汽车应用需要快速模拟视频切换

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尽管家庭娱乐已转向数字视频，但模拟视频在汽车行业等应用中仍有不小的市场。模拟视频是一种成熟、可靠的技术，经过拓展后可以满足汽车应用的要求。继续使用模拟视频的原因包括：很容易获得低成本电路设计、可以使用低廉的铜线缆，以及在嘈杂的环境中模拟视频性能的下降比较平缓。现在的轿车、越野车和卡车具备许多改进的特性，如环视摄像头、消费娱乐单元和导航系统等，所有这些都会产生模拟视频内容。一台包含这些特性的典型车辆如图1所示。

图1 典型车载视频系统
由于对“车载视频”的需求不断增长，汽车信息娱乐应用中的模拟视频快速切换已成为一项关键标准。消费者希望能在眨眼之间（200ms或更短）就无缝切换到不同的模拟视频源。当出于安全原因必须瞬间切换到后视摄像头等视频源时，快速切换特性尤其重要。在保持高视频质量的同时,进行快速切换的要求提升了车载显示单元所用视频解码器的性能标准。相比之下，多数视频解码器产品是针对电视市场而设计，其关键性能标准是高视频质量和对非标准、不良时基视频信号（如弱RF和VCR源）的鲁棒性。这些视频解码器必须维持恒定的输出时序，即使输入时基已被破坏。这类应用的锁定和同步要求正好与视频源之间快速切换的要求相反。本文探讨视频设计人员实现快速切换系统所面临的挑战，并提出切实可行的解决方案。
快速切换的挑战
针对非标准和不良时基源颇具挑战性的要求，业界在视频解码器的开发方面进行了大量研究和设计工作。本文讨论的快速切换应用提出了新的挑战。然而，当我们设想一种能够同时适用于电视与汽车应用的解决方案时，我们发现这几乎是一项不可能完成的任务。这两种信号类型互相排斥，能够更好地处理一种信号类型的设计技术往往会削弱对另一种信号类型的处理，反之亦然。ADI公司视频解码器设计人员经过长时间的努力，终于在保持兼容性和图像质量的同时实现了快速切换性能。
当输入视频流出现中断时，电视视频解码器像飞轮一样依靠“惯性”度过中断期，然后在需要时重新产生标称同步信号。大部分解码器算法会忽略输入时序的中断，如图2所示。为了实现能够容忍视频流中断而不影响图像质量的视频解码器设计，需要克服为数众多的设计挑战。

图2 典型TV视频解码器应用
在汽车应用中，为了实现模拟视频的快速切换，必须确保视频源维持恒定且正确的时基。同步锁定视频源代价高昂，会增加线缆成本、电路板面积和控制处理要求，而所有这些都是汽车应用设计的关键考虑因素。高性能视频解码器原则上必须尽可能降低系统总成本。图3为需要快速切换的典型汽车应用的示意图。

图3 汽车视频解码器应用
选择正确的视频解码器
针对快速切换应用选择视频解码器时，常常难以从数据手册的技术规格部分确定解码器的快速切换性能。自动检测切换速度、色彩锁定时间和垂直锁定时间等都是解码器快速切换性能的指标，但并不能反映全部情况。系统设计人员应确保所选的解码器能够针对快速切换应用做进一步优化。需要关注的一些关键产品特性包括：能够禁用Hsync（水平同步）和Vsync（垂直同步）处理模块；能够对强制应用标准进行控制，或者至少能够减少允许自动检测的输入标准数量；减少用于确定锁定和解锁状态的Hsync计数的控制选项；能够强制再获取模拟输入电路的时序；能够在解码器锁定或解锁时产生中断。
禁用Hsync和Vsync处理模块
Hsync和Vsync处理模块支持高性能解码器锁定时基不良的信号。如果施加于解码器的输入源具有良好的时基，则所选的解码器应提供控制选项来禁用这些模块，以便缩短解码器的锁定时间。
强制应用标准
如果在设计期间已知道输入源标准，则应通过解码器设置锁定该标准，由于解码器不需要花时间执行自动检测算法来确定输入视频标准，这样便能缩短锁定时间。
减少Hsync计数
针对快速切换应用选择解码器时，系统设计人员应确保解码器具有编程能力，允许用户减少视频解码器必须检测到的连续正确的Hsync脉冲数量（目的是确定它已锁定视频信号）。还应降低失锁计数(COL)限值，这样视频解码器只需通过更少的连续Hsync脉冲丢失数，就能判断它已失锁，进而搜索新的输入视频类型。
强制再获取时序
对于快速切换解码器的选择，强制复位视频解码器前端模拟电路的能力也很重要，其目的是重新初始化用于锁定视频信号的模块。通过强制再获取时序，前端模块复位并搜索视频信号，从而确保迅速锁定新的视频源。
在解码器锁定或解锁时产生中断
所选的视频解码器应具有一个专用中断引脚，当解码器锁定或失锁时，它能够发出提示，以便系统控制器响应这些事件，而不需要通过I2C持续监控解码器。
对输出视频的影响
由于视频源并未同步锁定，因此无法从一路输入视频无缝切换到另一路视频。当解码器从一路输入的时序切换到另一路输入的视频时序时，输出视频流会受影响。如图4所示，切换期间的图像发生损坏。在异步视频源之间切换时，无法避免这一现象。
不同的系统采用不同的解决方案来防止屏幕上显示的视频图像发生撕裂。系统控制器应当能够对解码器产生的中断快速做出反应，控制切换期间屏幕上显示的图像，确保所显示的图像不含图4所示的撕裂现象。

图4 输出视频切换时的截图
切换期间的事件序列
本部分说明切换到新输入视频信号时发生的事件序列。这将有助于系统设计人员定量评估所选视频解码器的快速切换性能。
图5为获取视频信号之后发生的一系列事件标上了编号。下面按顺序说明这些事件：

图5 输入和输出视频信号波形
1、对解码器执行I2C写操作。设置解码器，切换到新的视频输入，并告知视频标准。加快切换的写操作在此时执行。
2、模拟箝位电路响应视频输入。在典型应用中，视频信号容性耦合到视频解码器中。然后，解码器必须确保对视频信号进行直流恢复，并箝位视频消隐电平，使得ADC输出一个特定的代码。有多种方法可以做到这一点，最常用的方法是在解码器的输入节点提供源电流和吸电流。图6为视频解码器箝位视频信号的典型示意图。

图6 视频信号典型箝位
3、视频固定在正确的电平并且提取同步信号。高性能视频解码器产品同时包含粗调和精调箝位环路。粗调箝位电路将视频信号调整到接近正确电压之后，精调箝位电路对视频信号电平进行全面优化，并使视频输入保持在这一正确的直流电平。现在，输入视频固定在稳定的直流电平，消隐电平则设定为已知的ADC代码。解码器从视频信号中提取同步信号，并监控Hsync、Vsync和Field序列以便确定输入视频标准。如果使用自动检测功能，则确定视频标准的时间会延长。
4、解码器输出正确、稳定的视频时序。解码器锁定输入视频信号，针对该输入视频类型优化内部IP模块和滤波器，并开始输出稳定且正确的视频时序，从而在LCD面板或屏幕上显示正确的视频图像。
上述结果全部基于利用ADI公司解码器（如ADV7180和ADV7181C）执行的测量，这些解码器符合快速切换要求。
ADI公司解码器广泛应用于汽车行业，满足许多汽车系统供应商的快速切换需求。ADV7180和ADV7181C具备本文所述的所有快速切换特性。
总结
本文说明了模拟视频在汽车应用中仍然受欢迎的原因，以及模拟视频相对于其它解决方案的优势。汽车制造商已经看到，功能丰富的信息娱乐系统有助于提高销售利润、增强安全性能。随着“车载视频”系统的快速发展，不久的将来很可能会出现一辆车配备5块液晶面板的情形。