GMSL簡化車載安全系統設計並提升影像性能

作者：ADI 應用工程師Yaxian Li


問題:

相較於傳統影像傳輸鏈路（類比攝影機和網路攝影機），GMSL 解決方案具備哪些技術優勢，又能帶來哪些潛在機會？

Simplify On-Board Security Systems and Increase Video Performance with GMSL

答案:

傳統的影像傳輸解決方案，例如類比攝影機（採用 CVBS 編碼），其影像解析度為 480i，且無法透過同軸電纜對控制訊號進行編碼或傳輸電力。IP 攝影機的高延遲和高成本也為安防客戶帶來了設計上的限制。GMSL 影像傳輸解決方案的最大影像頻寬可達 12 Gbps，能夠透過同軸電纜傳輸視訊訊號、控制訊號和電力。這表示 GMSL 在提升影像傳輸性能的同時，還能顯著降低物料清單（BOM）成本。

摘要

千兆多媒體串列鏈路(GMSL™)是一種應用廣泛的SERDES（串列器/解串器）技術，適用於多種終端市場的攝影機應用場景。本文介紹了目前車載安防系統架構中的攝影機鏈路技術，及其核心特性與侷限性，同時深入分析了GMSL解決方案為何能成為傳統IP攝影機和類比攝影機解決方案的有力替代方案。

什麼是車載安全系統？

車載安全系統主要應用於公車、計程車、卡車和其他類型車輛的智慧監控、調度和應急回應，可即時監控車輛內部和周圍環境，同時對車輛進行高精度定位。車載安全系統的影像分析功能能夠即時、準確地感測到異常駕駛行為，隨即向駕駛人員發出警報，進而防患於未然，保障駕駛人員與乘客的安全。當遭遇扒竊、交通事故等突發事件時，包含關鍵資料等影像片段便可匯出提供執法機構作為取證依據。

車載安全系統通常由錄影機、攝影機和監視器構成。圖1展示了車載安全系統的典型方框圖。

Figure 1. An on-board security system block diagram.
圖1.車載安全系統方框圖。

數位錄影機(DVR)身兼數職，既是錄影機，也是資料處理伺服器。其會接收來自外部的各類訊號，如攝影機、輸入/輸出(IO)設備、速度脈衝、全球導航衛星系統(GNSS)等發出的訊號，將影像錄製資料儲存於本地硬碟，並透過監視器和喇叭與使用者互動，同時透過LAN連接埠或3G/4G/5G網路與雲端進行通訊。DVR通常安裝在駕駛座附近。圖2展示了公車內安裝的DVR示例。

Figure 2. An example of an on-board security system in a bus showing the driver seat camera, DVR, and monitors.
圖2.公車車載安防系統示例，展示了駕駛座攝影機、數位錄影機(DVR)和監視器。

圖2並展示了安裝在駕駛座上方的攝影機（用於監控駕駛人員行為），以及安裝在駕駛艙前門處的攝影機（用於監控前門和過道）。同樣，車廂內車門上方也裝有攝影機，用於監控客流情況，為駕駛人員判斷關門時機提供依據（圖3）。監視器/螢幕通常安裝在駕駛座附近，方便駕駛人員查看。監視器不僅提供與DVR及整個車載安全系統的互動介面，還能即時顯示各個位置攝影機回傳的即時畫面，以便駕駛人員能做出更好的判斷。

Figure 3. An example of an on-board security system in a bus showing cameras watching the back door.
圖3.公車車載安全系統示例，展示了監控後門的攝影機。

圖4是另一個監視器安裝示例，其用途是方便乘客觀察公車二層的座位情況。

Figure 4. An example of an on-board security system in a bus showing passengers the seating situation on the second floor of a bus.
圖4.公車車載安全系統示例，向乘客展示公車二層的座位情況。

車載安全系統本質上是車載閉路電視(CCTV)系統，為駕駛人員觀察車內情況和盲區提供了便利視角，同時還能向遠端車輛指揮調度中心即時傳輸車輛運行資料和圖像。

錄影機、攝影機與監視器的傳統解決方案

圖5展示了一種常見的DVR硬體解決方案，其中的主要訊號鏈路如下：外部類比攝影機的類比視訊訊號傳輸至影像類比數位轉換器（ADC，又稱影像解碼器），由ADC將類比視訊訊號（即複合影像基頻訊號(CVBS)、類比高解析度(AHD)訊號或傳輸影像介面(TVI)訊號）轉換/解碼為數位視訊訊號，例如BT656。通常，CVBS可傳輸的最大解析度為576i，而TVI則能傳輸8K12.5p的訊號。類比音訊訊號的處理方式與之類似，會被轉換為I2S格式。一般而言，系統單晶片(SoC)本身配備影像輸出埠，用於輸出使用者互動介面的影像流，通常為HDMI®、VGA或CVBS介面。

Figure 5. A typical DVR hardware system block diagram.
圖5.典型的DVR硬體系統方框圖。

圖6展示了一種經過簡化的類比攝影機系統，改系統主要藉由影像處理器的功能來提升圖像品質。圖像感測器將擷取的光線轉換為數位訊號，然後透過MIPI、UART/I2C、GPIO等介面輸入至影像處理器。影像處理器產生核心作用，其運用了多種技術，例如，透過色彩空間轉換確保與各類顯示標準相容、透過圖像校正調整光學畸變，以及透過曝光補償來優化不同光照條件下的圖像清晰度。

Figure 6. A typical analog camera hardware block diagram.
圖6.典型的類比攝影機硬體方框圖。

處理完成後，輸出訊號被傳送至TVI/AHD/CVBS編碼器，將處理後的訊號編碼為適用於傳統影像傳輸方案的標準影像格式，並透過75 Ω SMA連接器傳輸。

此外，系統中還包含電源電路，透過額外的電源連接器為整個設備供電。為增強控制與通訊，系統還應有RS-232/電晶體-電晶體邏輯(TTL)低速連接器，以提供更多連接選擇。

圖7描繪了IP攝影機系統的架構，可將原始感測資料轉換為數位圖像，供攝影機控制器處理和分析。

Figure 7. A typical IP camera hardware block diagram.
圖7.典型的IP攝影機硬體方框圖。

處理的第一階段發生在MIPI實體層(PHY)，感測器輸出在此完成初步數位轉換。該介面將圖像MIPI數據封包解碼至像素級別，以便攝影機控制器進行分析和調整。

資料隨後傳輸至攝影機控制器，此一核心元件負責協調資料流程轉並為後續處理做好鋪墊。與之相連的是媒體存取控制(MAC)乙太網路PHY，主要負責管理網路通訊，處理數據封包的格式化、定址和網路傳輸，確保攝影機與網路系統實現無縫對接。

最後，另一端乙太網路PHY將乙太網路數據封包轉換為可供SoC最終處理的RGMII。SoC整合所有輸入資訊，執行複雜運算並基於整合的影像資料做出決策。此套流程確保IP攝影機系統不僅能擷取圖像，還能隨時用於安防、監控和分析應用。

類比攝影機的線纜需要75 Ω同軸電纜傳輸類比視訊訊號，並使用獨立的電源線傳輸電力，此外還需額外的RS-232或RS-485線纜來傳輸控制訊號。參見圖8。

Figure 8. Coax cable for an analog camera.
圖8.類比攝影機的同軸電纜。

IP攝影機的線纜是標準乙太網路電纜，如CAT3或CAT5。若不支援乙太網路供電(PoE)，則需額外配置電源線。乙太網路電纜由四對雙絞線構成（圖9），絞合設計可減少訊號干擾。

Figure 9. An Ethernet cable for an IP camera.
圖9.IP攝影機的乙太網路電纜。

圖10展示了監視器系統方框圖，描繪了一個的複雜系統框架，用於管理DVR和顯示視訊訊號。位於方框圖核心的微控制器主要負責協調各類輸入和輸出以確保運行流暢。

Figure 10. A typical monitor hardware block diagram.
圖10.典型的監視器硬體方框圖。

從左側開始，AVI透過75 Ω連接器連接至系統。隨後，類比視訊訊號被送入TVI/AHD/CVBS解碼器。解碼器將多種影像格式轉換為標準化數位輸出。

透過I2C介面連接的控制器負責處理這些數位資料，是多個關鍵通路的樞紐。其直接與LCD顯示幕及其觸控積體電路(IC)通訊，透過脈衝寬度調變(PWM)調光來控制亮度等，並處理來自觸控面板的輸入。

額外的通訊介面包括RS-422/TTL和GPIO，分別支援遠距離資料傳輸和通用輸入/輸出任務。這些特性對於調節顯示設定、整合附加功能等交互任務而言非常重要。

需要注意的是，連接監視器的線纜除了傳輸點對點訊號和類比視訊訊號的線纜外，還需配備傳輸RS-422訊號的線纜（圖11）。

Figure 11. RS-422 connector pin signal.
圖11.RS-422連接器接腳訊號。

傳統CCTV硬體解決方案需配備多種線纜，包括影像編解碼線纜、同軸電纜、乙太網路電纜、電源線以及控制訊號(RS-422/RS-485/RS-232)線纜，均會增加安裝的複雜性與成本。

GMSL的特性可應用於車載安全系統

隨著攝影機和顯示螢幕的數量不斷增加，圖像品質不斷提高，因此需要更高的資料速率進行影像傳輸。ADI的千兆多媒體串列鏈路(GMSL)技術不僅能夠滿足此類需求，並在此過程中簡化系統架構並降低成本。GMSL可連結和傳輸相機到電腦、電腦之間或從電腦到顯示螢幕的影像。GMSL的創新持續延伸至下一代技術，進一步為更高性能的電腦應用和軟體定義應用賦能，使之具備更先進的功能與能力。

新一代GMSL向下相容於上一代產品，輕鬆解決了不同代產品的轉換問題。

GMSL可透過單根同軸電纜或遮罩雙絞線(STP)，傳輸先進駕駛輔助系統(ADAS)感測器所需的所有訊號（如MIPI-CSI、I2C、GPIO等）。如圖12所示，採用GMSL連接的攝影機通常只需一個連接器，即可滿足影像、供電、控制、同步、觸覺回饋、觸控、軟體更新、狀態報告等多種需求。由此大幅降低了系統的重量、能耗、音影像成本及複雜性。

Figure 12. A typical GMSL hardware block.
圖12.典型的GMSL硬體方框圖。

我們的解決方案在SERDES市場中具有性能優勢，目前量產產品的資料速率高達12 Gbps。GMSL擁有100多個經過優化的零組件，可確保滿足精巧尺寸系統和低功耗要求。

ADI已大幅擴展了因應攝影機與顯示應用的GMSL產品系列，市場覆蓋範圍廣泛。表1列出了最新GMSL2/GMSL3串列器的主要參數與特性，表2則展示了GMSL2/GMSL3解串器的對應參數與特性。所支援的影像介面包括LVDS、HDMI和MIPI CSI-2。其中，MAX9295D可與表1中標記為「向下相容GMSL1」的元件配對使用。

GMSL方案帶來的優勢與潛力

表1和表2所示的最大前向鏈路速率，指的是GMSL協定在串列鏈路上編碼的位元速率。與此同時，I2C、UART、GPIO等控制訊號也透過該鏈路進行傳輸。表3對比了市場上與GMSL解決方案形成競爭的部分主流監控攝影機解決方案的性能參數。

表1.串列器及參數
特性 MAX96717 MAX96793 MAX96751
產品系列 GMSL2 GMSL3 GMSL2
產品類型 攝像機 攝像機 顯示器
最大前向鏈路速率 6 Gbps
（版本F和R支援3 Gbps）		 12 Gbps 6 Gbps
GMSL鏈路 1 1 2
影像介面 CSI-2 DPHY,
2.5 Gbps/通道		 CSI-2 DPHY,
2.5 Gbps/通道
CSI-2 CPHY
3.42 Gbps/通道		 HDMI 1.4/2.0,
1個埠 × 4個通道，
支援HDMI音訊
視訊埠
設定 (DPHY)		 1個埠 × 4個通道 1個埠 × 4個通道 –
視訊埠
設定 (CPHY)		 – 1個埠 × 2個通道 –
封裝尺寸 5 mm × 5 mm，32個接腳 5 mm × 5 mm，32個接腳 8 mm × 8 mm, 56個接腳
反向通道 I2C/UART/SPI I2C/UART/SPI I2C/UART/SPI/I2S
ASIL額定值 ASIL-B ASIL-B ASIL-B
浮水印     是
溫度級 -40°C至+105°C -40°C至+105°C -40°C至+105°C
表2.解串器及參數
特性 MAX96716A MAX96724 MAX96792A MAX96752
產品系列 GMSL2 GMSL2 GMSL3 GMSL2
產品類型 攝像機 攝像機 攝像機 顯示器
GMSL鏈路 2 4 2 2
最大前向鏈路速率 6 Gbps 6 Gbps 12 Gbps 6 Gbps
影像介面 DPHY,
2.5 Gbps/通道

CPHY,
4.56 Gbps/通道		 DPHY,
2.5 Gbps/通道

CPHY,
5.7 Gbps/通道		 DPHY,
2.5 Gbps/通道

CPHY,
5.7 Gbps/通道		 OLDI

1 port × 4 通道
2 ports × 4 l通道
1 port × 8 通道
視訊埠
設定 (DPHY)		 2個埠 × 4個通道 2個埠 × 4個通道
4個埠 × 2個通道
1個埠 × 4個通道 +
2個埠 × 2個通道		 2個埠 × 4個通道 –
視訊埠
設定 (CPHY)		 2個埠 × 2個通道 2個埠 × 4個通道
4個埠 × 2個通道
1個埠 × 4個通道 +
2個埠 × 2個通道		 2個埠 × 2個通道 –
封裝尺寸 7 mm × 7 mm,
48個接腳		 8 mm × 8 mm,
56個接腳		 7 mm × 7 mm,
48個接腳		 8 mm × 8 mm,
56個接腳
反向通道 I2C/UART/SPI I2C/UART I2C/UART/SPI I2C/UART/SPI/I2S
ASIL額定值 ASIL-B ASIL-B ASIL-B ASIL-B
溫度級 -40°C至+105°C -40°C至+105°C -40°C至+105°C -40°C至+105°C
表3.3種攝影機解決方案的對比
解決方案 類比攝影機 IP攝影機 GMSL 攝影機
編碼方案 CVBS/TVI H.264/H.265 GMSL
最高解析度 CVBS: 576i (PAL)

TVI: 8 M, 12.5 P		 4k, 最高8k GMSL3: 8 MP, 60 P

GMSL2: 8 MP, 30 P
影像延遲 CVBS: ~60 ms

TVI: ~100 ms		 200 ms至500 ms 非常低、確定性、微秒級
透過線纜傳輸控制資料 CVBS: 否

TVI:是，僅支援 I2C		 是 是，支援 I2C/UART/SPI/GPIO
線纜供電 不支援 PoE，複雜，主動元件 PoC，簡單，被動網路
硬體複雜性 複雜的攝影機設計 複雜的攝影機設計 簡化的攝影機設計

圖13展示了GMSL攝影機系統的硬體方框圖。

Figure 13. A typical GMSL camera hardware system.
圖13.典型的GMSL攝影機硬體系統。

相較於圖6和圖7，GMSL SERDES解決方案大幅減少了攝影機模組所需的元件數量。GMSL SERDES能夠同時雙向傳輸I2C/UART/SPI/GPIO訊號，使SoC可透過GMSL存取遠端圖像感測器的其他周邊，例如慣性測量單元(IMU)、G感測器、LED控制器以及其他水準旋轉/垂直傾斜/變焦(PTZ)控制訊號。GPIO的延遲達到微秒級，用戶因而能夠透過GPIO觸發單幀圖像採集。GMSL攝影機的外部介面僅需一根50 Ω同軸電纜或一對遮罩雙絞線。

MAX96717/MAX96793系列支援反向通道參考時脈(RoR)，即由解串器通過反向通道傳輸的時脈，使得感測器板可省去晶體振盪器（圖14）。RoR省去晶體振盪器後能帶來多重優勢，例如：降低系統成本、提升可靠性、減少晶體振盪器使用量，同時簡化電路板佈局。

Figure 14. A RoR signal chain diagram.
圖14.RoR訊號鏈圖。

從圖13和圖15可見，GMSL SERDES的影像介面和控制介面直接與圖像感測器和LCD面板相連，省去了微控制器(MCU)、影像轉碼器、RS-485/RS-232收發器及其他連接器。此外，GMSL SERDES解決方案還具備多項優勢：更大的影像頻寬、超低且確定性的影像延遲、極為簡化的硬體設計，而且僅需一根低成本同軸電纜或遮罩雙絞線(STP)就能實現外部連接。

Figure 15. A typical GMSL display hardware system.
圖15.典型的GMSL顯示螢幕硬體系統。

結語

GMSL SERDES解決方案是現有車載DVR方案的有效替代方案，不僅能降低板載材料與線纜成本，還可提供更高的影像頻寬和更低的影像延遲。

參考文獻

1 「理解類比視訊訊號」，ADI，2002年9月。

2 Ferenc Barany，「AN-945：類比影像的系統頻寬與解析度對比」，ADI，2007年11月。

3 Kainan Wang，「千兆多媒體串列鏈路(GMSL)攝影機用於GigE Vision攝影機的替代方案」，類比對話，第57卷，2023年12月。