Telecamere Gigabit Multimedia Serial Link come alternativa alle telecamere GigE Vision

Riepilogo

Gigabit Multimedia Serial Link™ (GMSL™) e Gigabit Ethernet (GigE) sono due tecnologie di collegamento diffuse per applicazioni con telecamere, spesso impiegate in mercati finali diversi. Questo articolo conduce un'analisi comparativa delle due tecnologie in termini di architetture di sistema, caratteristiche principali e limitazioni. Aiuterà a spiegare i fondamenti di entrambe le tecnologie e fornirà approfondimenti sul perché le telecamere GMSL rappresentano una valida alternativa alle telecamere GigE Vision®.

Contesto

GigE Vision è uno standard di interfaccia per telecamere di rete basato su infrastrutture e protocolli Ethernet. È ampiamente adottato in ambito industriale. GMSL di Analog Devices è una tecnologia di collegamento seriale punto-punto dedicata alla trasmissione di dati video, originariamente progettata per applicazioni di telecamere e display per autoveicoli.

Entrambe le tecnologie servono ad ampliare la portata dei dati video provenienti dai sensori di immagine, ma ciascuna soluzione ha le sue caratteristiche uniche. Nel corso degli anni abbiamo assistito all'adozione di un numero sempre maggiore di telecamere GMSL al di fuori del settore automobilistico, spesso come alternativa alle telecamere GigE Vision.

Architettura tipica del sistema

Collegamento del sensore di immagine

Le telecamere GigE Vision (mostrate nella Figura 1) sono solitamente costituite da tre componenti principali nella loro catena del segnale: un sensore di immagine, un processore e un PHY Ethernet. Il processore converte i dati delle immagini grezze provenienti dal sensore di immagini in frame Ethernet; il processo solitamente prevede l'elaborazione e la compressione delle immagini o il frame buffering per adattare la velocità dei dati alla larghezza di banda supportata da Ethernet.

Figura 1: Componente chiave della catena del segnale sul lato sensore per le telecamere GigE Vision.

La catena del segnale delle telecamere GMSL (mostrata nella Figura 2) è in genere più semplice, con solo un sensore di immagine e un serializzatore. Nelle applicazioni tipiche, il serializzatore converte i dati grezzi provenienti dal sensore di immagine e li invia tramite collegamento nel loro formato originale. Poiché queste telecamere non hanno bisogno di un processore, sono più semplici da progettare e più adatte per applicazioni che richiedono un fattore di forma ridotto e un basso consumo energetico.

Figura 2: Componente chiave della catena del segnale sul lato sensore per le telecamere GMSL.

Connessione al processore host

Le telecamere GigE Vision sono ampiamente accettate nel settore per la loro compatibilità con un'ampia gamma di dispositivi host. La porta Gigabit Ethernet è quasi una dotazione standard sui personal computer (PC) o sulle piattaforme embedded. Alcune telecamere GigE Vision possono funzionare con un driver universale per una vera esperienza plug-and-play.

Le telecamere GMSL richiedono deserializzatori sul lato host. Nella maggior parte dei casi d'uso, il dispositivo host è una piattaforma incorporata personalizzata con uno o più deserializzatori. I deserializzatori trasmetteranno i dati dell'immagine nel formato originale attraverso i loro trasmettitori MIPI dall'uscita MIPI del sensore di immagine. Per queste telecamere, è necessario un driver per ogni design personalizzato della telecamera, proprio come per qualsiasi altra telecamera MIPI. Tuttavia, se già si dispone di un driver per il sensore di immagine, sono necessari solo pochi registri di profilo o poche scritture di registri affinché la coppia SerDes possa trasmettere un flusso video dalle telecamere al SoC.

Utilizzando una sola telecamera, GigE Vision può presentare alcuni vantaggi rispetto a GMSL in termini di complessità del sistema, poiché può essere collegata direttamente a un PC o a una piattaforma integrata tramite una porta Ethernet. Tuttavia, quando vengono utilizzate più telecamere GigE, è necessario un interruttore Ethernet. Potrebbe trattarsi di un dispositivo con interruttore Ethernet dedicato, una scheda di interfaccia di rete (NIC) con più porte Ethernet o un circuito integrato con interruttore Ethernet tra più porte Ethernet e il SoC. In alcuni casi, ciò comporterà una riduzione della velocità massima totale dei dati e, cosa ancora peggiore, una latenza imprevedibile a seconda dell'interfaccia tra le telecamere e il dispositivo terminale. Vedere Figura 3.

Figura 3: Una tipica rete GigE Vision.

In un sistema di telecamere GMSL, un deserializzatore può connettere fino a quattro collegamenti con il proprio trasmettitore MIPI C-PHY o D-PHY per supportare l'intera larghezza di banda di tutte e quattro le telecamere. Finché il SoC è in grado di gestire la velocità totale dei dati, l'utilizzo di uno o più dispositivi GMSL non comprometterebbe la larghezza di banda né aumenterebbe in modo eccessivo la complessità del sistema.

Figura 4: Tipica connessione tra telecamere GMSL e host.

Confronto delle funzionalità

Interfaccia del sensore

I serializzatori GMSL supportano solo interfacce di sensori parallele LVDS (GMSL1) e MIPI (GMSL2/GMSL3). Poiché MIPI è l'interfaccia per sensori di immagine più diffusa per fotocamere consumer e automobilistiche, una fotocamera GMSL può utilizzare un'ampia gamma di sensori di immagine. Tuttavia, le telecamere GigE Vision sono più versatili nell'interfaccia del sensore, grazie al processore utilizzato al loro interno.

Specifiche video

Teoria del funzionamento

La figura 5 mostra un esempio di diagramma temporale di come i dati vengono trasmessi da un sensore di immagini a un collegamento GMSL o a una rete GigE in un flusso video continuo.

Figura 5: Diagramma temporale della trasmissione video.

In ogni fotogramma di un flusso video, un sensore di immagini invia dati subito dopo il periodo di esposizione e poi passa in uno stato di inattività prima dell'inizio del fotogramma successivo. Lo schema di esempio rappresenta meglio un sensore di otturatore globale. Per un sensore a otturatore rotante, ci sarà una sovrapposizione tra il periodo di esposizione e quello di lettura a livello di fotogramma, poiché l'esposizione e la lettura sono controllate individualmente per riga.

I serializzatori GMSL sul lato del sensore serializzano i dati provenienti dai sensori di immagine e li trasmettono immediatamente al collegamento tramite il loro protocollo proprietario.

Il processore delle telecamere GigE Vision memorizza e molto spesso elabora i dati provenienti dai sensori di immagine prima di organizzare i dati video in frame Ethernet e inviarli alla rete.

Velocità di collegamento

La velocità di collegamento specifica la velocità massima teorica dei dati trasmessi su un collegamento e spesso è la specifica chiave quando vengono confrontate tra loro diverse tecnologie di collegamento dati. GMSL2, GMSL3 e GigE Vision utilizzano tutti velocità di collegamento discrete e fisse.

GMSL2 supporta velocità di trasmissione dati di 3 Gbps e 6 Gbps. GMSL3 supporta una velocità di trasmissione dati di 12 Gbps e tutti i dispositivi GMSL3 sono retrocompatibili con i dispositivi GMSL2 che utilizzano protocolli GMSL2.

GigE Vision segue gli standard Ethernet. Le telecamere GigE, 2,5 GigE, 5 GigE e 10 GigE Vision sono spesso utilizzate in applicazioni comuni. Come suggeriscono i nomi, supportano velocità di collegamento che vanno rispettivamente da 1 Gbps a 10 Gbps. La telecamera all'avanguardia GigE Vision supporterà 100 GigE con una velocità di collegamento di 100 Gbps.1 Per GigE Vision, tutti i protocolli a velocità più elevata supporteranno retroattivamente i protocolli a velocità inferiore.

Sebbene la velocità di collegamento sia strettamente correlata alla risoluzione video, alla frequenza dei fotogrammi e alla latenza, è difficile effettuare un confronto diretto tra le due tecnologie basandosi solo sulla velocità di collegamento.

Velocità dati video effettiva

Nelle comunicazioni dei dati, la velocità dei dati effettiva descrive la capacità della velocità dei dati, escluso l'overhead del protocollo, e questo concetto si applica anche alle comunicazioni dei dati video. Solitamente, la quantità effettiva di dati video trasferiti è pari alla profondità di bit dei pixel × al numero di pixel in un pacchetto o in un frame. La figura 6 illustra la relazione tra dati video effettivi e overhead.

Figura 6: Carico utile e overhead in un frame/pacchetto di dati.

GMSL trasmette i dati video in pacchetti. I dispositivi GMSL2 e GMSL3 utilizzano dimensioni di pacchetto fisse, pertanto anche la velocità effettiva dei dati video è ben definita. Prendiamo come esempio i dispositivi GMSL2. Quando il collegamento è impostato a 6 Gbps, si consiglia di utilizzare una larghezza di banda video non superiore a 5,2 Gbps. Tuttavia, il collegamento comporta anche un certo tempo di overhead e di blanking derivante dall'interfaccia MIPI dei sensori, pertanto i 5,2 Gbps riflettono la velocità dei dati aggregati da tutti i canali di dati MIPI in ingresso, piuttosto che i 5,2 Gb di dati video al secondo.

Ethernet trasmette i dati in frame. GigE Vision non ha una dimensione di frame standard e solitamente fa parte del compromesso della soluzione software per migliorare l'efficienza (vantaggio di frame lunghi) o ridurre il ritardo (vantaggio di frame corti). Per queste telecamere, l'overhead generalmente non supera il 5%. Una velocità Ethernet più elevata ridurrà i rischi derivanti dall'utilizzo di frame lunghi per ottenere una velocità dati video effettiva migliore.

Entrambe le tecnologie trasmettono i dati in modo discontinuo. Di conseguenza, la velocità media dei dati su un periodo di tempo più lungo (su uno più frame video) potrebbe essere addirittura inferiore alla velocità dei dati video effettiva durante la trasmissione. Per le telecamere GMSL, il tempo di burst dipende esclusivamente dal tempo di lettura del sensore di immagine e il rapporto di burst nelle applicazioni reali può raggiungere anche il 100% per supportare la piena velocità dei dati video effettiva. Le telecamere GigE Vision potrebbero essere utilizzate in un ambiente di rete più complesso e imprevedibile, dove spesso hanno velocità di burst inferiori per evitare collisioni di dati. Vedere la Figura 7 come esempio.

Figura 7: Traffico di dati dalla rete GMSL e GigE Vision.

Risoluzione e velocità di frame

La risoluzione e la velocità di frame sono le due specifiche più importanti per le telecamere e sono i fattori principali che determinano velocità di collegamento più elevate. Per queste specifiche, entrambe le tecnologie presentano dei compromessi.

I dispositivi GMSL non offrono buffering ed elaborazione dei frame. La risoluzione e il frame rate dipendono tutti da ciò che il sensore di immagine o l'ISP dal lato del sensore possono supportare all'interno della larghezza di banda del collegamento e solitamente si tratta di un semplice compromesso tra risoluzione, frame rate e profondità di bit dei pixel.

Il modello di GigE Vision è più complesso. Sebbene in molti casi la velocità di collegamento utilizzabile sia inferiore a quella del GMSL, può supportare una risoluzione più elevata, un frame rate più elevato o entrambe le cose contemporaneamente, con buffering e compressione aggiuntivi. Tuttavia, ciò comporta il costo della latenza, il consumo energetico e componenti costosi su entrambi i lati del sistema della telecamera. In alcuni casi di utilizzo meno comuni, queste telecamere trasmettono anche dati di immagini grezze a una velocità di fotogrammi inferiore.

Latenza

La latenza è un'altra caratteristica chiave delle telecamere, soprattutto nelle applicazioni che elaborano dati e prendono decisioni in tempo reale.

I sistemi di telecamere GMSL hanno una latenza bassa e deterministica dall'input del serializzatore/output del sensore all'output del deserializzatore/input del SoC ricevente.

Le telecamere GigE Vision solitamente hanno una latenza più elevata e indeterministica a causa dell'elaborazione interna alla telecamera e del traffico di rete più complesso. Tuttavia, ciò non sempre comporta una latenza più lunga a livello di sistema, soprattutto quando l'elaborazione sul lato della telecamera viene conteggiata nella pipeline delle immagini del sistema ed è più dedicata ed efficiente.

Altre caratteristiche

Distanza di trasmissione

I serializzatori e deserializzatori GMSL sono progettati per trasmettere dati fino a 15 metri utilizzando cavi coassiali nei veicoli per passeggeri. Tuttavia, la distanza di trasmissione può non essere limitata a 15 metri, purché il sistema hardware della telecamera soddisfi le specifiche del canale GMSL.

GigE Vision utilizza il protocollo Ethernet che può trasmettere dati fino a 100 metri utilizzando cavi in rame o anche oltre utilizzando fibre ottiche, benché potrebbe perdere alcune funzionalità come la potenza Ethernet (PoE, Power over Ethernet).

PoC e PoE/PoDL

Entrambe le tecnologie sono in grado di trasmettere corrente e dati sullo stesso cavo. GMSL utilizza Power over Coax (PoC), mentre GigE Vision utilizza PoE per Ethernet a 4 coppie e Power over Data Line (PoDL) per Ethernet a coppia singola (SPE). La maggior parte delle telecamere GigE Vision utilizza i tradizionali cavi a 4 coppie con PoE.

Il PoC è semplice e viene generalmente utilizzato di default per applicazioni di telecamere con una configurazione coassiale. In questa configurazione, l'alimentazione e i dati sul collegamento provengono da un singolo cavo e sono necessari solo pochi componenti passivi per i circuiti PoC.

I circuiti PoE che supportano una velocità di trasmissione dati pari o superiore a 1 Gbps richiedono circuiti dedicati con componenti attivi sia sul lato della telecamera che sul lato host (o switch). Ciò rende la funzionalità PoE più costosa e meno accessibile. Di solito le telecamere GigE Vision che supportano PoE dispongono anche di un'opzione di alimentazione locale esterna.

Controllo periferico e connettività del sistema

GMSL, in quanto collegamento dedicato per telecamere o display, non è progettato per supportare un'ampia gamma di dispositivi periferici. Nelle tipiche applicazioni delle telecamere GMSL, il collegamento trasmette segnali di controllo (UART, I2C e SPI) per comunicare solo con le periferiche della telecamera, quali sensori di temperatura, sensori di luce ambientale, IMU, controller LED, ecc. I sistemi più grandi che utilizzano GMSL come interfaccia della telecamera solitamente dispongono di altre interfacce a velocità inferiore, come CAN ed Ethernet, per comunicare con altri dispositivi.

Le telecamere GigE Vision solitamente gestiscono i controlli periferici della telecamera tramite il loro processore integrato. Essendo una soluzione di connettività popolare per le applicazioni industriali, esistono diversi protocolli standard per Ethernet industriale per supportare macchine e apparecchiature diversificate, e le telecamere GigE Vision si collegano alla rete direttamente tramite le loro interfacce software e hardware.

Trigger e timestamp delle telecamere

I collegamenti GMSL supportano il tunneling GPIO e I2C a bassa latenza nell'ordine dei microsecondi sia sui canali forward che reverse per supportare diverse configurazioni di attivazione/sincronizzazione della telecamera. La sorgente del segnale di attivazione in un sistema di telecamere GMSL può provenire dal SoC sul lato deserializzatore o da uno dei sensori di immagine sul lato serializzatore.

Le telecamere GigE Vision solitamente offrono opzioni di attivazione sia hardware che software tramite un pin/porta dedicato o un pacchetto di attivazione/sincronizzazione Ethernet. Nelle applicazioni tipiche viene utilizzato un trigger hardware come approccio standard per fornire una sincronizzazione reattiva e precisa con altre telecamere o con altri dispositivi diversi dalle telecamere. Il problema principale con l'attivazione software di queste telecamere è il ritardo della rete. Sebbene siano disponibili protocolli per migliorare la precisione della sincronizzazione, questi potrebbero non essere sufficientemente precisi (protocollo NTP (Network Time Protocol)), sincronizza su scala di millisecondi2) o non essere convenienti (protocollo PTP (Precision Time Protocol)), sincronizza su scala di microsecondi3, ma richiede hardware compatibile).

Quando viene utilizzato un protocollo di sincronizzazione su una rete Ethernet, tutti i dispositivi sulla stessa rete, incluse le telecamere GigE Vision, saranno in grado di fornire timestamp nello stesso dominio di clock.

GMSL non dispone di funzionalità di marcatura temporale. Alcuni sensori di immagini possono fornire una marca temporale tramite l'intestazione MIPI incorporata, ma solitamente questa non è collegata ad altri dispositivi nel sistema di livello superiore. In alcune architetture di sistema, il deserializzatore GMSL si connette a un SoC che si trova su una rete PTP per utilizzare un clock centralizzato. Se questa funzionalità è richiesta, utilizzare AD-GMSL2ETH-SL come riferimento.

Conclusione

In sintesi (vedere Tabella 1), GMSL è una valida alternativa o sostituzione alle soluzioni GigE Vision esistenti. Rispetto alle telecamere GigE Vision, le telecamere GMSL possono spesso fornire velocità di collegamento e funzionalità equivalenti o migliori a un costo inferiore, con un consumo energetico ridotto, un'architettura di sistema più semplice e un ingombro di sistema minore. Inoltre, poiché il GMSL è stato originariamente progettato per applicazioni automobilistiche, è stato convalidato per decenni dagli ingegneri del settore automobilistico in ambienti difficili. Fornirà rassicurazioni agli ingegneri e agli architetti di sistema per lo sviluppo di sistemi in cui affidabilità e sicurezza funzionale sono essenziali.