GMSL expandiert über Automobilanwendungen hinaus

Anwendungen zur Bildverarbeitung erfordern umfangreiche Datenströme, um eine hohe Videoqualität zu gewährleisten. Ein Full-HD-Bild besteht aus 1080 Zeilen und 1920 Spalten, insgesamt also aus mehr als 2 Millionen Pixeln. Bei der Übertragung von 60 Bildern pro Sekunde klettert die Rohdatenrate schnell in den Gigabit-pro-Sekunde-Bereich. Hier können Produktentwickler die Vorteile von GMSL (Gigabit Multimedia Serial Link) nutzen.

Ursprünglich von Maxim entwickelt und jetzt im Portfolio von Analog Devices, Inc., entwickelt sich GMSL weiter zu einer führenden Highspeed-Video- und -Datenverbindungstechnologie. Es wurde für Highspeed-Video- und Datenübertragungsanwendungen im Automobilbereich entwickelt und hat inzwischen drei Generationen (GMSL1, GMSL2 und GMSL3) mit weltweit mehr als 900 Millionen ausgelieferten ICs durchlaufen. Es wird zunehmend in einer Reihe von nicht-automobilen Anwendungen eingesetzt, bei denen eine schnelle Übertragung von Video- und Sensordaten mit geringer Latenz entscheidend ist:

• GMSL wird für den Anschluss von Bildverarbeitungskameras in Robotern und Inspektionssystemen verwendet und bietet zuverlässige Leistung in Fabrikhallen, in denen EMI und lange Kabelwege eine Herausforderung für herkömmliche Schnittstellen darstellen.
• In medizinischen Geräten ermöglicht GMSL Echtzeit-Videobilder von chirurgischen und diagnostischen Kameras, insbesondere in kompakten Systemen, bei denen eine minimale Verkabelung und Latenzzeit wichtig sind.
• Entwickler in der Luft- und Raumfahrt sowie im Verteidigungsbereich verwenden GMSL zur Übertragung von einsatzkritischen Bildgebungs- und Sensordaten in Flugzeugen, Drohnen und Überwachungssystemen und profitieren dabei von der Robustheit und Diagnosefähigkeit der Technologie.
• Bahn- und öffentliche Verkehrssysteme nutzen GMSL, um Videoübertragungen und Fahrgastinformationen zwischen Fahrzeugen und Leitstellen zu übertragen.

In diesen Branchen hilft die Mischung aus Bandbreite, Belastbarkeit und Einfachheit von GMSL den Entwicklern, die Anforderungen von kamera- und datengesteuerten Systemen zu erfüllen. Obwohl GMSL oft als High-End-Lösung wahrgenommen wird, kann es auch für professionelle Anwendungen mit geringen Stückzahlen eingesetzt werden, die robuste Highspeed-Video- oder -Sensorverbindungen erfordern.

Zentrale Fähigkeiten

GMSL ist eine Highspeed-Serializer/Deserializer(SerDes)-Technologie, die für die Übertragung von Video-, Audio-, Steuer- und Stromversorgungsdaten über ein einziges Kabel, in der Regel ein Koaxial- oder abgeschirmtes Twisted-Pair-Kabel (STP), entwickelt wurde. GMSL unterstützt asymmetrische Vollduplex-Kommunikation mit einem Vorwärtskanal für die Videoübertragung mit hoher Bandbreite und einem Rückwärtskanal für niederfrequente Steuersignale.

Die Technologie unterstützt Entfernungen von bis zu 15 m und Geschwindigkeiten von über 6 Gbit/s in ihren neuesten Versionen. Mit diesen Funktionen unterstützt GMSL hochauflösende Videos, einschließlich 8MP-Sensoren und 4K+-Displays.

Viele moderne Anwendungen, von der Fahrerassistenz im Auto bis zur industriellen Bildverarbeitung, sind auf hochauflösende Echtzeit-Videos angewiesen. Ein Full-HD-Bild hat 2 Millionen Pixel. Ein Pixel, das 8 Bits für jeden Rot-, Grün- und Blaukanal speichert - insgesamt 24 Bits - ergibt fast 50 MB an unkomprimierten Daten pro Bild.

Ein einzelner unkomprimierter 1080p-Videostream mit 60 Bildern pro Sekunde kann eine Bandbreite von über 3 Gbit/s beanspruchen, und das, bevor der Overhead für Farbtiefe, Synchronisierung oder Fehlerkorrektur hinzukommt. Die Fähigkeit von GMSL, mehrere Gigabit pro Sekunde über ein einziges Koaxial- oder STP-Kabel zu übertragen, ermöglicht es Entwicklern, gestochen scharfe Videos mit geringer Latenz zu liefern, ohne auf Kompressionsverfahren zurückgreifen zu müssen, die die Komplexität erhöhen und Verzögerungen verursachen.

Bei zeitkritischen Anwendungen ist die Latenzzeit ein wichtiges Thema. Ganz gleich, ob die nach vorne gerichtete Kamera eines Fahrzeugs dabei hilft, Gefahren zu erkennen, oder ob ein Roboter an einem Fließband seinen Griff justiert - schon geringe Verzögerungen bei der Videoübertragung können die Leistung oder Sicherheit beeinträchtigen.

Die Highspeed-Verbindungen von GMSL unterstützen die nahezu sofortige Übertragung von Video- und Sensordaten und sind damit ideal für Systeme, die auf Echtzeit-Feedback und Entscheidungsfindung angewiesen sind. Das ist besonders wichtig für Anwendungen, bei denen Latenzzeiten eine Rolle spielen, z. B. bei der Erkennung von Gefahren an einem Fließband.

Ein weiteres wichtiges Merkmal von GMSL - insbesondere bei platzbeschränkten oder kostensensiblen Designs - ist die Unterstützung der integrierten Stromversorgung über das gleiche Kabel, das für die Daten verwendet wird. Diese als Power over Coax (PoC) bezeichnete Funktion ermöglicht es, über ein einziges Koaxialkabel Video- und Steuersignale sowie Versorgungsstrom zu entfernten Geräten wie Kameras, Displays oder Sensoren zu übertragen. Dadurch werden keine separaten Stromleitungen benötigt, was die Komplexität der Verkabelung, das Gewicht und die Kosten verringert.

PoC ist seit der ersten Generation ein Kernmerkmal von GMSL und ist besonders wertvoll für Automobil-, Industrie- und Embedded-Anwendungen, bei denen lange Kabelwege oder flexibles Routing eine Rolle spielen. Mit jeder neuen Generation hat sich PoC weiterentwickelt und unterstützt nun höhere Leistungsstufen, einen besseren Wirkungsgrad und eine bessere EMI-Leistung, zusammen mit verbesserten Diagnose- und Schutzfunktionen, um komplexere Systemdesigns mit mehreren Geräten zu unterstützen.

Übergreifende GMSL-Generationen

Die erste Generation von GMSL, die 2008 auf den Markt kam, nutzte den LVDS-Standard (Low-Voltage Differential Signaling), um parallele Datenübertragungsraten von bis zu 3,125 Gbit/s zu ermöglichen. Diese Norm eignet sich besonders gut für die Übertragung von Daten aus mehreren Kamerasystemen und anderen fortschrittlichen Fahrerassistenzsystemen (ADAS) sowie für die zunehmende Verbreitung von hochauflösenden Flachbildschirmen im Auto. GMSL1-Komponenten sind nach wie vor eine praktikable und weithin verfügbare Wahl für Produktentwickler, die an kostensensiblen oder bandbreitenreduzierten Anwendungen arbeiten, und werden von GMSL2-kompatiblen Empfängern gut unterstützt.

• Der MAX96705 ist ein kompakter, kostengünstiger GSML1-Serialisierer mit integriertem PoC, der Datenraten von bis zu 1,5 Gbit/s unterstützt. Er eignet sich für Einsteiger-Vision-Systeme in der Automobilindustrie, industrielle Inspektionskameras und andere Vision-Anwendungen, die nicht die Bandbreitenanforderungen von GMSL2 oder GMSL3 haben.

GMSL2 verwendet ein proprietäres serielles Highspeed-Protokoll, das eingebettete Taktung, verbesserte EMI-Leistung und höhere Datenraten ermöglicht - und das alles über ein einziges differentielles Paar. Vor allem wurde die verfügbare Bandbreite auf 6 Gbit/s verdoppelt, was die Unterstützung von Videostreams mit höherer Auflösung, höheren Bildraten und sogar mehreren zusammengeschalteten Kameras ermöglicht. Dadurch sind keine separaten Taktleitungen mehr erforderlich, was den Verdrahtungsaufwand verringert und die Signalintegrität über größere Entfernungen verbessert. GMSL2 behält die Abwärtskompatibilität mit GMSL1 bei und erleichtert so den Übergang zu leistungsfähigeren Designs, ohne dass die Plattform komplett überarbeitet werden muss.

• Der MAX96716A ist ein Deserialisierer mit zwei Eingängen, der sowohl GMSL1- als auch GMSL2-Links und Datenraten von bis zu 6 Gbit/s pro Spur unterstützt und an MIPI CSI-2, einer gängigen Schnittstelle für SoCs und Bildverarbeitungsprozessoren, ausgibt. Mit integrierter I²C-Überbrückung, PoC-Unterstützung und Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) ist er eine zuverlässige, flexible Lösung für Multi-Kamera-Setups oder für die Überbrückung älterer und neuerer Serialisierer, ohne dass die Host-Schnittstelle neu entwickelt werden muss.

GMSL2 erfüllt die strengen Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) von Automobil- und Industrieanwendungen, bei denen herkömmliche LVDS-Systeme oft versagen. GMSL2 unterstützt nun auch unkomprimiertes und komprimiertes Video, was den Entwicklern mehr Flexibilität je nach Systembeschränkungen bietet. Im Gegensatz zu GMSL1 verwendet es einen eingebetteten Taktgeber, was die EMI reduziert und das Kabeldesign vereinfacht.

Zu den weiteren Verbesserungen der GMSL2-Generation gehören eine verbesserte Handhabung von Steuerdaten mit geringerer Latenz bei der Übertragung von I²C, SPI, GPIO und Audio sowie eine integrierte Diagnose und Fehlererkennung für eine höhere Systemstabilität.

GMSL3 unterstützt die Aggregation von Bildverarbeitungsanwendungen, so dass mehrere hochauflösende Videoströme, bidirektionale Steuersignale (z. B. I²C, GPIO und SPI) und Audiosignale über ein einziges physisches Kabel übertragen werden können. Dies vereinfacht die Verdrahtung und reduziert das Gewicht und die Komplexität in platzbeschränkten Designs.

In vielen modernen Anwendungen müssen mehrere Videoquellen (z. B. Kameras) und Peripheriegeräte (z. B. Sensoren oder Displays) gleichzeitig mit einem zentralen Prozessor kommunizieren.

GMSL3 unterstützt Datenraten von bis zu 6 Gbit/s pro serieller Spur, wobei Konfigurationen mit mehreren Spuren den Durchsatz weiter erhöhen können.

• Der MAX96793GTJ/VY+ ist ein kompakter GMSL3-Serialisierer, der bis zu vier Spuren von MIPI-CSI-2-Video einspeist und einen einzelnen GMSL3-Link mit 12 Gbit/s ausgibt, mit eingebauter Abwärtskompatibilität zu GMSL2 (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die GMSL3-Serialisierer MAX96793 mit eingebauter Abwärtskompatibilität zu GMSL2 bieten Entwicklern eine effiziente Lösung für hochauflösende Multi-Kamera-Systeme oder für die Aufrüstung von GMSL2. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Der MAX96792A von ADI ist ein leistungsstarker zweispuriger GMSL3/GMSL2-Deserialisierer, der zwei serielle Spuren für insgesamt 12 Gbit/s serialisierter Video-, Steuer- und Audiodaten zusammenfassen kann (Abbildung 2). Dies ermöglicht die Erfassung von Videos mit mehreren Kameras oder hoher Auflösung über zwei MIPI-CSI-2-Schnittstellen und bietet die Voraussetzungen für moderne Fahrerassistenzsysteme, autonome Fahrzeuge, moderne maschinelle Bildverarbeitung und andere Anwendungen mit hohen Bandbreiten. Die Unterstützung von GMSL3 und GMSL2 vereinfacht Upgrades für verschiedene Produktlinien. (Bei Betrieb im GMSL2-Modus könnte er mit dem GMSL2-Serialisierer MAX96717RGTJ/V+ gekoppelt werden).

Abbildung 2: Der zweispurige GMSL3/GMSL2-Deserialisierer MAX96792A bietet Funktionen für moderne Bildverarbeitungsanwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Entwickler können die Vorteile von Evaluierungsboards und Entwicklungskits nutzen, um GMSL3-Funktionen zu erkunden und Prototypen mit echter Hardware zu erstellen.

• Das MAX96793-ACK-EVK# (Abbildung 3) mit dem Serialisierer-IC MAX96793 ermöglicht Entwicklern das schnelle Prototyping und Testen von Highspeed-GMSL3- und -GMSL2-Videolinks, indem es den MIPI-CSI-2-Eingang in einen GMSL3-Ausgang mit bis zu 12 Gbit/s über Koax oder STP umwandelt.

Abbildung 3: Das MAX96793-ACK-EVK# bietet die Möglichkeit, GMSL3-Anwendungen mit dem Serialisierer MAX96793 zu prototypisieren. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

• Das Evaluierungsboard MAX96792A-BCK-EVK# (Abbildung 4) für den MAX96792A ist ein zweispuriges GMSL3/GMSL2-Deserialisierer-Evaluierungsboard, das den GMSL3-Betrieb mit zwei 6-Gbit/s-Spuren (insgesamt 12 Gbit/s) über Koaxialkabel oder STP via PAM-4-Signalisierung mit allen Funktionen demonstriert.

Abbildung 4: Das Evaluierungskit MAX96792A-BCK-EVK# enthält einen GSML3-Deserialisierer für Prototyping-Anwendungen. (Bildquelle: Analog Devices, Inc.)

Breite Akzeptanz und robustes Ökosystem

Die GMSL-Technologie von ADI hat sich in der Automobilindustrie, der Industrie, der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt durchgesetzt. Ihre Kombination aus Highspeed-Videoübertragung, Stromversorgung, EMI-Beständigkeit und Integration auf Systemebene hat es zu einem De-facto-Standard für Hochleistungs-Bildverarbeitungssysteme gemacht, bei denen offene Protokolle nicht ausreichen.

ADI bietet eine bewährte, skalierbare Plattform für den Einsatz von Echtzeit-Video- und Sensorverbindungen in anspruchsvollen Umgebungen, unterstützt durch ein robustes Ökosystem von Serialisierern, Deserialisierern, Kameramodulen und Entwicklungstools.

Die Abwärtskompatibilität ist ein wesentliches Merkmal aller GMSL-Generationen. GMSL2 ist in vielen Konfigurationen abwärtskompatibel mit GMSL1, so dass bestimmte Serialisierer und Deserialisierer, die für GMSL2 entwickelt wurden, im GMSL1-Modus arbeiten können, wenn sie mit einem GMSL1-Gerät gekoppelt sind. Auf diese Weise können Entwickler ihre Entwürfe skalieren und dabei die vorhandene Hardware nutzen.

Während GMSL3 ein grundlegend anderes Signalisierungsprotokoll und eine Architektur mit höherer Geschwindigkeit verwendet, bietet ADI Komponenten an, die im dualen GMSL2- und GMSL3-Modus arbeiten. Dies gibt Entwicklern die Flexibilität, schrittweise System-Upgrades zu implementieren oder Produktlinien mit mehreren Plattformen anzubieten, z. B. ein High-End-Modell auf GMSL3-Basis und ein Low-End-Modell auf GMSL2-Basis.

Fazit

GMSL rationalisiert die Designkomplexität, reduziert die Verdrahtung und unterstützt die wachsende Nachfrage nach Daten mit hoher Bandbreite und niedriger Latenz in eingebetteten und Edge-Systemen. Die moderne Signalkonditionierung und Fehlerkorrektur von GMSL stellt sicher, dass Anwendungen auch unter rauen Bedingungen und über Entfernungen von 15 m oder mehr schnelle, hochintegrierte Verbindungen aufrechterhalten können, wohingegen andere Schnittstellen wie USB, HDMI oder MIPI CSi typischerweise über diese Entfernung eine Signalverschlechterung erleiden, insbesondere in verrauschten Umgebungen wie in Fahrzeugen oder Fabriken. Die Abwärtskompatibilität zwischen den GMSL-Generationen gewährleistet die nahtlose Integration neuerer Komponenten in bestehende Systeme und ermöglicht so schrittweise Upgrades ohne vollständige Neuentwicklung und trägt zu einem ausgewogenen Verhältnis zwischen Kosten, Leistung und Lieferkettenflexibilität bei.