: устройства отображения современного домашнего кинотеатра, информационный терминал в выставочном зале или здании железнодорожного вокзала, видеокамера промышленного робота, установленного в производственном цехе. Во всех этих случаях требуется передача высокоскоростного цифрового сигнала на расстояния порядка нескольких десятков метров.

Одним из способов решения подобных задач является использование разработанных фирмой Inova Semiconductors приемопередатчиков семейства GigaSTaR.

Приемопередатчики GigaSTaR

Семейство микросхем GigaSTaR (Gigabit/s Serial Transmitter and Receiver) предназначено для передачи высокоскоростных цифровых потоков на расстояния до 50 м. Семейство состоит из всего двух изделий — передатчика INGT165B и приемника INGR165B.

Данные, поступающие через 36-битный параллельный интерфейс, преобразуются передатчиком INGT165B в высокоскоростной последовательный поток. Дифференциальные токовые выходы микросхе-

мы могут быть нагружены непосредственно на кабель с экранированными витыми парами, по которому осуществляется передача данных на расстояния до 50 м.

Приемник INGR165B, подключенный к другому концу кабеля, осуществляет обратное преобразование последовательного цифрового потока в 36-битный параллельный формат.

Все узлы, необходимые для формирования и восстановления цифрового потока, включая высокочастотные цепи, полностью интегрированы в приемник и передатчик GigaSTaR.

Данные с параллельного интерфейса со скоростью передачи до 148,5 Мбайт/с преобразуются в последовательный поток с максимальной полезной скоростью до 1,188 Гбит/с. Дополнительные 4 бита, предназначенные для синхронизации канала связи, балансировки канала по постоянному току и контроля четности, увеличивают общую скорость передачи данных на выходе передатчика до 1,32 Гбит/с. Таким образом, эффективность использования канала связи составляет около 90%. Специальный алгоритм кодирования данных на передающей стороне обеспечивает полную балансировку канала связи по постоянному току. Благодаря этому становится возможной полная емкостная развязка кабеля на передающей и приемной сторонах.

Необходимый для работы канала связи тактовый сигнал частотой 1320 МГц формируется входящими в состав микросхем цепями ФАПЧ. В качестве опорного источника в передатчике и приемнике используется внешний тактовый генератор с частотой 66 МГц.

Обе микросхемы оснащены 36-разрядным синхронным параллельным интерфейсом со стандартными логическими уровнями (3,3 В КМОП) и максимальной рабочей частотой до 33 МГц. Это значительно облегчает интеграцию устройств в составе практически любого оборудования.

Вход и выход сигнала четности обеспечивают передачу контрольной информации синхронно с основными данными параллельного интерфейса. При использовании внешнего сигнала четности передатчик проверяет правильность поступивших данных до начала процесса преобразования. Если внешний сигнал четности не используется, передатчик формирует бит четности передаваемых данных

Компоненты и технологии, № 4'2005

Цифровые

данные

(S)XGA RGB

АЦП

Преобразователь интерфейсов и мультиплексор

Преобразователь интерфейсов и демультиплексор

Аудио

АЦП

—►

16

плис / INGT165

передатчик

D00000000000C

до 50 м экранированная витая пара

INGR165

приемник

36

■м

плис

жки

1024x768 18 бит

Цифровые

данные

Рис. 1. Построение системы передачи мультимедийной информации на микросхемах GigаSTаR

ЦАП

самостоятельно. Как на передающей, так и на приемной стороне происходит генерация выходного флага ошибки четности.

Передатчик и приемник семейства GigаSTаR оснащены высокоскоростным последовательным интерфейсом, который может быть непосредственно подключен к соединительному кабелю с дифференциальным волновым сопротивлением 100 Ом или к стандартным волоконно-оптическим модулям. При использовании соединительного кабеля с экранированными витыми парами 5-й или 7-й категории максимальная дальность передачи данных составляет обычно от 30 до 50 метров. Наибольшая дальность была достигнута при использовании высококачественного 2-пар-ного медного соединительного кабеля и составила 100 метров. При передаче на расстояния от 15 до 50 метров возможно также использование гибкого плоского кабеля.

Согласование линии связи на приемной стороне осуществляется при помощи внешней R-L цепи. Для развязки линии по постоянному току используются высокочастотные керамические конденсаторы емкостью 100 нФ.

Последовательные входы и выходы микросхем допускают непосредственное подключение к ним стандартных приемо-передающих оптических модулей, с помощью которых становится возможной передача данных на расстояния до 500 м при использовании многомодового оптического волокна.

Необходимо отметить одну особенность передачи данных при помощи микросхем семейства GigaSTaR. Невозможно увеличить дальность передачи за счет снижения быстродействия. Работа последовательного канала связи всегда осуществляется на одной и той же рабочей частоте, независимо от скорости поступления данных на параллельный интерфейс. Это вызвано необходимостью постоянного поддержания синхронизации в цепях восстановления тактового сигнала на приемной стороне. В случае понижения скорости передачи данных на параллельном интерфейсе в передаваемый последовательный поток автоматически вставляются специализированные «холостые» блоки.

Все цепи кодирования данных, управления каналом связи, восстановления тактового сигнала и передаваемых данных на приемной стороне осуществляются автоматически в приемопередатчиках семейства GigaSTaR и не требуют никаких дополнительных цепей. Для адаптации различных форматов переда--------------------www.finestreet.ru -

ваемых данных к 36-разрядному параллельному интерфейсу микросхем GigaSTaR достаточно использовать небольшую программируемую логическую микросхему (например, Lattice M4A3). На рис. 1 показан типовой пример построения цепей передачи мультимедийной информации при помощи приемопередатчиков семейства GigaSTaR. Быстродействия канала связи в 1,188 Гбит/с достаточно для непосредственной передачи отображаемых данных с разрешением XGA (1024x768), частотой кадров 60 Гц и 18-битной глубиной цвета. При этом порядка 300 Мбит/с пропускной способности канала остается для передачи звукового сопровождения и других цифровых данных.

Функциональные блоки для сетей передачи мультимедийной информации

Поскольку приемопередатчики семейства GigaSTaR обеспечивают работу только в режиме точка-точка, то для гибкого построения сетей передачи и распределения мультимедий-

ной информации необходимо использование дополнительных функциональных блоков: повторителей и разветвителей линии связи (в ряде случаев с ответвлением параллельного цифрового потока). Примеры построения подобных функциональных блоков приведены на рис. 2.

Передача цифрового сигнала обычно сопровождается его искажением в линии связи и вследствие этого появлением некоторого джиттера. В типовых системах передачи данных с синхронным режимом восстановления тактового сигнала обычно происходит постепенное накопление джиттера. Поэтому обычно после прохождения 2 или 3 повторителей степень накопления джиттера доходит до недопустимого уровня и приводит к невозможности восстановления первоначальной цифровой информации (рис. 3).

При построении канала связи с использованием микросхем семейства GigaSTaR в каждом сегменте канала синхронизация данных осуществляется с использованием независимого тактового генератора (рис. 3). При вероятности возникновения ошибки в каждом

Повторитель

Разветвитель

Т-повторитель с интерфейсом дисплея

п осл едовател ьн ы и

ВХОД

И

параллельный

выход

ПЛИС

Rx

тли

Тх

последовательный

выход

Рис. 2. Функциональные блоки сетей передачи мультимедийной информации

Компоненты и технологии, № 4'2005

повторитель

Система ЄідаЄТаК с локальными сегментами

тактовый

сигнал

ФАПЧ

►loadCk регистр сдвига d q

передатчик

_ формирователь

►loadCk регистр сдвига d q

► ФАПЧ

►loadCk регистр сдвига d q

повторіітель

Накопление джиттера тактового сигнала

> формирователь

►loadCk регистр сдвига d q

тактовый

сигнал

Синхронная система с каскадированием ФАПЧ

Рис. 3. Способ уменьшения джиттера тактового сигнала в системе последовательной передачи данных

ТекВЯЯ 1 .OOGS/s

3 Acqs

Тактовый сигнал на входе

Cl Freq 31.5656MHz Low signal amplitude

Рис. 4. Осциллограммы сигналов на входе и выходи линии связи с 8 промежуточными повторителями

Данные

Экран

Сегмент С1

—►Сх

jT-nOBTOpMT.L

Сегмент В1

Сегмент В2

Т-повторит.|__|Т-повторит.

Данные

->Вх

Данные

Сегмент А1

Сегмент А2

Сегмент АЗ

Сегмент А4

-► Ах

Т-повторит.| |Т~повторит.| |Т-повторит.| |Т-повторит.| .............................

Рис. 5. Структурная схема системы передачи данных в большом информационном экране

О

сегменте сети порядка 10-13 это позволяет практически неограниченно увеличивать число повторителей при построении сложных сетей передачи данных. На рис. 4 представлена осциллограмма сигналов на входе и выходе линии связи с восьмью промежуточными повторителями и суммарной протяженностью около 150 метров. На осциллограмме видно высокое качество восстановленного тактового сигнала и данных в конце линии связи.

Примеры применения микросхем семейства GigaSTaR

Приведем примеры построения различных систем передачи мультимедийной информации с использованием приемопередатчиков семейства GigаSTаR.

На рис. 5 представлена структура системы передачи данных, использованная при построении большого уличного информационного экрана. Такой экран обычно состоит из нескольких сотен отдельных сегментов, каждый из которых отображает небольшую часть общего изображения. Для построения канала переда-

чи данных между отдельными сегментами экрана использована уникальная возможность системы GigaSTaR практически неограниченно каскадировать сегменты передачи данных.

На рис. 6 показана структурная схема сети передачи мультимедийных данных в салоне пассажирского самолета или междугороднего автобуса. Для облегчения прокладки кабеля

Рис. 6. Структурная схема системы передачи данных в салоне пассажирского авиалайнера

Компоненты и технологии, № 4'2005

в этой системе используется Y-образный разветвитель с раздельными каналами передачи данных по левой и правой сторонам салона. Для отвода цифровых данных к расположенным в спинках сидений малогабаритным экранам используются T-образные повторители с отводом параллельных цифровых данных.

Модульный принцип построения сети с полным восстановлением данных и тактового сигнала во всех промежуточных звеньях позволяет произвольным образом комбинировать проводные и волоконно-оптические сегменты на отдельных участках (рис. 7).

GigaSTaR DDL

В ряде случаев однонаправленной передачи данных оказывается недостаточно. Примером одной из таких систем может служить установленный в выставочном зале или здании аэропорта информационный терминал. Смонтированный в нем жидкокристаллический монитор отображает видеоинформацию, поступающую из расположенного в одном из соседних помещений компьютерного центра. В обратном направлении требуется передача существенно меньшего потока информации с клавиатуры или кнопочной панели терминала. Вторым примером применения подобных устройств может служить система дублирования дисплея и клавиатуры компьютера, предназначенного для управления современным локомотивом.

Характерной общей чертой подобных устройств является необходимость передачи видеоинформации стандартного формата и, возможно, аудио-сигнала в одном из направлений и значительно меньшего объема данных с клавиатуры или иного устройства ввода информации — в обратном направлении.

Для передачи данных в таких системах может использоваться комплект интегральных схем семейства GigaSTaR Digital Display Link (DDL). В состав этого семейства входит в настоящий момент 8 микросхем — 4 передатчика (INDT165, INDT330, INDT166, INDT331) и 4 соответствующих приемника (INDR165, INDR330, INDR166, INDR331). Их различия заключаются в максимальной пропускной способности канала связи и в поддержке различных видео-форматов. Перечень стандартных видео-форматов, поддерживаемых различными микросхемами семейства, приведен в таблице.

Микросхемы семейства Digital Display Link обеспечивают одновременную передачу видео- и аудиоинформации по одной линии связи. Дополнительный канал цифровой передачи данных с пропускной способностью

Таблица. Поддержка стандартных видеоформатов в микросхемах семейства GigaSTaR Digital Display Link

Формат VESA 18 бит/60 Гц Формат VESA 24 бита/60 Гц

INDT/R165B VGA...XGA VGA...XGA

INDT/R166B VGA...WXGA VGA...XGA

INDT/R330B VGA...UXGA VGA...SXGA

INDT/R331B VGA...UXGA VGA...SXGA

HDTV (24 бита)

INDT/R166B 480p (60 кадров/с), 720p (30 кадров/с)

INDT/R331B 480p (60 кадров/с), 720p (30 кадров/с), 1080i (30 кадров/с)

до 264 Мбит/с обеспечивает подключение различных периферийных устройств типа клавиатуры, мышки или жесткого диска.

Вся передаваемая информация мультиплексируется в единый последовательный цифровой поток, который передается в направлении приемника по одной (INDT/R165B и INDT/R166B) или двум (INDT/R330B и INDT/R331B) витым парам. Использование второй витой пары позволяет удвоить пропускную способность канала связи при передаче сигналов цифровых видео-форматов высокого разрешения. Для организации обратного канала в линии связи используется еще одна витая пара (рис. 8).

Параллельный видеоинтерфейс микросхем семейства Digital Display Link обеспечивает непосредственное подключение к параллельному порту широкого класса графических устройств (графических контроллеров, ПЗС-ка-мер или жидкокристаллических TFT-панелей). При помощи стандартных преобразователей интерфейсов микросхемы могут быть подключены и к другим источникам и приемникам видеоинформации. Графический интерфейс может быть сконфигурирован для работы в различных режимах: 18- или 24-битном с передачей одного элемента изображения на такт, в 24- или 48-битном режиме с передачей 2 эле-

ментов на такт или 12-битном режиме с передачей 1/2 элемента на такт. Канал связи автоматически адаптируется под работу интерфейса с тактовыми частотами от 24 до 161 МГц.

Для ознакомления с принципами работы микросхем семейства GigaSTaR Digital Display Link компаниями WBC GmbH и BvR Electronic были разработаны специальные демонстрационные наборы ANACONDA. В состав каждого такого набора входят все необходимые устройства, позволяющие подключить удаленный дисплей или проекционный экран к видеовыходу персонального компьютера. Плата передатчика оснащена входом DVI-D и может быть подключена к любому графическому контроллеру с соответствующим интерфейсом. Плата приемника выпускается в двух вариантах и может быть оснащена выходным интерфейсом либо DVI, либо LVDS.

Обеспечиваемый приемопередатчиками GigaSTaR DDL дополнительный цифровой канал двусторонней передачи данных служит для автоматического опознавания персональным компьютером подключенного удаленного дисплея, а также для передачи данных от удаленной клавиатуры и мышки.

Оснащение как передатчика, так и приемника встроенным микропроцессором и программируемой логической микросхемой обеспечивают возможность адаптации устройства под использование нестандартных режимов работы.

Возможна также поставка демонстрационных плат в виде функционально законченных готовых модулей, которые могут непосредственно использоваться в составе оборудования заказчика.

Литература

1. http://www.inova-semiconductors.de

2. http://www.wbc-europe.com

Видео

Аудио

хшххж;

зооооооос

Видео

=£> Аудио

<^> Дан

обратный

канал

Рис. 8. Двунаправленная передача данных микросхемами семейства GigaSTaR DDL