GMSL助力简化车载安防系统并提升视频性能

作者：Yaxian Li，ADI公司应用工程师

摘要
千兆多媒体串行链路(GMSL™)是一种应用广泛的SERDES（串行器/解串器）技术，适用于多种终端市场的摄像头应用场景。本文介绍了当前车载安防系统架构中的摄像头链路技术，及其核心特性与局限短板，同时深入分析了GMSL解决方案为何能成为传统IP摄像头和模拟摄像头解决方案的有力替代方案。

什么是车载安全系统？
车载安防系统用于公交车、出租车、卡车和其他类型车辆的智能监控、调度和应急响应，可实时监控车辆内部和周围环境，同时对车辆进行高精度定位。车载安全系统的视频分析功能能够实时、准确地检测到异常驾驶行为，随即向驾驶员发出警报，从而防患于未然，保障驾驶员与乘客的安全。当遭遇扒窃、交通事故等突发事件时，包含关键数据的视频片段可导出给执法机构作为取证依据。

车载安全系统通常由录像机、摄像头和监视器构成。图1展示了车载安防系统的典型方框图。


图1.车载安防系统方框图。

数字录像机(DVR)身兼数职，既是录像机，也是数据处理服务器。它会接收来自外部的各类信号，如摄像头、输入/输出(IO)设备、速度脉冲、全球导航卫星系统(GNSS)等发出的信号，将视频录制数据存储于本地硬盘，并通过监视器和扬声器与用户交互，同时借助局域网(LAN)端口或3G/4G/5G网络与云端进行通信。DVR通常安装在驾驶座附近。图2展示了公交车内安装的DVR示例。


图2.公交车车载安防系统示例，展示了驾驶座摄像头、数字录像机(DVR)和监视器。

图2还展示了安装在驾驶座上方的摄像头（用于监控驾驶员行为），以及安装在驾驶舱前门处的摄像头（用于监控前门和过道）。同样，车厢内车门上方也装有摄像头，用于监控客流情况，为驾驶员判断关门时机提供依据（图3）。监视器/屏幕通常安装在驾驶座附近，方便驾驶员查看。监视器不仅提供与DVR及整个车载安全系统的交互界面，还能实时显示各个位置摄像头回传的实时画面，以便驾驶员更好地做出判断。


图3.公交车车载安防系统示例，展示了监控后门的摄像头。

图4是另一个监视器安装示例，其用途是方便乘客观察公交车二层的座位情况。


图4.公交车车载安防系统示例，向乘客展示公交车二层的座位情况。

车载安防系统本质上是车载闭路电视(CCTV)系统，为驾驶员观察车内情况和盲区提供了便利视角，同时还能向远程车辆指挥调度中心实时传输车辆运行数据和图像。

录像机、摄像头与监视器的传统解决方案
图5展示了一种常见的DVR硬件解决方案，其中的主要信号链路如下：外部模拟摄像头的模拟视频信号传输至视频模数转换器（ADC，又称视频解码器），由ADC将模拟视频信号（即复合视频基带信号(CVBS)、模拟高清(AHD)信号或传输视频接口(TVI)信号）转换/解码为数字视频信号，例如BT656。通常，CVBS可传输的最大分辨率为576i，而TVI则能传输8K12.5p的信号。模拟音频信号的处理方式与之类似，会被转换为I2S格式。一般而言，片上系统(SoC)本身配备视频输出端口，用于输出用户交互界面的视频流，通常为HDMI®、VGA或CVBS接口。


图5.典型的DVR硬件系统方框图。

图6展示了一种经过简化的模拟摄像头系统，借助视频处理器的功能来提升图像质量。图像传感器将捕获的光线转换为数字信号，然后通过MIPI、UART/I2C、GPIO等接口输入至视频处理器。视频处理器起到核心作用，它运用了多种技术，例如，通过色彩空间转换，确保与各类显示标准兼容；通过图像校正，调整光学畸变；通过曝光补偿，优化不同光照条件下的图像清晰度。

处理完成后，输出信号被传送至TVI/AHD/CVBS编码器，将处理后的信号编码为适用于传统视频传输方案的标准视频格式，并通过75 Ω SMA连接器传输。

此外，系统中还包含电源电路，通过额外的电源连接器为整个设备供电。为增强控制与通信，系统还应有RS-232/晶体管-晶体管逻辑(TTL)低速连接器，以提供更多连接选择。


图6.典型的模拟摄像头硬件方框图。

图7描绘了IP摄像头系统的架构，可将原始传感数据转换为数字图像，供摄像头控制器处理和分析。

处理的第一阶段发生在MIPI物理层(PHY)，传感器输出在此完成初步数字转换。该接口将图像MIPI数据包解码至像素级别，以便摄像头控制器进行分析和调整。

数据随后传输至摄像头控制器，这一核心元件负责协调数据流转并为后续处理做好铺垫。与之相连的是媒体访问控制(MAC)以太网PHY，负责管理网络通信，处理数据包的格式化、寻址和网络传输，确保摄像头与网络系统实现无缝对接。

最后，另一端以太网PHY将以太网数据包转换为可供SoC最终处理的RGMII。SoC整合所有输入信息，执行复杂计算并基于整合的视频数据做出决策。这套流程确保IP摄像头系统不仅能捕获图像，还能随时用于安防、监控和分析应用。


图7.典型的IP摄像头硬件方框图。

模拟摄像头的线缆需要75 Ω同轴电缆传输模拟视频信号，并使用独立的电源线传输电力，此外还需额外的RS-232或RS-485线缆来传输控制信号。参见图8。


图8.模拟摄像头的同轴电缆。

IP摄像头的线缆是标准以太网电缆，如CAT3或CAT5。若不支持以太网供电(PoE)，则需额外配置电源线。以太网电缆由四对双绞线构成（图9），绞合设计可减少信号干扰。


图9.IP摄像头的以太网电缆。

图10展示了监视器系统方框图，描绘了一个的复杂系统框架，用于管理DVR和显示视频信号。位于方框图核心的微控制器，负责协调各类输入和输出以确保运行流畅。

从左侧开始，AVI通过75 Ω连接器连接至系统。随后，模拟视频信号被送入TVI/AHD/CVBS解码器。解码器将多种视频格式转换为标准化数字输出。

通过I2C接口连接的控制器负责处理这些数字数据，是多个关键通路的枢纽。它直接与LCD显示屏及其触控集成电路(IC)通信，通过脉冲宽度调制(PWM)调光来控制亮度等，并处理来自触控面板的输入。

额外的通信接口包括RS-422/TTL和GPIO，分别支持远距离数据传输和通用输入/输出任务。这些特性对于调节显示设置、集成附加功能等交互任务而言至关重要。


图10.典型的监视器硬件方框图。

需要注意的是，连接监视器的线缆除了传输点对点信号和模拟视频信号的线缆外，还需配备传输RS-422信号的线缆（图11）。


图11.RS-422连接器引脚信号。

传统CCTV硬件解决方案需配备多种线缆，包括视频编解码线缆、同轴电缆、以太网电缆、电源线以及控制信号(RS-422/RS-485/RS-232)线缆，会增加安装的复杂性与成本。

GMSL的特性可应用于车载安全系统
摄像头和显示屏的数量不断增加，图像质量不断提高，因此需要更高的数据速率进行视频传输。ADI公司的千兆多媒体串行链路(GMSL)技术能够满足此类需求，并在此过程中简化系统架构并降低成本。GMSL可链接和传输相机到计算机、计算机之间或从计算机到显示屏的视频。GMSL的创新持续延伸至下一代技术，进一步为更高性能的计算机应用和软件定义应用赋能，使之具备更先进的功能与能力。

新一代GMSL向后兼容上一代产品，轻松解决了代际过渡问题。

GMSL可通过单根同轴电缆或屏蔽双绞线(STP)，传输高级驾驶辅助系统(ADAS)传感器所需的所有信号（如MIPI-CSI、I2C、GPIO等）。如图12所示，采用GMSL连接的摄像头通常只需一个连接器，即可满足视频、供电、控制、同步、触觉反馈、触控、软件更新、状态报告等多种需求。由此大幅降低了系统的重量、能耗、音视频成本及复杂性。

我们的解决方案在SERDES市场中具有性能优势，目前量产产品的数据速率高达12 Gbps。GMSL拥有100多个经过优化的部件，可确保满足小尺寸系统和低功耗要求。

ADI公司已大幅扩展了面向摄像头与显示应用的GMSL产品系列，市场覆盖范围广泛。表1列出了最新GMSL2/GMSL3串行器的主要参数与特性，表2则展示了GMSL2/GMSL3解串器的对应参数与特性。所支持的视频接口包括LVDS、HDMI和MIPI CSI-2。其中，MAX9295D可与表1中标记为“向后兼容GMSL1”的器件配对使用。

GMSL方案带来的优势与潜力
表1和表2所示的最大前向链路速率，指的是GMSL协议在串行链路上编码的比特率。与此同时，I2C、UART、GPIO等控制信号也通过该链路进行传输。表3对比了市场上与GMSL解决方案形成竞争的部分主流监控摄像头解决方案的性能参数。


图12.典型的GMSL硬件方框图。

表1.串行器及参数

        特性  MAX96717/MAX96717F/MAX96717R  MAX9295D  MAX96793  MAX96751
  产品系列  GMSL2  GMSL2  GMSL3  GMSL2
  向后兼容  　  GMSL1  GMSL2  　
  最大前向链路速率  6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps）  6 Gbps  12 Gbps  6 Gbps
  GMSL链路  1  1  1  2
  视频接口  CSI-2 DPHY  CSI-2 DPHY  CSI-2 DPHY  HDMI 1.4/2.0，
  2.5  Gbps/通道，  2.5 Gbps/通道，  2.5 Gbps/通道，  1个端口 × 4个通道，支持HDMI音频
  1个端口 × 4个通道  2个端口 × 4个通道  1个端口 × 4个通道；  　
  （版本R为0.6  Gbps/通道）  　  CSI-2 CPHY  　
  　  　  3.42 Gbps/通道  　
  　  　  1个端口 × 2个通道  　
  封装尺寸  5 mm × 5 mm，32个引脚  7 mm × 7 mm，48个引脚  5 mm × 5 mm，32个引脚  8 mm × 8 mm，56个引脚
  反向通道  I2C/UART/SPI（版本R仅支持I2C）  I2C/UART/SPI  I2C/UART/SPI  I2C/UART/SPI/I2S
  ASIL额定值  ASIL-B（版本R支持QM）  ASIL-B  ASIL-B  ASIL-B
  水印  　  是  　  是
  温度级  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C

表2.解串器及参数

         特性  MAX96714/ MAX96714F/ MAX96714R  MAX96716A/MAX96716F  MAX96724/MAX96724F/ MAX96724R  MAX96792A  MAX96752
  产品系列  GMSL2  GMSL2  GMSL2  GMSL3  GMSL2
  向后兼容  GMSL1  　  GMSL1  GMSL2  　
  GMSL链路  1  2  4  2  2
  最大前向链路速率  6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps）  6 Gbps（版本F支持3 Gbps）  6 Gbps（版本F和R支持3 Gbps）  12 Gbps  6 Gbps
  　  　  DPHY  DPHY，2.5 Gbps/通道  DPHY  　
  　  　  2.5 Gbps/通道  CCPHY，5.7 Gbps/通道  2.5 Gbps/通道  OLDI
  视频接口  DPHY 2.5 Gbps/  2个端口 × 4个通道  DPHY和CPHY均支持：  2个端口 × 4个通道  1个端口 × 4个通道，
  通道  CPHY  2个端口 × 4个通道  CPHY  2个端口 × 4个通道，
  1个端口 × 4个通道  4.56 Gbps/通道  4个端口 × 2个通道  5.7 Gbps/通道  1个端口 × 8个通道
  　  　  2个端口 × 2个通道  1个端口 × 4个通道 +  2个端口 × 2个通道（不适用于版本R）  2个端口 × 2个通道  　
  封装尺寸  5 mm × 5 mm，32个引脚  7 mm × 7 mm，48个引脚  8 mm × 8 mm，56个引脚  7 mm × 7 mm，48个引脚  8 mm × 8 mm，56个引脚
  反向通道  I2C/UART  I2C/UART/SPI  I2C/UART  I2C/UART/SPI  I2C/UART/SPI/I2S
  （版本R仅支持I2C）
  ASIL额定值  ASIL-B（版本R支持QM）  ASIL-B  ASIL-B（版本R支持QM）  ASIL-B  ASIL-B
  温度级  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C  -40°C至+105°C

表3.3种摄像头解决方案的对比

       解决方案  模拟摄像头  IP摄像头  GMSL摄像头
  编码方案  CVBS/TVI  H.264/H.265  GMSL
  最高分辨率  CVBS：576i (PAL) TVI：8 M，12.5  P  4k，最高8k  GMSL3：8 MP，60 P
  GMSL2：8 MP，30 P
  视频延迟  CVBS：~60 ms TVI：~100  ms  200 ms至500 ms  非常低、确定性、微秒级
  通过线缆传输控制数据  CVBS：否  是  是，支持I2C/UART/SPI/GPIO
  TVI：是，仅支持I2C
  线缆供电  不支持  PoE，复杂，有源元件  PoC，简单，无源网络
  硬件复杂性  复杂的摄像头设计  复杂的摄像头设计  简化的摄像头设计

图13展示了GMSL摄像头系统的硬件方框图。


图13.典型的GMSL摄像头硬件系统。

与图6和图7相比，GMSL SERDES解决方案大幅减少了摄像头模块所需的元器件数量。GMSL SERDES能够同时双向传输I2C/UART/SPI/GPIO信号，使SoC可通过GMSL访问远程图像传感器的其他外设，例如惯性测量单元(IMU)、G传感器、LED控制器以及其他水平旋转/垂直倾斜/变焦(PTZ)控制信号。GPIO的延迟达到微秒级，用户因而能够通过GPIO触发单帧图像采集。GMSL摄像头的外部接口仅需一根50 Ω同轴电缆或一对屏蔽双绞线。

MAX96717/MAX96793系列支持反向通道参考时钟(RoR)，即由解串器通过反向通道传输的时钟，使得传感器板可省去晶体振荡器（图14）。RoR省去晶体振荡器后，能带来多重优势：降低系统成本、提升可靠性、减少晶体振荡器使用量，同时简化电路板布局。


图14.RoR信号链图。


图15.典型的GMSL显示屏硬件系统。

从图13和图15可见，GMSL SERDES的视频接口和控制接口直接与图像传感器和LCD面板相连，省去了微控制器(MCU)、视频编解码器、RS-485/RS-232收发器及其他连接器。此外，GMSL SERDES解决方案还具备多项优势：更大的视频带宽、超低且确定性的视频延迟、极为简化的硬件设计，而且仅需一根低成本同轴电缆或屏蔽双绞线(STP)就能实现外部连接。

结语
GMSL SERDES解决方案是现有车载DVR方案的有效替代方案，不仅能降低板载材料与线缆成本，还可提供更高的视频带宽和更低的视频延迟。

参考文献
1 “理解模拟视频信号”，ADI公司，2002年9月。
2 Ferenc Barany，“AN-945：模拟视频的系统带宽与分辨率对比”，ADI公司，2007年11月。
3 Kainan Wang，“千兆多媒体串行链路(GMSL)摄像头用作GigE Vision摄像头的替代方案”，模拟对话，第57卷，2023年12月。

作者简介
Yaxian Li是ADI都柏林技术支持团队的应用工程师。他于2018年毕业于杭州电子科技大学，获电气工程及自动化专业学士学位，随后在2020年加入Maxim Integrated（现已并入ADI）。他的研究方向为千兆多媒体串行链路(GMSL)和射频(RF)技术。