GMSL与FPD-LINK技术介绍及测试解决方案

智能汽车通信

随着汽车智能化和自动驾驶技术的快速发展，车内通信系统的重要性日益凸显。车内异步串行总线技术，如LVDS（Low-Voltage Differential Signaling）、GMSL（Gigabit Multimedia Serial Link）和FPD-LINK（Flat Panel Display Link），已成为实现高性能摄像头、高清视频传输和高级驾驶辅助系统（ADAS）的关键技术。本文将详细介绍GMSL和FPD-LINK的技术特点、应用场景以及泰克公司提供的先进测试解决方案，帮助工程师应对高速信号完整性测试的挑战，确保车内通信系统的可靠性和高性能。

GMSL

GMSL是ADI（曾经的美信）推出的车载SERDES总线，广泛应用于高性能摄像头和高清视频连接。它支持在同轴电缆和屏蔽双绞线上同时传输数据，具备高带宽、低延迟、高可靠性和低功耗等关键特性。以130万像素、18比特色彩深度和30fps帧率的广角摄像头为例，其带宽需求已超过1Gbps。

GMSL还具备以下特点：

•带宽，以备份辅助广角摄像头为例，130万像素，色彩深度18比特以及帧率30fps，包含其他诸如控制比特及直流平衡编码，需要的带宽或速率将超过1Gbps。

•延迟，对于时速100公里的汽车来说，每秒行驶距离将达27.8m。考虑到乘客及交通安全，低延迟非常关键。

•可靠性，车辆全生命周期的磨损适应性都必须要考虑，并且具备检测工作运行情况的能力。

•功耗，减少器件和电缆的数量且增加系统通信能力一直是保持系统成本低廉且价格具备竞争力的根本。

•图像质量，基于视觉的目标检测依赖所需处理的图片质量，高质量图片是必须的。

GMSL代次对应的摄像头及显示分辨率如下图：

图：当前与下一代GMSL支持的摄像头及显示分辨率

图：GMSL SERDES支持多播视频示例

GMSL SERDES芯片自带SSC功能，以降低链路的EMI干扰。考虑到附加的供电与地线要求，GMSL芯片也具备power-over-coaxial架构来应对降低车重的挑战。具备双向控制信道。为了降低系统成本减少设计时间，GMSL具备菊花链式连接多个摄像头模组的能力。

图：同轴GMSL系统频带使用方式

GMSL支持Power Over Coax（同轴供电）功能，要实现此功能，同轴内导体频谱被分为三个频段：供电、反向信道数据、前向信道数据，如下图所示。通过滤波将确切的频段分配至对应的电路。数据通道为AC耦合，通过收发机输入端串联电容实现。

直流供电采用串联电感构建滤波器的低通特性，并且反向信道和前向信道带宽内阻抗提升至1kΩ。由于数据通道采用50Ω端接，20倍的阻抗提升足以耦合直流电压且滤除高频成分。

图：PoC示例

GMSL具备自适应均衡能力，伴随着12个不同的补偿等级，均衡器使得SERDES系统支持30m同轴及15m屏蔽双绞线STP电缆长度。自适应均衡可以周期性调整。

当前GMSL采用了8b/10b编码保证直流平衡，位于决定诸如摄像头应用中像素时钟、总线宽度之前。

在新一代的GMSL Gen2中，芯片支持MIPI D-PHY v1.2，最高速率可至2Gbps，前向链路速率最高可达6Gbps，反向链路速率可达187.5Mbps。

FPD-LINK

FPD-LINK全称是Flat Panel Display Link，最早是由NI于1996年推出的高速数字视频接口（现在属于德州仪器TI），用于将笔记本电脑、平板电脑、平板显示器或 LCD 电视中图形处理单元的输出连接到显示面板的时序控制器。大多数笔记本电脑、平板电脑、平板显示器和电视都在内部使用该接口。其也属于LVDS标准第一个大规模应用的总线标准。

在车载应用中，FPD-LINK通常用于导航系统、车内娱乐、备份摄像头以及高级辅助驾驶系统中。由于车载环境对于电子设备来说是最严苛的要求，当前主要的FPD-LINK II及III芯片都需要满足或者超过AEC-Q100汽车可靠性标准，以及ISO 10605汽车ESD应用标准。

FPD-LINK III标准最早在2010年引入，其相对于上一代FPD-LINK II的主要特征就是：

1在同一对差分线上进行双向的通信传输。除了时钟和流视频数据之外，该双向通道还可以在源和目标之间传输控制信号。因此，FPD-Link III通过消除用于I2C和CAN总线等控制通道的电缆，进一步降低了电缆成本。

2另一个新功能，FPD-Link III停止使用LVDS技术，仅使用CML处理串行化的高速信号。这使其能够在长度超过10m的电缆上轻松地以超过3Gbit/s的数据速率工作。使用CML的另一个好处是同轴电缆驱动能力。CML技术在驱动同轴电缆中的单导体时效果很好。由于同轴电缆非常擅长控制阻抗和噪声，因此它们减少了对差分信号的需求，从而更好地容忍阻抗不连续性和噪声干扰。

图：典型的CML电路

3FPD-Link III 的另一个额外好处是解串器中内置的自适应均衡。解串器的输入信号通常具有降低的完整性。这通常是由电缆损耗引起的符号间干扰 (ISI) 造成的。自适应均衡器可以感知较差的信号并将其恢复到原始的完整性。

汽车制造商差异化的方式之一是提供更先进的信息娱乐系统，一些豪华车型配备多达10到15个显示面板以及更复杂的处理和功能。另一方面，入门级车型正在为驾驶员提供基本的中央信息显示器(CID) 和数字仪表盘。在入门级车辆中提供功能齐全的信息娱乐系统的力度也越来越大，该系统仍然可以使用复杂的数字处理器以成本和空间有效的方式驱动多个显示器。

图：汽车座舱中的多屏显示

而采用FPD-LINK III的串行器和解串器，可以灵活的通过一路或多路DSI接口，利用虚拟信道或者同步、异步的分割方式实现在多个显示屏的输出。如下图所示：

图：智能座舱中FPD-LINKIII多屏显示应用，参考TI

随着摄像头及屏幕的分辨率不断提高，也使得FPD-LINK以及GMSL等车内SERDES总线的速率在不断推高，由此带来的信号完整性问题也会使得测试更加复杂。

泰克GMSL/FPD-LINK测试解决方案

由于GMSL/FPD-LINK采用了在高速串行信号中复用了反向控制信号，如果不能关闭反向控制信号或者在实际的应用环境中想验证高速串行信号的诸如抖动和眼图等信号质量，工程师在测试中往往还需要通过数字滤波器来滤除控制信号。但同时工程师还面临着如何进行准确的信号采集、时钟恢复设定以及S参数嵌入去嵌和均衡方式的设定等种种挑战。

图：车内高速信号随着分辨率提高不断演进

工程师可以利用泰克数学运算中引入数字滤波器的方式进行自定义的信号选择，如下图所示的GMSL Gen2的信号，其中叠加了187.5Mbps的反向控制信号。这个信号的存在使得高速串行信号的高低电平存在剧烈的波动：

图：GMSL Gen2实际信号示例

而通过在泰克示波器中的Math通道应用自定义滤波器，可以将相对低速的控制信号滤除，从而得到需要分析的高速串行信号方便进行后续的抖动、眼图模板等测试，如下图中橙色的数学通道波形即为滤出的高速信号：

图：滤除控制信号前后的GMSL Gen2信号对比

同时泰克在DPO/MSO70000系列示波器上还具备GMSL以及FPD-LINK的自动化测试软件，其向导功能可以非常方便快捷引导工程师按步骤进行通道选择、信号分析、模板选择和编辑的设定，降低学习成本，增强工程师操作的信心：

图：泰克GMSL/FPD-LINK示例软件向导界面

并且软件可以自动生成标准清晰的测试报告，支持在线和离线的波形分析，方便工程师在不同工作地点的协同测试和分析：

图：泰克GMSL/FPDLINK测试结果示意图

该测试方案的组成由泰克MSO/DPO70000系列示波器、探头以及软件构成：

泰克测试测量解决方案
MSO/DPO70000系列示波器	推荐≥13GHz， 用于≤6Gbps 高速串行信号， 推荐≥23GHz带宽， 应对>6Gbps高速串行信号
FPDLINK/GMSL 一致性测试软件	泰克独有的FPDLINK及GMSL一致性软件
P77系列探头	业内最先问世的泰克Trimode三模探头，优异的信噪比以及低负载
DPOJET	通用抖动和眼图分析软件
SDLA64	可选的高速串行链路分析软件，支持各种信道的嵌入和去嵌、发射机及接收机均衡，用于高速链路的高级调试和研究