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作者：Yaxian Li，ADI公司應用工程師 摘要 千兆多媒體串行鏈路(GMSL™)是一種應用廣泛的SERDES（串行器/解串器）技術，適用于多種終端市場的攝像頭應用場景。本文介紹了當前車載安防系統架構中的攝像頭鏈路技術，及其核心特性與局限短板，同時深入分析了GMSL解決方案為何能成為傳統IP攝像頭和模擬攝像頭解決方案的有力替代方案。 什么是車載安全系統？ 車載安防系統用于公交車、出租車、卡車和其他類型車輛的智能監控、調度和應急響應，可實時監控車輛內部和周圍環境，同時對車輛進行高精度定位。車載安全系統的視頻分析功能能夠實時、準確地檢測到異常駕駛行為，隨即向駕駛員發出警報，從而防患于未然，保障駕駛員與乘客的安全。當遭遇扒竊、交通事故等突發事件時，包含關鍵數據的視頻片段可導出給執法機構作為取證依據。 車載安全系統通常由錄像機、攝像頭和監視器構成。圖1展示了車載安防系統的典型方框圖。 
圖1.車載安防系統方框圖。 數字錄像機(DVR)身兼數職，既是錄像機，也是數據處理服務器。它會接收來自外部的各類信號，如攝像頭、輸入/輸出(IO)設備、速度脈沖、全球導航衛星系統(GNSS)等發出的信號，將視頻錄制數據存儲于本地硬盤，并通過監視器和揚聲器與用戶交互，同時借助局域網(LAN)端口或3G/4G/5G網絡與云端進行通信。DVR通常安裝在駕駛座附近。圖2展示了公交車內安裝的DVR示例。
圖2.公交車車載安防系統示例，展示了駕駛座攝像頭、數字錄像機(DVR)和監視器。 圖2還展示了安裝在駕駛座上方的攝像頭（用于監控駕駛員行為），以及安裝在駕駛艙前門處的攝像頭（用于監控前門和過道）。同樣，車廂內車門上方也裝有攝像頭，用于監控客流情況，為駕駛員判斷關門時機提供依據（圖3）。監視器/屏幕通常安裝在駕駛座附近，方便駕駛員查看。監視器不僅提供與DVR及整個車載安全系統的交互界面，還能實時顯示各個位置攝像頭回傳的實時畫面，以便駕駛員更好地做出判斷。
圖3.公交車車載安防系統示例，展示了監控后門的攝像頭。 圖4是另一個監視器安裝示例，其用途是方便乘客觀察公交車二層的座位情況。
圖4.公交車車載安防系統示例，向乘客展示公交車二層的座位情況。 車載安防系統本質上是車載閉路電視(CCTV)系統，為駕駛員觀察車內情況和盲區提供了便利視角，同時還能向遠程車輛指揮調度中心實時傳輸車輛運行數據和圖像。 錄像機、攝像頭與監視器的傳統解決方案 圖5展示了一種常見的DVR硬件解決方案，其中的主要信號鏈路如下：外部模擬攝像頭的模擬視頻信號傳輸至視頻模數轉換器（ADC，又稱視頻解碼器），由ADC將模擬視頻信號（即復合視頻基帶信號(CVBS)、模擬高清(AHD)信號或傳輸視頻接口(TVI)信號）轉換/解碼為數字視頻信號，例如BT656。通常，CVBS可傳輸的最大分辨率為576i，而TVI則能傳輸8K12.5p的信號。模擬音頻信號的處理方式與之類似，會被轉換為I2S格式。一般而言，片上系統(SoC)本身配備視頻輸出端口，用于輸出用戶交互界面的視頻流，通常為HDMI®、VGA或CVBS接口。
圖5.典型的DVR硬件系統方框圖。 圖6展示了一種經過簡化的模擬攝像頭系統，借助視頻處理器的功能來提升圖像質量。圖像傳感器將捕獲的光線轉換為數字信號，然后通過MIPI、UART/I2C、GPIO等接口輸入至視頻處理器。視頻處理器起到核心作用，它運用了多種技術，例如，通過色彩空間轉換，確保與各類顯示標準兼容；通過圖像校正，調整光學畸變；通過曝光補償，優化不同光照條件下的圖像清晰度。 處理完成后，輸出信號被傳送至TVI/AHD/CVBS編碼器，將處理后的信號編碼為適用于傳統視頻傳輸方案的標準視頻格式，并通過75 Ω SMA連接器傳輸。 此外，系統中還包含電源電路，通過額外的電源連接器為整個設備供電。為增強控制與通信，系統還應有RS-232/晶體管-晶體管邏輯(TTL)低速連接器，以提供更多連接選擇。
圖6.典型的模擬攝像頭硬件方框圖。 圖7描繪了IP攝像頭系統的架構，可將原始傳感數據轉換為數字圖像，供攝像頭控制器處理和分析。 處理的第一階段發生在MIPI物理層(PHY)，傳感器輸出在此完成初步數字轉換。該接口將圖像MIPI數據包解碼至像素級別，以便攝像頭控制器進行分析和調整。 數據隨后傳輸至攝像頭控制器，這一核心元件負責協調數據流轉并為后續處理做好鋪墊。與之相連的是媒體訪問控制(MAC)以太網PHY，負責管理網絡通信，處理數據包的格式化、尋址和網絡傳輸，確保攝像頭與網絡系統實現無縫對接。 最后，另一端以太網PHY將以太網數據包轉換為可供SoC最終處理的RGMII。SoC整合所有輸入信息，執行復雜計算并基于整合的視頻數據做出決策。這套流程確保IP攝像頭系統不僅能捕獲圖像，還能隨時用于安防、監控和分析應用。
圖7.典型的IP攝像頭硬件方框圖。 模擬攝像頭的線纜需要75 Ω同軸電纜傳輸模擬視頻信號，并使用獨立的電源線傳輸電力，此外還需額外的RS-232或RS-485線纜來傳輸控制信號。參見圖8。
圖8.模擬攝像頭的同軸電纜。 IP攝像頭的線纜是標準以太網電纜，如CAT3或CAT5。若不支持以太網供電(PoE)，則需額外配置電源線。以太網電纜由四對雙絞線構成（圖9），絞合設計可減少信號干擾。
圖9.IP攝像頭的以太網電纜。 圖10展示了監視器系統方框圖，描繪了一個的復雜系統框架，用于管理DVR和顯示視頻信號。位于方框圖核心的微控制器，負責協調各類輸入和輸出以確保運行流暢。 從左側開始，AVI通過75 Ω連接器連接至系統。隨后，模擬視頻信號被送入TVI/AHD/CVBS解碼器。解碼器將多種視頻格式轉換為標準化數字輸出。 通過I2C接口連接的控制器負責處理這些數字數據，是多個關鍵通路的樞紐。它直接與LCD顯示屏及其觸控集成電路(IC)通信，通過脈沖寬度調制(PWM)調光來控制亮度等，并處理來自觸控面板的輸入。 額外的通信接口包括RS-422/TTL和GPIO，分別支持遠距離數據傳輸和通用輸入/輸出任務。這些特性對于調節顯示設置、集成附加功能等交互任務而言至關重要。
圖10.典型的監視器硬件方框圖。 需要注意的是，連接監視器的線纜除了傳輸點對點信號和模擬視頻信號的線纜外，還需配備傳輸RS-422信號的線纜（圖11）。
圖11.RS-422連接器引腳信號。 傳統CCTV硬件解決方案需配備多種線纜，包括視頻編解碼線纜、同軸電纜、以太網電纜、電源線以及控制信號(RS-422/RS-485/RS-232)線纜，會增加安裝的復雜性與成本。 GMSL的特性可應用于車載安全系統 攝像頭和顯示屏的數量不斷增加，圖像質量不斷提高，因此需要更高的數據速率進行視頻傳輸。ADI公司的千兆多媒體串行鏈路(GMSL)技術能夠滿足此類需求，并在此過程中簡化系統架構并降低成本。GMSL可鏈接和傳輸相機到計算機、計算機之間或從計算機到顯示屏的視頻。GMSL的創新持續延伸至下一代技術，進一步為更高性能的計算機應用和軟件定義應用賦能，使之具備更先進的功能與能力。 新一代GMSL向后兼容上一代產品，輕松解決了代際過渡問題。 GMSL可通過單根同軸電纜或屏蔽雙絞線(STP)，傳輸高級駕駛輔助系統(ADAS)傳感器所需的所有信號（如MIPI-CSI、I2C、GPIO等）。如圖12所示，采用GMSL連接的攝像頭通常只需一個連接器，即可滿足視頻、供電、控制、同步、觸覺反饋、觸控、軟件更新、狀態報告等多種需求。由此大幅降低了系統的重量、能耗、音視頻成本及復雜性。 我們的解決方案在SERDES市場中具有性能優勢，目前量產產品的數據速率高達12 Gbps。GMSL擁有100多個經過優化的部件，可確保滿足小尺寸系統和低功耗要求。 ADI公司已大幅擴展了面向攝像頭與顯示應用的GMSL產品系列，市場覆蓋范圍廣泛。表1列出了最新GMSL2/GMSL3串行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。所支持的視頻接口包括LVDS、HDMI和MIPI CSI-2。其中，MAX9295D可與表1中標記為“向后兼容GMSL1”的器件配對使用。 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協議在串行鏈路上編碼的比特率。與此同時，I2C、UART、GPIO等控制信號也通過該鏈路進行傳輸。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像頭解決方案的性能參數。
圖12.典型的GMSL硬件方框圖。 表1.串行器及參數
表2.解串器及參數
表3.3種攝像頭解決方案的對比
圖13展示了GMSL攝像頭系統的硬件方框圖。
圖13.典型的GMSL攝像頭硬件系統。 與圖6和圖7相比，GMSL SERDES解決方案大幅減少了攝像頭模塊所需的元器件數量。GMSL SERDES能夠同時雙向傳輸I2C/UART/SPI/GPIO信號，使SoC可通過GMSL訪問遠程圖像傳感器的其他外設，例如慣性測量單元(IMU)、G傳感器、LED控制器以及其他水平旋轉/垂直傾斜/變焦(PTZ)控制信號。GPIO的延遲達到微秒級，用戶因而能夠通過GPIO觸發單幀圖像采集。GMSL攝像頭的外部接口僅需一根50 Ω同軸電纜或一對屏蔽雙絞線。 MAX96717/MAX96793系列支持反向通道參考時鐘(RoR)，即由解串器通過反向通道傳輸的時鐘，使得傳感器板可省去晶體振蕩器（圖14）。RoR省去晶體振蕩器后，能帶來多重優勢：降低系統成本、提升可靠性、減少晶體振蕩器使用量，同時簡化電路板布局。
圖14.RoR信號鏈圖。
圖15.典型的GMSL顯示屏硬件系統。 從圖13和圖15可見，GMSL SERDES的視頻接口和控制接口直接與圖像傳感器和LCD面板相連，省去了微控制器(MCU)、視頻編解碼器、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：更大的視頻帶寬、超低且確定性的視頻延遲、極為簡化的硬件設計，而且僅需一根低成本同軸電纜或屏蔽雙絞線(STP)就能實現外部連接。 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，還可提供更高的視頻帶寬和更低的視頻延遲。 參考文獻 1 “理解模擬視頻信號”，ADI公司，2002年9月。 2 Ferenc Barany，“AN-945：模擬視頻的系統帶寬與分辨率對比”，ADI公司，2007年11月。 3 Kainan Wang，“千兆多媒體串行鏈路(GMSL)攝像頭用作GigE Vision攝像頭的替代方案”，模擬對話，第57卷，2023年12月。 作者簡介 Yaxian Li是ADI都柏林技術支持團隊的應用工程師。他于2018年畢業于杭州電子科技大學，獲電氣工程及自動化專業學士學位，隨后在2020年加入Maxim Integrated（現已并入ADI）。他的研究方向為千兆多媒體串行鏈路(GMSL)和射頻(RF)技術。 |
