GMSL 技術延伸至汽車領域之外

視覺應用需要大量的資料流，以確保視訊的高品質。一張 Full HD 影像由 1080 x 1920 組成，總共超過 200 萬像素。以每秒 60 幀的速度傳輸時，原始數據傳輸率會迅速攀升至每秒千兆位元。此時，產品設計人員就可以運用 Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL)。

GMSL 最初由 Maxim 開發，現在屬於 Analog Devices, Inc. 的產品組合，並且不斷發展，成為領先的高速視訊和資料鏈路技術。最初專為汽車高速視訊和資料傳輸應用所開發，現在已經發展了三代 (GMSL1、GMSL2、GMSL3)，且 IC 的全球出貨量超過 9 億。在重視高速、低延遲的視訊和感測器資料傳輸的各種非汽車應用領域中，這項技術正在快速普及：

• GMSL 用於連接機器人和偵測系統中的機器視覺攝影機，在廠區提供可靠的效能；在廠區中，電磁干擾和長纜線線路可能會對傳統介面構成挑戰。
• 在醫療裝置中，GMSL 可讓手術和診斷攝影機進行即時視訊傳輸，尤其適用於要求最少佈線和延遲的緊湊型系統。
• 航太和國防設計人員利用 GMSL 技術的耐用性和診斷功能，在飛行器、無人機、監視系統中傳輸任務關鍵成像和感測器資料。
• 鐵路和公共運輸系統使用 GMSL，在車輛和控制單元之間傳輸視訊串流和乘客資訊。

在這些產業中，GMSL 兼具頻寬、彈性、簡易性，協助設計人員滿足攝影機和資料導向系統的需求。雖然 GMSL 通常視為高階解決方案，但也可以使用於需要強大、高速視訊、感測器鏈路的小量專業建置。

核心能力

GMSL 是一種高速串列器／解串列器 (SerDes) 技術，用於透過單一纜線 (通常是同軸纜線或屏蔽雙絞線 (STP)) 傳輸視訊、音訊、控制、電源。GMSL 支援非對稱全雙工通訊，具備用於高頻寬視訊傳輸的正向通道和用於低頻控制訊號的反向通道。

此技術的最新版本支援的傳輸距離長達 15 m，速度則超過 6 Gbps。這些特性使得 GMSL 能夠支援高解析度視訊，包括 8 MP 感測器和 4K+ 顯示器。

從汽車駕駛輔助到工業機器視覺，許多現代應用都依賴即時、高解析度視訊。一個 Full HD 幀有 200 萬像素，因此每個像素在紅、綠、藍通道各儲存 8 位元，總共 24 位元，因此每幀加起來就有近 50 Mb 的未壓縮資料。

一個未壓縮的 1080p 視訊串流，在每秒 60 幀之下，可能需要超過 3 Gbps 的頻寬，這還不包括顏色深度、同步、錯誤修正所需。GMSL 能夠透過單一同軸纜線或 STP 纜線，以每秒數千兆位元的速度傳輸資料，為設計人員提供清晰、低延遲的視訊，而無需採用壓縮機制，可避免增加複雜性和引入延遲。

對時間敏感的應用而言，延遲是一大問題。無論是車輛用以輔助偵測危險的前置攝影機，或是裝配線上的機器人在調整抓握位置，即使視訊傳輸出現輕微延遲，也會降低效能或安全性。

GMSL 的高速鏈路支援近乎瞬時的視訊和感測器資料傳輸，使其成為依賴即時回饋和決策的系統之首選。對於需避免延遲的應用，例如偵測裝配線上的危險狀況時，這一點尤其重要。

GMSL 的另一個重要特點是支援整合用於傳輸資料的同一條纜線進行電力傳輸，對空間受限或成本敏感的設計而言是一大優勢。這項技術被稱為同軸纜線供電 (PoC)，允許使用單一同軸纜線將視訊、控制訊號、電源傳輸到遠端裝置，例如攝影機、顯示器、感測器。如此便可減少對獨立電力線的需求，降低佈線複雜性、重量、成本。

自第一代以來，PoC 一直是 GMSL 的核心特點，在涉及長距離纜線傳輸或靈活佈線的汽車、工業、嵌入式應用中更顯其價值。隨著每一代產品的迭代，PoC 不斷發展，以支援更高的功率等級、提升的效率、更佳 EMI 效能，以及增強的診斷和保護功能，可支援更複雜的多裝置系統設計。

跨越 GMSL 世代

第一代 GMSL 於 2008 年推出，採用低電壓差動訊號 (LVDS) 標準，提供高達 3.125 Gbps 的平行資料下行鏈路速率。此標準特別適合傳輸來自多個攝影機系統和其他進階駕駛輔助系統 (ADAS) 應用的資料，以及更加普及的車載高解析度平板顯示器。針對成本敏感型或頻寬適中的應用，GMSL1 組件仍然是可行且較通用的選擇，並且接受具備 GMSL2 相容接收器的良好支援。

• MAX96705 是一款緊湊型、符合成本效益的 GSML1 串列器，整合 PoC，支援高達 1.5 Gbps 的數據傳輸率，適用於入門級汽車視覺系統、工業檢測攝影機，以及其他對頻寬要求未達 GSML2 或 GML3 的視覺應用。

GMSL2 採用專有的高速序列協定，透過單一差動對達到嵌入式時脈、增強的 EMI 效能，以及更高的數據傳輸率。值得一提的是，此元件的可用頻寬提高一倍，達到 6 Gbps，進而能夠支援更高解析度的視訊串流、更高的幀速率，甚至支援多個聚合攝影機。可省去獨立的時脈線路，降低佈線複雜性，並且提高遠距離傳輸的訊號完整性。GMSL2 保持與 GMSL1 的向後相容性，因此無需對平台進行全面改造，即可輕鬆轉換到功能更強大的設計。

• MAX96716A 是一款雙輸入解串列器，支援 GMSL1 和 GMSL2 鏈路，每通道數據傳輸率高達 6 Gbps，並輸出到 MIPI CSI-2，這是 SoC 和視覺處理器的通用介面。內建 I²C 橋接、PoC 支援和前向錯誤修正 (FEC)，無需重新設計主機介面，對於多攝影機設定或橋接舊式和新式串列器而言，是一個可靠、靈活的解決方案。

GMSL2 滿足汽車和工業應用嚴格的電磁相容性 (EMC) 要求，傳統的 LVDS 往往無法滿足這些要求。GMSL2 還增加對未壓縮和已壓縮視訊的支援，設計人員能夠根據系統限制提供更大的靈活性。不同於 GMSL1，GMSL2 採用嵌入式時脈，可減少電磁干擾，簡化纜線設計。

GMSL2 的其他提升包括改進的控制資料處理，降低 I²C、SPI、GPIO、音訊的傳輸延遲，並內建診斷和錯誤偵測，提高系統的穩健度。

GMSL3 支援聚合，進一步提升視覺應用，允許透過單一實體纜線傳輸多個高解析度視訊串流、雙向控制訊號 (如 I²C、GPIO、SPI)、音訊。這能簡化佈線，並降低空間受限設計的重量和複雜性。

在許多現代應用中，多視訊來源 (如攝影機) 和周邊裝置 (如感測器或顯示器) 必須同時與中央處理器進行通訊。

GMSL3 支援每串列通道高達 6 Gbps 的數據傳輸率，並且可以透過配置使用多個通道進一步提高傳輸量。

• MAX96793GTJ/VY+ 是一款緊湊型 GMSL3 串列器，可輸入多達四通道的 MIPI CSI-2 視訊訊號，並輸出一條 12 Gbps GMSL3 鏈路，內建向後相容 GMSL2 (圖 1)。

圖 1：MAX96793 GMSL3 串列器內建向後相容 GMSL2，為設計人員提供高效率的解決方案，適用於高解析度、多攝影機系統或從 GMSL2 升級。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

• ADI 的 MAX96792A 是高效能雙通道 GMSL3/GMSL2 解串列器，可將兩個串列通道聚合，總共可傳輸 12 Gbps 的串列視訊、控制、音訊資料 (圖 2)。可以透過雙 MIPI CSI-2 介面達到多重攝影機或高解析度視訊擷取，並為進階駕駛輔助系統、自動駕駛車輛、先進機器視覺和其他高頻寬應用提供功能。同時支援 GMSL3 和 GMSL2，簡化跨產品線的升級。在 GMSL2 模式下運作，可與 MAX96717RGTJ/V+ GMSL2 串列器配對。

圖 2：MAX96792A 雙通道 GMSL3/GMSL2 解串列器為進階視覺應用提供功能。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

設計人員可以利用評估板和開發套件探索 GMSL3 的功能，並使用真實的硬體進行原型設計。

• MAX96793-ACK-EVK# (圖 3) 採用 MAX96793 串列器 IC，能讓設計人員快速將高速 GMSL3 和 GMSL2 視訊鏈路進行原型設計和測試，將 MIPI CSI-2 輸入轉換為高達 12 Gbps 的 GMSL3 輸出，並透過同軸或 STP 線傳輸。

圖 3：可使用 MAX96793-ACK-EVK#，以 MAX96793 串列器進行 GMSL3 應用原型設計。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

• MAX96792A-BCK-EVK# (圖 4) 是 MAX96792A 的評估板，此雙通道 GMSL3/GMSL2 解串列器評估板，展示使用兩條 6 Gbps 通道 (總共 12 Gbps) 透過同軸纜線或 STP 經由 PAM-4 訊號傳輸的全功能操作。

圖 4：MAX96792A-BCK-EVK# 評估套件包含一個用於原型設計應用的 GSML3 解串列器。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

廣泛採用且強大的生態系統

ADI 的 GMSL 技術已在汽車、工業、醫療、航太等產業中廣泛運用。結合高速視訊傳輸、電力傳輸、抗電磁干擾能力、系統級整合的特點，成為高效能視覺系統的實際標準，彌補開放協定的不足。

ADI 提供一個經驗證且可擴展的平台，能在嚴苛的環境中部署即時視訊和感測器鏈路，並擁有強大的串列器、解串列器、攝影機模組，以及開發工具生態系統支援。

向後相容性是 GMSL 各代產品的關鍵特點。GMSL2 在許多配置中向後相容 GMSL1，允許某些為 GMSL2 設計的串列器和解串列器在與 GMSL1 裝置配對時以 GMSL1 模式運作。有助於設計人員在利用現有硬體的同時擴展其設計。

雖然 GMSL3 採用本質上不同的訊號協定和更高速度的架構，但 ADI 提供可在 GMSL2 和 GMSL3 雙模式下操作的組件。可為設計人員提供靈活性，逐步實施系統升級或提供多平台產品線，例如高階基於 GMSL3 的型號和低階基於 GMSL2 的型號。

結論

GMSL 簡化設計複雜性，減少佈線，並且支援嵌入式和邊緣系統中對高頻寬、低延遲資料持續增加的要求。GMSL 的先進訊號調整和錯誤修正功能確保應用即使在惡劣條件下，也能在 15 m 或更遠的距離保持快速、高完整性的連接。其他介面 (如 USB、HDMI、MIPI CSi) 通常在此距離上會出現訊號衰減，尤其是在車輛或工廠等嘈雜環境中。GMSL 各代產品之間具備向後相容性，確保新組件與現有系統的無縫整合，達到逐步升級而無需完全重新設計，並有助於平衡各產品線的成本、效能、供應鏈靈活性。