經道路測試的 GMSL 攝影機進入新的市場

汽車製造商對可靠性、效能有嚴格要求，且在對電氣不利的環境中有快速數據傳輸率的需求，使得汽車應用開發的技術經常轉而用於其他市場。這是為何 Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL™) 攝影機會進入視覺應用的現成市場，其應用領域如自動化和機器人、智慧農業、數位醫療、航空、自動駕駛計程車、零售和倉庫庫存管理等。

Analog Devices 的 GMSL 最初用於因應車輛中高速視訊和資料傳輸的應用。此技術已廣泛採用且經過實證，可提升高速視訊鏈路的效能水準，並以單一纜線支援多重串流傳輸。

視覺應用需要非常大量的資料流以確保影片的高品質。Full HD 影像由 1080 行 x 1920 列組成。這相當於 200 萬個像素，每個像素由紅色、綠色、藍色元素組成，總共有 600 萬個元素。每個元素代表 8 位元資料，因此每訊框都會產生近 50 Mbps 的資料。在每秒 60 訊框的情況下，一台攝影機所需的數據傳輸率超過 3.5 Gbps。

第一代 GMSL 於 2008 年推出，運用低電壓差動訊號 (LVDS) 標準提供高達 3.125 Gbps 的平行資料下行鏈路速率。特別適合傳輸來自多重攝影機系統和其他先進駕駛輔助應用 (ADAS) 的資料，以及不斷增加的車載高解析度平板顯示器。

第二代 GMSL2 於 2018 年推出，將數據傳輸率提高至 6 Gbps，並支援更多標準高速視訊介面，包括 HDMI 和 MIPI 介面標準，MIPI 為消費型和汽車攝影機常用的影像感測器介面。這些新功能適用於 Full HD (FHD) 顯示器和解析度高達 8 MP 的攝影機。

新一代 GMSL3 則可以透過單一纜線傳輸高達 12 Gbps 的資料，支援多重 4K 解析度串流、多顯示器的菊鏈連接以及多重攝影機的聚合，例如位於車輛前後及兩側，用於提供 360° 視野的能力。如今有越來越多汽車製造商在側視和後視鏡中配備攝影機，運用前向和後向攝影機來避免碰撞，以及車內攝影機來監控駕駛和乘客的安全。GMSL3 可以聚合多重視訊來源以及光達和雷達的資料。

攝影機一旦縮小至 CMOS 感測器的程度，就能以低成本和低功耗達到前所未見的品質。影像感測器有數百萬個接收器元件，各接收器元件將測量結果轉換為數位值，並與同步資訊一同透過平行介面的串列資料通道進行串流。

GMSL2 和 GMSL3 均採用 MIPI 介面標準，讓設計人員和廠商能夠使用適用於 GMSL 攝影機的各款影像感測器。

GMSL 與 GigE 的比較

工程師在開始設計視覺應用時，一定會馬上面臨使用 GMSL 還是 gigabit 乙太網路 (GigE) 視覺技術的抉擇。GigE 廣泛運用於工業應用，主要原因是由於 GigE 十分依賴乙太網路基礎設施和標準。

現今的應用中，較常採用 2.5 GigE、5 GigE、10 GigE 的 GigE Vision 攝影機，而最先進的 100 GigE 攝影機，則可以達到高達 100 Gbps 的數據傳輸率。GigE 的傳輸距離為 100 m，GMSL 在設計上採用同軸纜線或屏蔽雙絞線纜線傳輸數據，傳輸距離可達 15 m，但在某些條件下，兩者皆可能會超過上述距離。

這兩種技術都能透過單一纜線傳輸資料和電力：GMSL 使用同軸纜線供電 (PoC)，因此視訊、音訊、控制、資料、電力可以透過單一通道傳輸。大部分 GigE Vision 應用依賴 4 對乙太網路的乙太網路供電 (PoE)，或較不常見的單對乙太網路 (SPE) 的資料線供電 (PoDL)。

選用哪種視覺技術取決於系統和應用需求。例如，GigE Vision 可為單攝影機應用提供一些優勢，特別是針對直接連接到 PC 的應用或含有乙太網路連接埠的嵌入式平台。

使用多台攝影機時，GigE Vision 應用需要使用專用乙太網路交換器、含多重乙太網路連接埠的網路介面卡 (NIC) 或乙太網路交換器 IC。此類需求可能會降低最高總數據傳輸率，並在攝影機和終端裝置之間引入無法預測的延遲，若採用 GMSL 結構，則可提供更簡單、更直接的方式。

GigE Vision 裝置可支援更高解析度和更高訊框率 (或同時支援兩者) 以及額外的緩衝和壓縮。GMSL 裝置不提供訊框緩衝和處理，因此解析度和訊框率取決於影像感測器在鏈路頻寬內的支援。工程師需要在解析度、訊框率和像素位元深度之間做出簡單的權衡。

GMSL 簡化高速視訊架構

GigE Vision 攝影機通常使用包含影像感測器、處理器、乙太網路實體層 (PHY) 的訊號鏈 (圖 1)。感測器的原始影像資料由處理器轉換為乙太網路訊框，通常依靠壓縮或訊框緩衝以配合支援的乙太網路頻寬的數據傳輸率。

圖 1：GigE Vision 攝影機感測器端的關鍵訊號鏈組件。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

GMSL 攝影機訊號鏈採用串列器／解串列器 (SerDes) 架構，以避免使用處理器 (圖 2)。影像感測器平行資料則是由串列器轉換為高速串列資料流。後端的解串列器會將串列資料轉換回平行形式，以便由電子控制單元 (ECU) 系統單晶片 (SoC) 進行處理。

圖 2：GMSL 攝影機在感測器端採用比 GigE Vision 更簡單的訊號鏈架構。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

GMSL 攝影機架構有助於更輕鬆設計低功耗小型攝影機。串列器可以透過標準 MIPI CSI-2 介面直接連接到攝影機，並透過 GMSL 鏈路傳輸封包資料。

典型的主機裝置是一個客製化嵌入式平台，涵蓋單一或多個解串列器，透過 MIPI 發送器傳輸影像資料，其格式與影像感測器 MIPI 輸出相同。客製化設計需要新的 GMSL 攝影機驅動程式，若影像感測器已有驅動程式，則只需幾個設定檔暫存器或暫存器寫入即可使用，啟用攝影機的視訊串流到控制單元。

GMSL 組件

ADI 提供全面的串列器和解串列器產品組合，支援各種介面。這些產品具有穩健的 PHY 設計、位元錯誤率 (BER) 和向後相容性。任何視訊協定都可以相互橋接，例如 HDMI 到開放式 LVDS 顯示介面 (oLDI)。

工程師必須依據應用需求選擇最佳組件，例如裝置介面、數據傳輸率、頻寬、功耗、環境條件、纜線長度。其他因素還有 EMI、錯誤處理、訊號完整性等。ADI GMSL 組件的一些產品包括：

• MAX96717 是 CSI-2 對 GMSL2 串列器 (圖 3)，在順向以 3 Gbps 或 6 Gbps 的固定速率運作，在逆向以 187.5 Mbps 的固定速率運作。

圖 3：使用 MAX96717 串列器的資料流示意圖。(圖片來源：Analog Devices, Inc.)

• MAX96716A 轉換雙 GMSL2 串列輸入至 MIPI CSI-2。GMSL2 輸入獨立運作，兩者的輸入視訊資料可以聚合，在單一 CSI-2 連接埠上輸出，或複製到第二個連接埠上作為備援。
• MAX96724 是四通道解串列器，可將 4 個 GMSL 2/1 輸入轉換為 2 個 MIPI D-PHY 或 C-PHY 輸出。GMSL2 的資料鏈路速率為 6/3 Gbps，GMSL1 的資料鏈路速率為 3.12 Gbps，GMSL2 的反向鏈路速率為 187.5 Mbps，GMSL1 的反向鏈路速率為 1 Mbps。
• MAX96714 解串列器將單一 GMSL 2/1 輸入轉換為 MIPI CSI-2 輸出，在順向以 3 Gbps 或 6 Gbps 的固定速率運作，在逆向以 187.5 Mbps 的固定速率運作。
• MAX96751 是具有 HDMI 2.0 輸入的 GMSL2 串列器，可將 HDMI 轉換為單或雙 GMSL2 串列協定。此外，還支援視訊和雙向資料的全雙工、單線傳輸。
• MAX9295D 將單連接埠或雙連接埠 4 通道 MIPI CSI-2 資料流轉換至 GMSL2 或 GMSL1。

ADI 也提供多種開發工具，例如用於 MAX96724 元件的 MAX96724-BAK-EVK# 評估套件。

結論

相較於 GigE Vision，GMSL 攝影機的複雜性較低，因此更加緊湊，通常能提供更佳成本效益的解決方案。GMSL 為越來越多以攝影機和顯示器為架構的應用 (機器學習、自主操作、車用資訊娛樂和安全等) 提供僅微秒延遲的高解析度數位視訊可靠傳輸能力。數百萬的 GMSL 鏈路協助駕駛提升道路體驗，證明其可靠性和效能。