全球部署超 5 亿个节点,这个总线技术为汽车智能化趋势下数据狂飙开道

汽车产业高速发展的主要驱动力正由过去聚焦于动力系统,逐渐拓展为不断提高的智能化需求。智能座舱与高级辅助驾驶系统(ADAS)作为消费者能感知到的直观体验,各大品牌车企也都在积极秀肌肉的路上疯狂「内卷」——例如各自推出配置 33 英寸、分辨率高达 9K 的 LED 超大连屏,部署中控、副驾双 15.7 英寸 3K OLED 双联屏以及后排顶部大尺寸吸顶屏,6 颗 800 万像素摄像头和 5 颗 200 万像素摄像头以及 1 个毫米波雷达 +12 个超声波雷达 +1 个激光雷达等感知部件……

汽车从单纯的交通工具演变为移动出行空间的理念趋势之下,车载功能越来越复杂,指数级增长的数据传输及实时性处理,对汽车内部通讯网络提出高带宽、低延迟和高可靠性的全新要求,已成为汽车制造商面临的最大挑战之一。在业界各大半导体厂商纷纷祭出的杀手锏中,亚德诺(ADI)公司的 GMSL(千兆多媒体串行链路)凭借更快聚合数据、能够保持用于安全应用的数据的完整性、支持系统在车辆的多个屏幕上显示不同内容等优势,在接近 20 年的进化历程中逐渐脱颖而出,成功于全球车辆中部署超过 5 亿个 GMSL 通讯节点,助力汽车实现更舒适智能的驾乘体验与更安全的自动驾驶目标。

汽车智能网联大风起,GMSL 铺设数据传输的「高速公路」

高级辅助驾驶系统、高清影音娱乐、多传感器融合、车身智能控制等都变得愈加复杂,并逐渐成为智能汽车的标配,这些配置模块之间的控制信息和音视频数据吞吐量少则数百 Mbps,多则可达几十 Gpbs,在传统汽车中是无法想象的量级。因此,实现高速、高可靠、低延时的数据传输系统变得前所未有的重要。

相较并行总线,SerDes(Serializer/Deserializer,串行器 / 解串器)是当前主流的时分多路复用、点对点的串行通信技术,不存在信号线间的干扰,而且也没有同一时序要求,只需提高频率就能进行更高数据流传输,能有效满足车载高带宽数据实时传输需求。据研究机构 Kingpin Market Research 预测,至 2026 年全球车载 SerDes 市场规模将从 2020 年的 1.94 亿美元增至 3.49 亿美元,2021-2026 年的复合年增长率为 10.3%。

ADI GMSL 技术作为 SerDes 的一种,串行器与解串器芯片的互操作性允许链路两侧使用不同接口,广泛适用于车内 UHD 视频、音频、控制信息、组合传感器等数据的高速传输。GMSL 通信介质支持长达 15m 同轴电缆或 10m-15m 屏蔽双绞线电缆,具有相当大的配置灵活性和成本优势,同时满足汽车行业最苛刻的电磁兼容要求。

GMSL 串行 / 解串数据传输架构示例图

随着汽车总线技术的不断演进,ADI GMSL SerDes 产品也持续迭代升级—— 2004 年问世的 MAX9247/9248 是 GMSL 第一代产品,1Gbps 的速率最大能传输 3 百万像素(1080p/30fps)的视频流数据;2017 年 GMSL 第二代产品的出现,整合了复杂的诊断功能,并将带宽提升至 6Gbps,可轻松传输 8 百万像素(4K/30fps)的视频流数据;如今 GMSL 第三代与第四代产品传输速率可达 12Gbps,在面向未来汽车信息娱乐和高级驾驶辅助系统所要求的高带宽、复杂模块互连和数据完整性保障上,相较行业其他解决方案竞争优势进一步凸显。

ADI 在 GMSL 差分信号传输产品上的研发历史

智能座舱多屏化演进 「不止于大」

梅赛德斯-奔驰母公司戴姆勒首席设计官戈登瓦格纳曾指出「屏幕是通往数字世界的窗口,屏幕是新的马力」。目前汽车座舱内除了中央控制台以外,驾驶控制装置的仪表板和后座娱乐显示屏的尺寸都在不断增大,分辨率也逐渐增加。不仅如此,汽车制造商还积极尝试增加后视镜显示屏来投射来自后置摄像头的图像等。未来的高清多屏互联不仅是尺寸更大、画质更清晰,还更灵活地与智能车机系统有效互联,将极大提升用户的驾乘体验,开辟完美「第三生活空间」。

中控显示屏越来越大越高清,对视频数据信息传输的带宽需求越来越高

从实现架构来看,车内显示屏数量与分辨率的提升,与车载 SoC 系统的互联复杂度与日俱增,一芯多屏架构将有望取代单芯单屏的传统方案,利用硬件虚拟化技术,在同一套硬件平台中实现对多个屏幕显示与交互的控制。基于 GMSL SerDes 技术可实现视频源数据从处理器单元到各个车载显示屏的回传,在多个屏幕上显示不同内容。作为一种双向的传输连接,GMSL 也能进行控制信号的传输和多路集成,例如显示屏的触摸检测与信息处理等。由于一个 GMSL 串行器最多可驱动四个解串器,因此理论上可同时传输四块屏幕的数据信息。

在支持车内显示屏像素的提升上,目前主流的 GMSL 第三代产品已能实现 800 万像素 4K 分辨率的视频数据传输,这得益于 GMSL 支持 VESA 和 MIPI 的显示串流压缩技术(DSC),该技术针对高端电子设备的高质量音视频传输需求,能实现 3:1 无损压缩的视频信号传输。 此外,兼容不同类型车载屏幕的数字接口是高速通讯链路设计的另一挑战,GMSL 不仅支持显示屏主流的 DP/eDP、DSI 等接口,也能支持绝大部分高清摄像头视频数据传输应用到的 MIPI CSI-2 接口。值得一提的是,GMSL 各代产品在芯片管脚上兼容 PCB 的设计,使新一代 SerDes 芯片可向前兼容匹配,帮助客户无缝进行 SerDes 产品的升级替换,降低整体成本的同时简化座舱系统的数据传输链路布局设计。

ADAS 影像高速传输需与数据安全并重

智能网联汽车技术进入落地关键期,体现到整车上是越来越多新车通过高分辨率摄像头来满足智能驾驶时代对于环境感知的高标准。伴随 ADAS 逐渐升级和加速渗透,叠加各车企硬件冗余性高,预计至 2025 年平均单车高清摄像头搭载量有望接近 10 颗。与此同时,800 万像素摄像头渗透率的逐渐走高,让车能「看」得更清更远更广,满足更多应用场景需求。

由于摄像头通常只负责采集输出原始的视频信号,除了更高像素的「眼睛」外,还需无损无延时的传输「视觉神经」以及高算力的中央处理器「大脑」。更高帧率和分辨率的视频信号传输给总线带宽带来更大压力,ADAS 系统实时接收信号并加以分析作出响应,还需考虑实现整个系统的成本和功耗。

GMSL 全面支持 ADAS 系统所要求的高速数据传输和信号完整性保障,包括摄像头的超低功耗运行、传感器数据的快速汇聚等。由于 GMSL 技术具备视频切割功能,以 GMSL 四通道解串器 MAX9286 为例,其可自动生成摄像头同步信号,将多个传感器的图像数据对准到同一像素,实现关键参数的用户编程,集成方案可替代四个分立式解串器和一个 FPGA,仅需单芯片即可接收并同步来自 4 个摄像头的视频信号,大大降低电路板面积和元件数量,有效降低设计风险、加快产品上市进程。

GMSL 四通道解串器 MAX9286 可以同时支持四个摄像头的信号传输

不仅如此,GMSL 解串器内部集成了图像处理功能,在接收到 GMSL 串行化的数据后可直接进行解串与图像处理,根据客户需求进行多路图像信息的拼接还原,并呈现于车载显示屏上,节省了中央处理器平台进行图像处理的延时。GMSL 还支持同轴电缆电力传输(POC),因此可将串行器芯片集成至摄像头内部,直接实现由车机系统为摄像头运行供电。

值得一提的是,所有的 GMSL 解决方案都满足汽车功能安全标准 ASIL B 规范要求。由于 GMSL 串行器和解串器均内置扩频功能,有效改善了链路的电磁兼容性,而无需外部扩频时钟,这也是 GMSL 产品解决方案的最大优势所在,能有效帮助客户的系统设计满足车规级标准。此外,GMSL 解决方案还提供链路诊断功能,实时对信道的传输质量以及数据完整性做监测,通过提高汽车 ADAS 数据可靠性从而增强行驶安全性。

数据完整性是 ADAS 和信息娱乐系统的三大关键挑战之一

以创新数据总线连接技术,塑造互联和个性化汽车未来

步入数字经济时代,数据成为新的生产资料和关键生产要素,高带宽数据传输,正成为下一代整车电子架构的刚需。事实上,ADI 在高可靠性车用数据总线传输上做了大量的探索和卓有成效的产业技术输出。

同样是在智能座舱内,车用音频已经从过去单纯的娱乐系统向信号输入、触发、处理与反馈的方向发展,并开始与汽车驾驶紧密结合。ADI 创新性的 A2B 音频总线技术把原来传统的模拟音频传输转化成了数字音频传输方案,可提供高保真音频,并使音频布线重量减少 75%,从而提高燃油效率。除了让布线更简单外,A2B 还有更多的创新应用,比如更适应高级音频算法,可凭借 DSP 算法确保车内不同位置的音区独立性,以及实现回声消除、配合麦克风和功放进行 ANC 主动降噪等功能。

A2B 技术提供低延迟语音和音频连接

汽车也正快速成为使用以太网设备的主要应用之一,在汽车中广泛部署以太网是整车电子电气架构向以区域为导向过渡的关键之一,能大幅节省电缆成本,显著减少 ECU 数量,并且支持通过无线更新部署新功能和增强功能。ADI 基于新的 IEEE 10base T1S 标准的 E2B 以太网到边缘总线,为许多车载传感器和执行器提供高效、确定性的最后一公里连接,能够更轻松的管理整个车辆的复杂网络。

如今,汽车工业最大的变革正在同时发生,其一是电动化,其二便是智能化和网联化。作为世界领先的汽车半导体解决方案提供商,ADI 一直与优秀的汽车 OEM、一级供应商和生态系统合作伙伴密切合作,扩充核心技术并在系统和平台的维度强化完整方案提供优势。以 GMSL SerDes 技术为代表的 ADI 系列汽车连接解决方案,将帮助应对汽车数据传输链路设计的复杂性、重量和成本等一系列挑战,为汽车制造商带来巨大价值,共同塑造互联和个性化汽车的未来。

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