Как устроена цифровая аудиошина A2B в китайском кроссовере
Владельцы современных автомобилей нередко сталкиваются с тем, что штатная аудиосистема передаёт звук между головным устройством и усилителем в цифровом виде. В таком случае подключить внешний усилитель к обычному аналоговому сигналу уже нельзя: сначала необходимо выяснить, какой интерфейс используется и как получить из него аудиоданные.
В исследуемом автомобиле Evolute i-Space, также известном как Dongfeng Landian E5, в одной из 20-контактных колодок штатного усилителя оставались четыре контакта с неясным назначением — пары 5/15 и 6/16. Задача заключалась в том, чтобы определить, какая из них отвечает за управление, какая передаёт звук, и можно ли установить тип интерфейса по форме электрического сигнала.
Контакты 5/15 оказались CAN-шиной
Для измерений использовался двухканальный портативный осциллограф FNIRSI 2C53T с полосой 50 МГц и максимальной частотой дискретизации 250 MSa/s. Этого достаточно для наблюдения за CAN и анализа общей временной структуры A2B, хотя для точного отображения фронтов сигнала со скоростью около 49 Мбит/с возможности прибора уже ограничены.
При измерении контактов 5 и 15 относительно массы автомобиля наблюдались редкие прямоугольные переходы с продолжительными спокойными участками. На обоих проводах события начинались и завершались практически одновременно, но изменения напряжения имели противоположное направление. Такая картина характерна для дифференциальной линии.
При развёртке 1 мкс на деление минимальные устойчивые интервалы занимали примерно два деления. Это соответствует длительности бита около 2 мкс и скорости порядка 500 кбит/с. Вместе с противоположным изменением уровней на двух проводах такой результат указывает на высокоскоростной CAN: в доминирующем состоянии CAN_H повышается примерно до 3,5 В, а CAN_L опускается примерно до 1,5 В.
На контактах 6/16 обнаружилась A2B
Контакт 6 демонстрировал уже совершенно другой характер активности — короткие высокочастотные пакеты, разделённые спокойными интервалами. На развёртке 10 нс на деление удавалось различать отдельные элементы сигнала. На втором проводе наблюдалась сходная, зеркальная структура, что указывало на высокоскоростную дифференциальную передачу.
Поначалу можно было предположить, что используется S/PDIF, однако временная структура сигнала с этой версией не согласовывалась. При развёртке 5 мкс на деление одинаковые группы передачи повторялись через 4,1–4,2 деления. Получался период примерно 20,8 мкс, а обратная величина давала частоту около 48 кГц.
Такой результат совпадает с принципом работы автомобильной аудиошины A2B от Analog Devices. В ней суперкадры повторяются с частотой аудиосинхронизации, обычно 44,1 или 48 кГц. При частоте 48 кГц период составляет 20,833 мкс. Если суперкадр содержит 1024 бита, суммарная скорость передачи равна 48 000 × 1024 = 49 152 000 бит/с, то есть 49,152 Мбит/с.
Предварительная схема системы выглядит следующим образом: головное устройство передаёт аудиоданные по A2B, а пара 5/15 используется для автомобильного управления по CAN. Штатный усилитель принимает цифровой поток, выполняет DSP-обработку, распределяет каналы, применяет эквализацию и формирует сигналы для отдельных динамиков.
Почему простой перехват сигнала не подходит
A2B нельзя подключить так же просто, как обычный S/PDIF. Это синхронизированная сеть с ведущим и подчинёнными устройствами. Головное устройство управляет обнаружением узлов, их настройкой и распределением аудиоканалов. Поэтому дополнительный приёмник на линии может не пройти инициализацию, а неудачное вмешательство способно нарушить работу штатного усилителя.
У трансиверов Analog Devices есть режим Bus Monitor, однако для передачи наблюдаемого аудио через I²S или TDM главный узел должен разрешить мониторинг установкой бита ENDSNIFF. Неизвестно, активирует ли эту возможность головное устройство Evolute i-Space. Поэтому даже специализированная отладочная плата на базе AD2428 стоимостью около 12 тысяч рублей не гарантировала бы получение звука.
Готовые автомобильные преобразователи A2B в стандартные цифровые форматы существуют, но обычно рассчитаны на конкретные модели и конфигурации. Поддержки Landian E5 среди известных решений не обнаружилось. Кроме того, стоимость некоторых совместимых устройств может достигать 259 тысяч рублей, что делает такой путь малопривлекательным для самостоятельного эксперимента.
Идея регистратора на FPGA
Полноценное самостоятельное декодирование также оказалось нетривиальной задачей. Нужно преобразовать дифференциальный сигнал в поток битов, восстановить тактирование, разобраться с кодированием, найти границы суперкадров и определить расположение аудиослотов. Обычные Raspberry Pi и ESP32 не подходят для надёжного непосредственного захвата потока такой скорости.
Дополнительным ограничением стало подключение к автомобилю без повреждения штатной проводки. Усилитель находится под сиденьем, автомобиль новый и находится на гарантии, поэтому вскрывать корпус и разрезать провода не хотелось. A2B чувствительна к дополнительной ёмкости, нагрузке и длинным ответвлениям, значит, для наблюдения требовался высокоомный пассивный отвод, практически не влияющий на основную линию.
FNIRSI позволил определить тип передачи и её периодичность, но не давал возможности удобно сохранять продолжительные последовательности сырых отсчётов для последующего анализа. Поэтому возникла идея создать собственный регистратор: сначала пассивно записывать необработанный поток A2B, а затем, после изучения протокола, реализовать декодирование и преобразование в S/PDIF или Toslink.
Для такой задачи была выбрана FPGA. В отличие от микроконтроллера, она позволяет построить параллельную цифровую схему, которая будет с высокой частотой регистрировать входной сигнал, сохранять данные в памяти, а впоследствии выполнять восстановление тактового сигнала и извлечение PCM-каналов.
Рассматривались платы Sipeed Tang Nano 20K и Tang Primer 20K. Обе используют FPGA Gowin схожего класса, но отличаются объёмом внешней памяти: у Nano установлено 8 МБ SDRAM, а у Primer — 1 Гбит DDR3, то есть 128 МБ. При дискретизации 200 млн отсчётов в секунду и упаковке восьми однобитных отсчётов в байт скорость записи составила бы около 25 МБ/с. Теоретически 128 МиБ памяти хватило бы примерно на 5,37 секунды непрерывного сигнала, тогда как 8 МБ — примерно на треть секунды.
В результате выбор остановился на Tang Primer 20K Core с платой расширения Dock. Она предоставляет GPIO и PMOD, USB 2.0 High-Speed, Ethernet и готовую инфраструктуру для работы с DDR3 и USB. Комплект удалось приобрести примерно за 5555 рублей, что заметно дешевле специализированной A2B-платы.
Следующий этап — входной тракт
Сама FPGA-плата не может напрямую подключаться к автомобильной линии. A2B передаёт низкоамплитудный высокоскоростной дифференциальный сигнал, который может иметь постоянную составляющую. Поэтому необходимо согласовать синфазное напряжение, защитить входы и не создать для штатной сети чрезмерную нагрузку.
В качестве одного из вариантов рассматривался высокоскоростной компаратор Texas Instruments TLV3601 с типичной задержкой около 2,5 нс, но найти его в продаже не удалось. Альтернативой стал специализированный LVDS-приёмник SN65LVDS2DBVR, рассчитанный на скорости до 400 Мбит/с и питание 3,3 В. Важным преимуществом оказалось отсутствие встроенного низкоомного терминатора, что упрощает пассивное подключение к линии. Кроме того, Tang Primer 20K поддерживает дифференциальные LVDS-входы.
На этом этапе удалось определить назначение исследуемых пар и получить убедительные признаки A2B со скоростью 49,152 Мбит/с, но готовый аудиовыход ещё не был создан. Главные дальнейшие задачи — безопасно снять сигнал, записать достаточно длинный фрагмент, восстановить структуру суперкадров и проверить, удастся ли извлечь из потока реальные аудиоданные без нарушения работы штатной системы.
