Le applicazioni A2B, dall’A alla Z

Di Joe Triggs, Applications Manager

Durante la propria storia, l’industria automotive ha lasciato molti esempi di sfruttamento tecnologico dei mercati laterali e complementari; industriale, consumer e sanitario, giusto per citarne alcuni. A partire dalla rivoluzione della produzione di massa dell’automobile, all’introduzione dei sistemi a nastro trasportatore, ispirati all’industria mineraria, fino al recupero delle energie di processo, cresciuto sempre a ritmi sostenuti sin dall’inizio, più di 30 anni fa, delle prime unità elettroniche di controllo (ECU) che sfruttavano le possibilità di un microcontrollore, gli esempi in cui l’industria automotive ha tratto vantaggi dai trasferimenti di tecnologia sono troppo numerosi per poterli elencare tutti. Oggi l’industria dell’auto sta “restituendo il favore”, condividendo una tecnologia che promette di semplificare le sfide nella distribuzione audio in diversi campi di applicazione.

L’ A²B^® è un bus digitale, bidirezionale, a larghezza di banda elevata, inizialmente ideato per risolvere i problemi della distribuzione audio in applicazioni automotive. Generalmente, gli impianti preesistenti utilizzavano molteplici collegamenti analogici punto-punto.
La tecnologia A²B affronta molte delle sfide che hanno caratterizzato i collegamenti di questo tipo, come peso e costo dei cavi, difficoltà di cablaggio e affidabilità dei collegamenti multipli. Permette il trasporto di dati audio (I²S/TDM/PDM) e di controllo (I²C) completamente sincronizzati attraverso un sistema audio multi-nodale, distribuito su un’infrastruttura realizzata su cavo non schermato a coppie intrecciate (UTP) e connettori. Sul bus vengono supportati fino a 32 canali audio, sia in ingresso che in uscita, consentendo una larghezza di banda complessiva di 50 Mbps. La tecnologia A²B supporta le topologie punto-punto, daisy-chain e branch network.

Ciascuna rete è composta da un nodo master e fino a 10 nodi slave. Un nodo master contiene un transceiver A²B collegato a un processore host che può inviare audio, dati di controllo e I²C sul bus A²B. I nodi slave, il cui livello di complessità spazia dagli amplificatori di classe elevata, con una significativa potenza di elaborazione, ai nodi microfono alimentati dal bus, contengono transceiver A²B che si interfacciano verso un’ampia gamma di dispositivi quali microfoni, processori digitali di segnale (DSP), altoparlanti, sensori (ad esempio, accelerometri) o amplificatori in Classe-D. I transceiver master e slave supportano una varietà di caratteristiche aggiuntive, come il supporto per gli ingressi microfonici di tipo “Time Division Multiplexed” (TDM) e “Pulse-Density Modulation” (PDM). Esistono versioni semplificate dei transceiver A²B , con vari livelli di funzionalità,  come l’endpoint slave (senza supporto TDM), un master semplificato (supporto per collegamenti più corti e per un numero inferiore di unità slave), un endpoint slave semplificato (supporto per collegamenti più corti e un numero minore di ingressi PDM).

Rilasciata in origine con una linea di prodotti limitata, offerta esclusivamente per applicazioni automotive, nel 2019 la tecnologia A2B è stata aperta completamente verso il mercato generico, facendo largo a un gran numero di applicazioni.

I casi d’uso nei quali il bus A2B ha avuto successo nell’industria automotive sono strettamente correlati a molte applicazioni nell’industria dei trasporti, per la quale il bus A2B, in precedenza, non era disponibile. Un segmento specifico di questa industria, quello della costruzione di macchine agricole, è soggetto a un rapido sviluppo tecnologico. Queste macchine sono l’ambiente di lavoro per i rispettivi operatori, nel senso che caratteristiche come telefonia in viva-voce, integrazione di microfoni multipli per facilitare il beamforming e sistemi di chiamata di emergenza e di cancellazione del rumore trasformano la macchina operatrice in un ambiente di lavoro più sicuro, più confortevole e connesso.

Il sistema Fritzmeier per veicoli fuoristrada industriali e commerciali, con il sistema SMARTCOM di Antretter & Huber, sfrutta la natura scalabile della tecnologia A2B. Dotato di microfoni, altoparlanti attivi e un modulo radio smart FM/DAB, il sistema SMARTCOM è progettato per semplificare l’integrazione di moduli di terze parti. Le caratteristiche chiave del bus A2B, sfruttate dal sistema SMARTCOM, includono la possibilità di integrare fino a 10 nodi slave connessi a un nodo master e il supporto per il traffico audio bidirezionale.

I veicoli destinati al trasporto passeggeri (autobus, aerei e treni) costituiscono un altro importante segmento dell’industria dei trasporti, che adesso può sfruttare le possibilità offerte dalla tecnologia A2B. In questi veicoli, il collegamento di componenti audio distribuiti presenta casi d’utilizzo piuttosto evidenti per i dispositivi A2B, come nel collegamento efficiente di altoparlanti dislocati utilizzando cavi UTP economici e leggeri. Tuttavia, di questi casi esistono molte altre varianti! La possibilità che un dispositivo A2B possa supportare reti fino a 32 canali audio in uscita, (dal nodo master verso i nodi slave) e in entrata (dai nodi slave verso il master) facilita, nell’ambito di un unico sistema, la distribuzione di canali multipli dal contenuto audio differente. Questa caratteristica potrebbe essere utilizzata per distribuire musica, oppure audio in lingue diverse, durante una visita guidata in un viaggio turistico.

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La possibilità che un bus A2B possa trasmettere a distanza dati “General-Purpose Input/Output” (GPIO) non critici, ora può essere sfruttata e utilizzata in molti casi nell’ambito dell’industria dei trasporti. Per esempio, i pulsanti di arresto utilizzati in autobus e vagoni ferroviari potrebbero sfruttare questa funzionalità dell’A2B, grazie all’overhead di elaborazione minimo a essi associata: una volta che il link A2B è stato configurato dal nodo master durante l’inizializzazione, i GPIO funzionano senza alcun ulteriore intervento da parte dell’host.

Al di fuori dell’industria dei trasporti, molti standard, come l’AES67, sfruttano tecnologie quali Ethernet e Internet Protocol (IP) per trasmettere audio a varie distanze, dalle installazioni domestiche o per piccoli studi a quelle destinate a stadi o centri commerciali. La tecnologia A2B non è un diretto concorrente delle diverse tecnologie basate su Ethernet che trasmettono audio a lunga distanza. Al contrario, l’A2B può essere considerata una tecnologia complementare e perfettamente adatta a fornire connettività, agli estremi di rete, tra il backbone e i dispositivi periferici (per esempio, microfoni, altoparlanti, etc.).

Nel contesto dell’installazione in uno stadio, ad esempio, una tecnologia Ethernet come l’AES67 risulta estremamente efficace nel distribuire audio negli atrii o aree locali, come suite o ristoranti. Nell’ambito di quest’ultime tuttavia, portando la tecnologia Ethernet agli estremi di rete, il collegamento in A2B offre diversi vantaggi distinti. Il transceiver A2B è dotato di un controllore di rete integrato e di un PHY. Nei dispositivi A2B, i connettori UTP utilizzati sono economici e facili da collegare, mentre i cavi UTP hanno un costo modesto, sono flessibili e leggeri. La tecnologia A2B è inoltre altamente ottimizzata dal punto di vista dell’elaborazione di nodo, allo scopo di permettere l’implementazione di un nodo slave senza la necessità di un microcontrollore.

Sin dall’origine, il bus A2B è stato progettato per avere requisiti di elaborazione minimi attraverso l’intera rete. Durante l’inizializzazione del sistema, il transceiver sul nodo master A2B deve configurare la rete A2B, un onere attribuito al controller host (che può essere qualsiasi IC/SoC dotato di interfaccia I2C). ADI rende disponibile uno stack software di riferimento per la configurazione di rete, nei formati Embedded C o Linux® . Una volta configurata la rete, l’unico ulteriore overhead software è costituito da una funzione di controllo di stato della strategia scelta per l’applicazione. Questo approccio permette che la tecnologia A2B risulti favorita rispetto ad altre, le quali richiedono l’esecuzione di uno stack complicato in ogni nodo connesso alla rete.

La necessità di un’elaborazione di nodo minima, tipica della tecnologia A2B, unita alla capacità di fornire alimentazione attraverso il cavo, rende questa rete assolutamente idonea ad applicazioni che richiedono una progettazione del nodo slave altamente semplificata. Nell’ambito di uno studio di registrazione, molte applicazioni potrebbero sfruttare il supporto per progetti di nodo semplici, alimentati attraverso il bus, come nel caso di microfoni di servizio o pickup. Combinando questi nodi alimentati dal bus con altri ad alimentazione locale, un progettista di sistema può creare la struttura di uno studio complesso che si avvantaggia del canale audio digitale a 24-bit, 96 kHz, fornito dalla tecnologia A2B. La lunghezza dei collegamenti supportati dal bus A2B è un’altra caratteristica che può essere sfruttata in studio o in ambienti da piccolo palcoscenico, dove questa flessibilità di utilizzo può consentire il collegamento di elementi, quali banchi di mixaggio, monitor, microfoni, equalizzatori o amplificatori.

La lunghezza di collegamento resa possibile dal bus A2B può essere anche utilizzata nei sistemi di teleconferenza, essenziali nelle sale riunioni del giorno d’oggi. Questi sistemi richiedono la connessione di un certo numero di elementi, come microfoni, altoparlanti e pulsanti per silenziare la comunicazione. Possono anche sfruttare la latenza deterministica ultra-bassa offerta dalla tecnologia A2B nell’implementazione di soluzioni “beamformed” per microfoni, il cui numero coinvolto, la potenza di elaborazione disponibile e la latenza del sistema influenzano l’efficacia dell’implementazione del beamforming stesso. La tecnologia A2B offre uno scambio dati di tipo sincrono, con una latenza massima garantita inferiore a 50 µs. In un sistema per teleconferenza, il supporto GPIO offerto dai bus A2B può anche essere sfruttato per comunicare tutti i segnali ausiliari, come quelli dei pulsanti per l’esclusione dell’audio o gli indicatori di canale silenziato durante le chiamate.

Con una compatibilità EMI/EMC comprovata in ambiente automotive, la tecnologia A2B rappresenta una proposta allettante per applicazioni che richiedono la trasmissione robusta dell’audio e di dati non critici, in presenza di un ambiente difficile per l’EMC. Conforme ai severi standard EMC in campo automotive su emissioni, immunità e ESD, il bus A2B è ideale per applicazioni in campo avionico e aerospaziale. Restando coerenti e attenendosi alle linee guida fondamentali dei reference design, è possibile ottenere progetti di sistema conformi agli standard.

Questo genere di reference design rappresenta un importante elemento dell’ecosistema, necessario affinché la tecnologia possa semplificare e accelerare il processo di progetto dei clienti. La tecnologia A2B viene supportata mediante progetti di riferimento hardware forniti da Analog Devices e da alcuni partner di terze parti. Altri elementi tradizionali dell’ecosistema includono la disponibilità di campioni, documentazione e kit di valutazione. Oltre a questi, l’ecosistema A2B include tre ulteriori, importanti elementi: software, strumenti di progettazione e partner di progetto di terze parti.

Oltre all’architettura dello stack software di riferimento, menzionato in precedenza, la tecnologia A2B è supportata anche da SigmaStudio®, lo strumento di sviluppo di Analog Devices rinomato a livello industriale. SigmaStudio è un tool utilizzato per supportare tutti gli aspetti del progetto A2B, di processo e di rete, attraverso il posizionamento “drag-and-drop” dei nodi e dei dispositivi ausiliari A2B, la configurazione dei nodi, l’analisi del tasso di bit-error, il calcolo della larghezza di banda e della potenza assorbita. SigmaStudio elabora i dati di configurazione e genera dei file generici .c e.h destinati all’integrazione nello stack software.

Venditori di apparati di prova quali Mentor, Total Phase e altri fanno parte, a loro volta, dell’ecosistema del bus A2B, offrendo prodotti come analizzatori e monitor A2B. In una rete di questo genere, un analizzatore A2B è in grado di emulare sia un nodo master che uno slave, aspetto che può risultare utile nella progettazione e nella prototipazione della rete stessa. Un monitor A2B funziona come un nodo di rete passivo, monitorando tutto l’audio e i dati A2B che passano attraverso di esso e supportando, contestualmente e in modo trasparente, l’ingresso e l’uscita dell’audio stesso. Questi strumenti assistono i clienti, riducendo il time to market e la complessità di progetto. Accelerano anche il debug e la ricerca dei problemi, sia negli stadi precedenti al rilascio di un progetto, sia in quelli successivi. La tecnologia A2B annovera molte terze parti come partner di progetto, con una comprovata esperienza nel portare sul mercato  i sistemi A2B. Questi partner offrono una gamma di servizi che spazia dai moduli hardware al supporto di progetto hardware e software citato in precedenza.

Fattori come ecosistema, robustezza EMI/EMC, supporto di cablaggi lunghi e overhead di processo minimo, fanno da complemento alle capacità di trasmissione audio e dati per le quali il bus A2B è maggiormente conosciuto. Questi fattori e capacità rendono l’A2B una proposta molto allettante per applicazioni che interessano un’ampia varietà di industrie: trasporti, AV professionale, produzione o rappresentazione musicale.

Per le applicazioni broad market sono stati rilasciati cinque transceiver A2B, due dispositivi master e tre slave. Questi cinque prodotti superset e subset, nonché un dispositivo slave endpoint ottimizzato. La Tabella 1 fornisce una panoramica dei cinque part number generici supportati.

Tabella 1. Dispositivi A2B di mercato generico

Dispositivi A2B	AD2428	AD2427	AD2426	AD2429	AD2420
Descrizione di prodotto	Master	Slave	Slave endpoint	Master ottimizzato	Slave endpoint ottimizzato
Capacità Master	Si	No	No	Si	No
Blocchi funzionali TRX	A + B	A + B	A	B	A
Supporto I2S/TDM	Si	No	No	Si	No
Ingressi microfonici PDM	4	4	4	4	2
Numero di slave supportati	Fino a 10	N/A	N/A	Fino a 2	N/A
Max. lunghezza del cavo da Nodo a Nodo	15 m	15 m	15 m	5 m	5 m

Il bus A2B è supportato da Analog Devices attraverso una gamma di schede di valutazione prodotto che coprono i vari generi dei dispositivi A2B.

A queste si affiancano altre schede A2B complementari, offerte da servizi di progettazione di terze parti.

Tabella 2. Schede di valutazione A2B per il mercato generico

Scheda di valutazione A2B	Descrizione
EVAL-AD2428WB1BZ	Scheda slave alimentata attraverso il bus, supporta I2S/TDM con due microfoni PDM
EVAL-AD2428WC1BZ	Scheda slave alimentata attraverso il bus con 4 microfoni PDM; nessun supporto per I2S/TDM
EVAL-AD2428WD1BZ	Scheda Master e slave ad alimentazione locale supporta I2S/TDM con tre microfoni PDM
EVAL-AD2428WG1BZ	Scheda slave ad alimentazione locale supporta I2S/TDM senza microfoni PDM
ADZS-AUDIOA2BAMP	Include gli amplificatori in Classe-D per il pilotaggio degli altoparlanti
ADZS-SC589-MINI	Modulo audio SHARC® con transceiver A2B e processore audio ADSP-SC589

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