智能汽車通信的主動(dòng)脈：GMSL與FPD-LINK技術(shù)及測試要點(diǎn)

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隨著汽車智能化和自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，車內(nèi)通信系統(tǒng)的重要性日益凸顯。車內(nèi)異步串行總線技術(shù)，如LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）、GMSL（Gigabit Multimedia Serial Link）和FPD-LINK（Flat Panel Display Link），已成為實(shí)現(xiàn)高性能攝像頭、高清視頻傳輸和高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的關(guān)鍵技術(shù)。本文將詳細(xì)介紹GMSL和FPD-LINK的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用場景以及泰克公司提供的先進(jìn)測試解決方案，幫助工程師應(yīng)對高速信號(hào)完整性測試的挑戰(zhàn)，確保車內(nèi)通信系統(tǒng)的可靠性和高性能。

GMSL

GMSL是美信公司推出的車載SERDES總線，廣泛應(yīng)用于高性能攝像頭和高清視頻連接。它支持在同軸電纜和屏蔽雙絞線上同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，具備高帶寬、低延遲、高可靠性和低功耗等關(guān)鍵特性。以130萬像素、18比特色彩深度和30fps幀率的廣角攝像頭為例，其帶寬需求已超過1Gbps。此外，GMSL還具備以下特點(diǎn)：

?   帶寬，以備份輔助廣角攝像頭為例，130萬像素，色彩深度18比特以及幀率30fps，包含其他諸如控制比特及直流平衡編碼，需要的帶寬或速率將超過1Gbps。

●   延遲，對于時(shí)速100公里的汽車來說，每秒行駛距離將達(dá)27.8m?？紤]到乘客及交通安全，低延遲非常關(guān)鍵。

●   可靠性，車輛全生命周期的磨損適應(yīng)性都必須要考慮，并且具備檢測工作運(yùn)行情況的能力

●   功耗，減少器件和電纜的數(shù)量且增加系統(tǒng)通信能力一直是保持系統(tǒng)成本低廉且價(jià)格具備競爭力的根本。

●   圖像質(zhì)量，基于視覺的目標(biāo)檢測依賴所需處理的圖片質(zhì)量，高質(zhì)量圖片是必須的。

GMSL代次對應(yīng)的攝像頭及顯示分辨率如下圖：

圖 當(dāng)前與下一代GMSL支持的攝像頭及顯示分辨率

圖 GMSL SERDES 支持多播視頻示例

GMSL SERDES芯片自帶SSC功能，以降低鏈路的EMI干擾?？紤]到附加的供電與地線要求，GMSL芯片也具備power-over-coaxial架構(gòu)來應(yīng)對降低車重的挑戰(zhàn)。具備雙向控制信道。為了降低系統(tǒng)成本減少設(shè)計(jì)時(shí)間，GMSL具備菊花鏈?zhǔn)竭B接多個(gè)攝像頭模組的能力。

圖 同軸GMSL系統(tǒng)頻帶使用方式

GMSL支持Power Over Coax（同軸供電）功能，要實(shí)現(xiàn)此功能，同軸內(nèi)導(dǎo)體頻譜被分為三個(gè)頻段：供電、反向信道數(shù)據(jù)、前向信道數(shù)據(jù)，如下圖所示。通過濾波將確切的頻段分配至對應(yīng)的電路。數(shù)據(jù)通道為AC耦合，通過收發(fā)機(jī)輸入端串聯(lián)電容實(shí)現(xiàn)。

直流供電采用串聯(lián)電感構(gòu)建濾波器的低通特性，并且反向信道和前向信道帶寬內(nèi)阻抗提升至1kΩ。由于數(shù)據(jù)通道采用50Ω端接，20倍的阻抗提升足以耦合直流電壓且濾除高頻成分。

圖 PoC示例

GMSL具備自適應(yīng)均衡能力，伴隨著12個(gè)不同的補(bǔ)償?shù)燃?，均衡器使得SERDES系統(tǒng)支持30m同軸及15m屏蔽雙絞線STP電纜長度。自適應(yīng)均衡可以周期性調(diào)整。

當(dāng)前GMSL采用了8b/10b編碼保證直流平衡，位于決定諸如攝像頭應(yīng)用中像素時(shí)鐘、總線寬度之前。

在新一代的GMSL Gen2中，芯片支持MIPI D-PHY v1.2，最高速率可至2Gbps，前向鏈路速率最高可達(dá)6Gbps，反向鏈路速率可達(dá)187.5Mbps。

FPD-LINK

FPD-LINK全稱是Flat Panel Display Link，最早是由NI于1996年推出的高速數(shù)字視頻接口（現(xiàn)在屬于德州儀器TI），用于將筆記本電腦、平板電腦、平板顯示器或 LCD 電視中圖形處理單元的輸出連接到顯示面板的時(shí)序控制器。 大多數(shù)筆記本電腦、平板電腦、平板顯示器和電視都在內(nèi)部使用該接口。其也屬于LVDS標(biāo)準(zhǔn)第一個(gè)大規(guī)模應(yīng)用的總線標(biāo)準(zhǔn)。

在車載應(yīng)用中，F(xiàn)PD-LINK通常用于導(dǎo)航系統(tǒng)、車內(nèi)娛樂、備份攝像頭以及高級輔助駕駛系統(tǒng)中。由于車載環(huán)境對于電子設(shè)備來說是最嚴(yán)苛的要求，當(dāng)前主要的FPD-LINK II及III芯片都需要滿足或者超過AEC-Q100汽車可靠性標(biāo)準(zhǔn)，以及ISO 10605 汽車ESD應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

FPD-LINK III標(biāo)準(zhǔn)最早在2010年引入，其相對于上一代FPD-LINK II的主要特征就是：

1)在同一對差分線上進(jìn)行雙向的通信傳輸。除了時(shí)鐘和流視頻數(shù)據(jù)之外，該雙向通道還可以在源和目標(biāo)之間傳輸控制信號(hào)。 因此，F(xiàn)PD-Link III 通過消除用于 I2C 和 CAN 總線等控制通道的電纜，進(jìn)一步降低了電纜成本。

2)另一個(gè)新功能，F(xiàn)PD-Link III 停止使用 LVDS 技術(shù)，僅使用 CML 處理串行化的高速信號(hào)。 這使其能夠在長度超過 10 m 的電纜上輕松地以超過 3 Gbit/s 的數(shù)據(jù)速率工作。 使用 CML 的另一個(gè)好處是同軸電纜驅(qū)動(dòng)能力。 CML 技術(shù)在驅(qū)動(dòng)同軸電纜中的單導(dǎo)體時(shí)效果很好。 由于同軸電纜非常擅長控制阻抗和噪聲，因此它們減少了對差分信號(hào)的需求，從而更好地容忍阻抗不連續(xù)性和噪聲干擾。

圖 典型的CML電路

3)FPD-Link III 的另一個(gè)額外好處是解串器中內(nèi)置的自適應(yīng)均衡。 解串器的輸入信號(hào)通常具有降低的完整性。 這通常是由電纜損耗引起的符號(hào)間干擾 (ISI) 造成的。 自適應(yīng)均衡器可以感知較差的信號(hào)并將其恢復(fù)到原始的完整性。

汽車制造商差異化的方式之一是提供更先進(jìn)的信息娛樂系統(tǒng)，一些豪華車型配備多達(dá) 10 到 15 個(gè)顯示面板以及更復(fù)雜的處理和功能。 另一方面，入門級車型正在為駕駛員提供基本的中央信息顯示器 (CID) 和數(shù)字儀表盤。 在入門級車輛中提供功能齊全的信息娛樂系統(tǒng)的力度也越來越大，該系統(tǒng)仍然可以使用復(fù)雜的數(shù)字處理器以成本和空間有效的方式驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器。

圖 汽車座艙中的多屏顯示

而采用FPD-LINK III的串行器和解串器，可以靈活的通過一路或多路DSI接口，利用虛擬信道或者同步、異步的分割方式實(shí)現(xiàn)在多個(gè)顯示屏的輸出。 如下圖所示：

圖 智能座艙中FPD-LINKIII多屏顯示應(yīng)用，參考TI

隨著攝像頭及屏幕的分辨率不斷提高，也使得FPD-LINK以及GMSL等車內(nèi)SERDES總線的速率在不斷推高，由此帶來的信號(hào)完整性問題也會(huì)使得測試更加復(fù)雜。

泰克GMSL/FPD-LINK測試解決方案

由于GMSL/FPD-LINK采用了在高速串行信號(hào)中復(fù)用了反向控制信號(hào)，如果不能關(guān)閉反向控制信號(hào)或者在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中想驗(yàn)證高速串行信號(hào)的諸如抖動(dòng)和眼圖等信號(hào)質(zhì)量，工程師在測試中往往還需要通過數(shù)字濾波器來濾除控制信號(hào)。但同時(shí)工程師還面臨著如何進(jìn)行準(zhǔn)確的信號(hào)采集、時(shí)鐘恢復(fù)設(shè)定以及S參數(shù)嵌入去嵌和均衡方式的設(shè)定等種種挑戰(zhàn)。

圖 車內(nèi)高速信號(hào)隨著分辨率提高不斷演進(jìn)

工程師可以利用泰克數(shù)學(xué)運(yùn)算中引入數(shù)字濾波器的方式進(jìn)行自定義的信號(hào)選擇，如下圖所示的GMSL Gen2的信號(hào)，其中疊加了187.5Mbps的反向控制信號(hào)。這個(gè)信號(hào)的存在使得高速串行信號(hào)的高低電平存在劇烈的波動(dòng)：

圖 GMSL Gen2實(shí)際信號(hào)示例

而通過在泰克示波器中的Math通道應(yīng)用自定義濾波器，可以將相對低速的控制信號(hào)濾除，從而得到需要分析的高速串行信號(hào)方便進(jìn)行后續(xù)的抖動(dòng)、眼圖模板等測試，如下圖中橙色的數(shù)學(xué)通道波形即為濾出的高速信號(hào)：

圖 濾除控制信號(hào)前后的GMSL Gen2信號(hào)對比

同時(shí)泰克在DPO/MSO70000系列示波器上還具備GMSL以及FPD-LINK的自動(dòng)化測試軟件，其向?qū)Чδ芸梢苑浅７奖憧旖菀龑?dǎo)工程師按步驟進(jìn)行通道選擇、信號(hào)分析、模板選擇和編輯的設(shè)定，降低學(xué)習(xí)成本，增強(qiáng)工程師操作的信心：

圖 泰克GMSL/FPD-LINK示例軟件向?qū)Ы缑?/em>

并且軟件可以自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)清晰的測試報(bào)告，支持在線和離線的波形分析，方便工程師在不同工作地點(diǎn)的協(xié)同測試和分析：

圖 泰克GMSL/FPDLINK測試結(jié)果示意圖

該測試方案的組成由泰克MSO/DPO70000系列示波器、探頭以及軟件構(gòu)成：