智能座舱架构与芯片- (4) 硬件篇 中

2.4 高速视频传输(GMSL)

为了解决未来汽车系统所面临的问题，美信(Maxim)推出了全新下一代GMSL技术，即吉比特多媒体串行链路(GMSL)串行器和解串器，用来支持未来ADAS和信息娱乐系统要求的宽带、互联复杂度和数据完整性的要求。

GMSL技术可以支持4K的数据传输流，采用同轴电缆或双绞线介质时，支持长达15米的传输距离，该产品满足业界最为严苛的EMC。支持视频的汇聚与分割，同时还集成了诊断功能，可以实时监测链路传输性能。

美信的GMSL可以支持如下多种用法：

1. 支持Video和以太网：

图片来源：Maxim

通过GMSL技术，可以整合高清视频和高速以太网数据传输，简化了车内的布局布线，使系统设计更为简单。

2. 支持多路Video：

图片来源：Maxim

针对多传感器融合，由于具备视频切割功能，所以可以使用一个串行器整合多路视频数据，然后分别送入不同的显示器。

3. 支持Camera 4通道聚合

图片来源：Maxim

在环视系统中，由于具有视频汇聚功能，通过GMSL四通道解串器，可以同时支持四个摄像头的传输，大大节约系统布线的困扰以及FPGA的设计成本。

串行器和解串器IC均内置扩频功能，以改善链路的电磁兼容(EMI)性，无需外部扩频时钟。串行器和解串器系列产品的互操作性允许链路两侧使用不同接口。除驱动高分辨率中央/后排显示屏和仪表盘外，GMSL SerDes也能胜任百万像素级摄像系统设计。

与FPD-Link类似，GMSL同样支持前向高速数据传输，反向低速控制信号传输等功能。因此在车载高速音视频传输接口中，通常都会选择FPD-Link或者GMSL互为供应链备份。

2.5 高速视频传输(MIPI A-Phy)

MIPI A-phy是MIPI联盟制定的，用于汽车行业的串行解串器规范。2015年中期，MIPI联盟确定了对统一的车载连接规范的需求，该规范可以满足汽车行业对高带宽，低时延，重量轻，功耗低的需求。到2020年6月，MIPI联盟宣布已经完成MIPI A-Phy V1.0的开发，这是一个用于汽车应用的长距离SerDes物理层接口。

MIPI联盟制定的其他规范，例如C-Phy，D-Phy，M-Phy，已经在消费电子类领域广泛应用；但这几个规范都只能在短距离应用，最多传输15cm。而A-Phy的设计则是为了满足跨越整个车辆距离的高速数据传输。它最大传输距离能达到15米；通过使用STP线缆，增加传输通道，A-Phy的传输速率可以超过16Gbps，甚至达到48Gbps；

采用A-Phy可以直接承载MIPI的CSI-2(用于Camera)和DSI-2(用于Display)协议，它可以分2步进行应用。

1.采用A-Phy技术设计桥接芯片，类似于FPD-Link或者GMSL，可以为客户提供额外的其他选择。

2.直接在Camera，Display显示屏，以及SOC主芯片内部集成A-Phy，消除桥接芯片。

上图说明了配备A-phy的Camera和配备A-phy的ECU或汽车芯片之间最简单的直接连接。消除每个端点的桥接芯片将降低成本，电缆重量，功耗和等待时间，并提高可靠性。

可以看到，A-phy不是直接跨越式的替换现有的方案，而是通过兼容性的替代现有的SerDes桥接芯片，最后实现完全不用桥接芯片的最终方案。这样的好处是平稳过渡，有利于A-phy的接受和推广。

A-phy的关键技术优势包括：

• 非对称优化架构。A-PHY从头开始设计，用于从摄像机/传感器到ECU以及ECU到显示器的高速非对称传输，同时为命令和控制提供并发的低速双向通信。与其他/对称架构相比，优化的非对称架构可简化设计并降低成本。
• 简化系统集成并降低成本：对使用MIPI CSI-2和DSI-2的设备的原生支持，最终消除了对桥接IC的需求
• 远距离：15米连接距离；
• 高性能：5档速度(2,4,8 和16Gbps)，未来48Gbps甚至更高；
• 端到端的功能安全：APHY+CSI2/DSI2可以支持ASILB~ASILD的功能安全；
• 高可靠性：超低的误码率PER,10^-19，可在车辆使用寿命内提供空前的性能
• 移动协议重用。在数十亿智能手机和物联网设备中成功部署后，MIPI协议已被充分证明可直接用于汽车。
• 纯硬件协议层。就像在使用D-PHY / C-PHY分层的移动应用程序中一样，A-PHY与CSI-2 / DSI-2协议层紧密耦合，因此基本上在仅具有硬件的协议层下运行，而无需软件干预。该体系结构与其他接口相比，后者具有更高的灵活性，并利用软件层来实现这种灵活性。
• 针对布线，成本和重量的优化架构。由于A-PHY的优化的非对称架构和硬件协议分层，A-PHY的实现可以满足优化的布线，成本和重量要求。随着电子组件及其接口电缆的数量在实现自主的道路上增加，这一点变得越来越重要。
• 其他协议的灵活链路层支持。MIPI Alliance希望与其他将其本机协议应用于汽车的组织合作。这包括VESA，它正在调整其DisplayPort协议规范以供汽车使用。为了适应这些不断发展的规范，A-PHY包括一个通用数据链路层，该层可容纳不同的协议适应层，并计划支持VESA的车载DisplayPort协议。
• 高EMC抗扰性。MIPI已投入大量资金来分析和测量恶劣的汽车通道，并得出结论，基于窄带干扰消除器（NBIC）和重传方案（RTS）的体系结构可提供最强大的性能，特别是对于需要更长数据速率的应用距离。

A-phy 协议：

2.6 高速视频传输(ASA)

ASA(Automotive Serdes Alliance)是汽车Serdes联盟的简称。它是由包括70多家公司联合组建的，成立于2019年5月。它的创始公司包括BMW，Continental，Broadcom and NXP等。在2020年12月，ASA发布了1.0 Spec。它是一个针对汽车内部非对称连接(例如，Camera，Display，Sensor等) 的串行-解串通信技术，称为ASA Motion Link。它的特性包括如下：

• Downlink line rates up to 16Gbps (up to 64Gbps under development)
• Uplink rates greater than 100Mbps
• Up to 15m Coaxial and 10m SDP channels
• Includes Application Stream Encapsulation Protocol (ASEPs) for Video, I2C, Ethernet L2 (GPIO, I2S, embedded DP, SPI, HDI under development)

ASA的roadmap:

1. Gen1：支持Camera和Sensor的连接：采用ASA Serdes承载CSI

2. Gen2：支持Display的连接：采用ASA Serdes承载eDP或者HDMI

三、USB

USB是汽车座舱内部通用的数据连接通道。在座舱内方便的地方设置USB 接口，可以方便驾驶员，车内乘客进行充电，连接手机，U盘，卡拉OK等应用。

使用USB插口，首先要考虑数据带宽，其次要考虑插口类型，最后要考虑是否符合车规标准要求。

3.1 带宽

USB-IF组织发布了全新的USB4 v2.0规范，带来了新一代的USB 80Gbps接口，还有全新的命名体系。

首先说回到UBS4 2.0或者说USB 80Gbps，其最主要的变化在于带宽再次翻番来到了80Gbps，这得益于新的基于PAM3信号编码机制的物理层架构，同时还有新定义的80Gbps有源数据线。在特定应用场景中，比如8K超高清显示，USB 80Gbps还可以配置为非对称编码异步传输模式，一个方向可以高达120Gbps，从而足够承载DP 2.0/2.1 UHBR20信号，另一个方向则是40Gbps。

同时USB 80Gbps升级了数据和显示协议，可以更好地利用带宽，其中数据传输支持20Gbps的高带宽，显示传输则和DP 2.0、PCIe 4.0相互打通，共享PHY物理层，从而一个接口搞定高速数据、显示。当然了，USB 80Gbps依然保持向下兼容，而且只有USB Type-C一种接口形式。

在接口的命名规则方面，USB接口将统一以传输带宽命名，USB4 v2.0对应USB 80Gbps，USB4对应USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2对应20Gbps，USB 3.2 Gen2对应USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1对应USB 5Gbps……更古老的USB 2.0、USB 1.0保持不变，因为它们的速度太慢了，还停留在Mbps数量级。如果改叫USB 480Mbps，不但麻烦还容易引起误会。

3.2 接口

USB Type-C是一种USB接口外形标准，拥有比Type-A及Type-B均小的体积，既可以应用于PC（主设备）又可以应用于外部设备（从设备，如手机）的接口类型 。USB Type-C有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。

• 4* Tx/Rx ：一共4对高速信号差分线。可以传输4-lane DP信号，或者4-lane的USB 10Gbps信号；USB10Gbps信号只需要2对差分信号线(Tx+/Tx- and Rx+/Rx-) 即可传输；其他2对差分信号线是为了支持正反插而设计的。
• 2*D+/D-：2对USB D+/D-信号线。可以用来连接USB2.0，或者USB1.0，支持正反插。当选择使用DP+USB2.0模式时，可以支持ARVR；
• 2*CC：用于Power Delivery模块(简称PD)的通讯。CC线首先用来判断设备插入的方向，正插(CC1)或者反插(CC2)。
• 2*SBU：其他辅助用途。例如，在用于DP模式时，SBU作为DP协议中的AUX_P/AUX_N差分线，负责传输设备的DPCD，EDID等信息。
• 4*VBus and4*GND：用于供电。VBus提供默认的5V@500mA供电能力。但是如果需要进行快充，则额外的USB电力传输需要使用特殊的供电模块。

3.3 供电

2021年5月25日，USB-IF协会推出了USB PD3.1最新快充标准规范，其中更新了有关供电能力的章节。USB PD3.1规范将原来的USB PD3.0内容归到标准功率范围（Standard Power Range，简称SPR）里面，最大功率保持100W不变；同时增加了扩展功率范围（Extended Power Range，简称EPR），最大功率由100W扩展到240W。

从具体的实现案例来看，目前的PD芯片可以支持单口或者双口供电，并且可以实现双口动态功率调节。也就是说，假设总功率为100W，每个VBus可以分配为65W/35W。

当需要达到100W的充电功率时，一般电压会为20V，电流达到5A。15W的充电功率，电压为5V，电流为3A。

3.4 DP ALT Mode

DP ALT mode 允许通过一根电缆，使用标准的Type-C接口，承载USB2.0, USB 10Gbps, DP, VBus等信号，如下图所示应用实例：

Type-C的管脚定义如下：

在USB-IF组织发布的USB/DP ALT mode V1.0规范中，采用同一个Type-C接口，可以承载如下的信号组合：

• USB 10Gbps 4lane (正反插) + USB2.0+VBus：这就是USB 10Gbps的常规连接方式；

• DP 4Lane+USB2.0+VBus：这时，高速的4对lane全部给DP使用，同时支持USB2.0和供电，Aux_CH用于DP交互和信号传输质量的协商，CC用于检测识别插入：

• DP 2Lane+USB3 2Lane+USB2.0+VBus：这时，2对高速差分线给DP使用，2对给USB 10Gbps使用，同时还支持USB2.0和VBus供电。

• Virtual Link(非标准模式)：这种模式非USB-IF组织定义的DP ALT mode 范畴，是部分公司定义的私有协议，可用于VR应用。在这种模式下，4对高速差分线全部给DP使用，2对 USB D+/D-将被用于USB 10Gbps，当作Tx+/Tx- 和 Rx+/Rx-来使用。

• 如何触发DP ALT Mode

Type-C Alt Mode 大致配置流程如下：

1. USB 连接 通过CC侦测到；
2. VBUS 引脚 提供默认电源配置 5V@500mA；
3. VBUS 所需的额外USB电力传输可以进行协商，Battery Charge 1.2（BC 1.2）或USB PD 都可以选择；
4. 使用 结构化 供应商定义报文（VDM） 需要USB PD 来发送来协商 Alt Mode 握手；
5. USB 枚举；
6. 如果 DP Alt Mode 协商已经完成，继续进行DP link training来建立DP连接；
7. USB和DP通道准备就绪进行Type-C 数据和视频信号传输；

3.5 车规

在智能座舱环境下，USB Type-C接口和线缆还需要满足车规的标准。这里车规的含义，包括环境温度和接插件的稳固程度。除了暴露给用户可见的Type-C接口与消费类电子相似之外，其他与车内零部件连接的接插件和线缆都要满足车规的标准，以应对恶劣的车内环境，以及更长的使用周期限制。

一般来说，车内使用的USB接口与线缆，需要考虑如下几个因素：

1. 传输距离：通常来说，USB 10Gbps信号线传输长度在1米到5米之间。如果超过2米，一般都要在Sink端增加Redriver芯片，否则信号眼图将会闭合，无法传输；
2. 工作温度：接插件和线缆的工作温度要满足AEC-Q100 Grade2的标准，也就是达到-40°~+105°；
3. 电磁屏蔽：由于车内电磁屏蔽的要求，线缆需要带屏蔽层才能保证较好的EMC电磁兼容性；
4. 稳固程度：由于汽车运行环境存在颠簸，所以一般消费级的连接器无法应用在车内，需要考虑专用的接插器件，保证连接的稳固；

3.6 Redriver

中继器，有一个接收器和一个发射器，在接收器端，它通过它的均衡器（EQ）扮演着一个信号调节的角色。本质上讲，接收器为输入频道损耗提供补偿，如果不这么做，会导致额外的时钟抖动。经过均衡后的信号便会被发射器中继。发射器同样可以选择去加重（DE）或者预加重（PE），DE 是信号低频分量的衰减，而PE 则是高频分量的增强。这两个技术都可以预补偿中继器发射端的输出信号损耗。

当信号经过被动式的媒介比如PCB走线时，它会线性衰减。无论线路输入端信号幅度如何，PCB线路都会使它衰减一定比率。一个完善的中继器应当恰恰相反，无论其输入端的幅值如何，将信号放大一定比率。这样的中继器便是线性中继器，他的作用就是移除PCB走线的影响。

未完待续...