Videosignale im Fahrzeug Im Vergleich: Gigabit Multimedia Serial Link oder GigE Vision?

Gigabit Multimedia Serial Link und Gigabit Ethernet sind zwei populäre Techniken zum Anschließen von Kameras, die man in verschiedenen Endmärkten häufig antrifft. Der nachfolgende Artikel vergleicht beide Techniken in Bezug auf ihre Systemarchitekturen, ihre wichtigsten Eigenschaften und ihre Grenzen.

Gigabit Ethernet (GigE ) Vision ist ein netzwerkbasierter Kameraschnittstellen-Standard auf der Basis von Ethernet-Infrastrukturen und -Protokollen, der es in der Industrie zu großer Verbreitung gebracht hat. Gigabit Multimedia Serial Link (GMSL) von Analog Devices wiederum ist eine für Kameras und Displays im Automobilbereich entwickelte und speziell für die Übertragung von Videosignalen vorgesehene Lösung, die auf seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen beruht.

Obwohl beide Techniken dazu dienen, die von den Bildsensoren gelieferten Videodaten über größere Distanzen zu übertragen, weist jede Lösung doch ihr ganz spezifisches Eigenschaftsprofil auf. Im Laufe der Jahre wurden GMSL-Kameras zunehmend auch außerhalb des Automobilsektors eingesetzt und als Alternative zu GigE-Vision-Kameras ins Spiel gebracht.

Typische Systemarchitektur

Wie sieht eine typische Systemarchitektur aus? Hier setzt sich der Artikel mit folgenden Punkten auseinander:

• Anschluss des Bildsensors

• Anbindung an den Host-Prozessor

Anschluss des Bildsensors

Die Signalkette von GigE-Vision-Kameras (Bild 1) besteht meist aus drei Hauptkomponenten, nämlich dem Bildsensor selbst sowie einem Prozessor und einem Ethernet-PHY. Der Prozessor verwandelt die vom Bildsensor kommenden, rohen Bilddaten in Ethernet-Frames. Meist schließt dieser Prozess auch eine Bildverarbeitung und -kompression oder ein Frame-Buffering ein, um die Datenrate an die von Ethernet unterstützte Bandbreite anzupassen.

Die in Bild 2 dargestellte Signalkette von GMSL-Kameras ist deutlich unkomplizierter, besteht sie doch lediglich aus einem Bildsensor und einem Serializer. In typischen Anwendungen konvertiert der Serializer die Rohdaten des Bildsensors und überträgt sie in ihrem ursprünglichen Format. Durch den Wegfall des Prozessors sind diese Kameras einfacher zu entwickeln und besser für Anwendungen geeignet, die nach platzsparenden Kameras mit geringem Stromverbrauch verlangen.

Anbindung an den Host-Prozessor

Dank ihrer Kompatibilität zu unterschiedlichen Host-Systemen haben GigE-Vision-Kameras in der Industrie große Akzeptanz gefunden, denn ein Gigabit-Ethernet-Port gehört heute praktisch zur Standardausstattung von PCs oder Embedded-Plattformen. Einige GigE- Vision-Kameras können zudem mit einem universellen Treiber arbeiten, was zu einer echten Plug-and-Play-Erfahrung führt.

GMSL-Kameras erfordern im Vergleich dazu auf Seiten des Hosts einen oder mehrere Deserializer. In den meisten Anwendungsfällen handelt es sich beim Host um eine spezielle Embedded-Plattform, die mit einem oder mehreren Deserializern ausgestattet ist. Die Deserializer übertragen die Bilddaten über ihre MIPI-Transmitter in ihrem ursprünglichen Format, wie es am MIPI-Ausgang des Bildsensors anliegt. Bei diesen Kameras ist – wie bei jeder anderen MIPI-Kamera auch – für jedes individuelle Kamera-Design ein eigener Kameratreiber erforderlich. Solle allerdings bereits ein Treiber für den betreffenden Bildsensor existieren, sind nur wenige Profilregister oder einige Schreibzugriffe auf Register für das SerDes-Paar notwendig, um einen Videostream von den Kameras zum SoC zu übertragen.

In Systemen mit nur einer Kamera kann GigE Vision mit einigen, die Systemkomplexität betreffenden Vorteilen gegenüber GMSL punkten. Die Kamera lässt sich hier direkt an einen PC oder eine Embedded-Plattform mit einem Ethernet-Port anschließen. Sobald aber mehrere GigE-Kameras zum Einsatz kommen, geht es nicht mehr ohne Ethernet-Switch. Dabei kann es sich um einen speziellen Ethernet-Switch, eine mit mehreren Ethernet-Ports ausgestattete Network Interface Card (NIC) oder einen Ethernet-Switch-IC zwischen den verschiedenen Ethernet-Ports und dem SoC handeln. In den meisten Fällen führt das allerdings zu einer Verringerung der maximalen Gesamtdatenrate sowie – was noch gravierender ist – zu einer unvorhersagbaren Latenz, die von der Schnittstelle zwischen den Kameras und dem Terminal Device abhängig ist (Bild 3).

In einem GMSL-Kamerasystem dagegen lässt sich ein Deserializer an bis zu vier Verbindungen – über MIPI C-PHY oder D-PHY-Transmitter – anschließen, damit die volle Bandbreite aller vier Kameras unterstützt wird (Bild 4). Solange das SoC mit der Gesamtdatenrate zurechtkommt, führt die Verwendung einer oder mehrerer GMSL-Einheiten weder zu weniger Bandbreite noch zu mehr Systemkomplexität.

Die Eigenschaften im Vergleich

Nachfolgend werden die Eigenschaften von GMSL und GigE Vision betrachtet.

Sensorschnittstelle

GMSL-Serializer unterstützen ausschließlich parallele LVDS- (GMSL1) und MIPI-Sensorschnittstellen (GMSL2/GMSL3). Weil MIPI das populärste Bildsensor-Interface für Automotive- und Consumer-Kameras ist, kommt eine breite Palette von Bildsensoren für die Verwendung in GMSL-Kameras in Frage. Aufgrund ihres kamerainternen Prozessors sind GigE-Vision-Kameras jedoch flexibler, was die Sensorschnittstelle betrifft.

Videospezifikationen

Das Zeitdiagramm in Bild 5 zeigt exemplarisch die Datenübertragung von einem Bildsensor an eine GMSL-Verbindung oder an ein GigE-Netzwerk (bei einem kontinuierlichen Videostream). In jedem Frame eines Videostreams sendet der Bildsensor die Bilddaten unmittelbar nach der Belichtung ab, um anschließend bis zum Beginn des nächsten Frames in einen Idle-Zustand zu wechseln. Das Beispieldiagramm gibt eher die Verhältnisse bei einem Global-Shutter-Sensor wieder, denn bei einem Rolling-Shutter-Sensor überschneiden sich die Belichtungs- und Ausleseperioden auf der Frame-Ebene, da die Belichtung und das Auslesen für jede Zeile einzeln gesteuert werden.

GMSL-Serializer auf der Sensorseite serialisieren die Daten aus dem Bildsensor oder den Sensoren und geben sie über ihr proprietäres Protokoll umgehend an die Verbindungsleitung weiter. Der Prozessor einer GigE Vision-Kamera puffert die Daten aus den Sensoren und verarbeitet sie oftmals auch, bevor die Videodaten zu Ethernet-Frames aufbereitet und über das Netzwerk übertragen werden.

Link-Rate

Die Linkrate ist die theoretische Maximal-Datenrate einer Verbindung und wird häufig als wichtigste Spezifikation beim Vergleich verschiedener Datenübertragungs-Techniken angesehen. GMSL2, GMSL3 und GigE Vision sind dabei durch ganz spezifische, festgelegte Linkraten gekennzeichnet.

GMSL2 unterstützt Datenraten von 3 Gbit/s und 6 Gbit/s, während es bei GMSL3 12 Gbit/s sind. Sämtliche GMSL3-Devices sind bei Verwendung von GMSL2-Protokollen abwärtskompatibel zu GMSL2-Devices.

GigE Vision basiert auf Ethernet-Standards. In gängigen Anwendungen trifft man oft Kameras mit GigE, 2.5 GigE, 5 GigE und 10 GigE Vision an. Wie an den Bezeichnungen abzulesen ist, unterstützen diese Techniken Linkraten zwischen 1 und 10 Gbit/s. Eine dem aktuellen Stand der Technik entsprechende GigE Vision-Kamera bietet Support für 100 GigE mit einer Linkrate von 100 Gbit/s [1]. Für GigE Vision gilt, dass alle schnelleren Protokolle abwärtskompatibel zu Protokollen mit niedrigeren Übertragungsraten sind.

Obwohl die Linkrate in engem Zusammenhang mit der Videoauflösung, der Frame-Rate und der Latenz steht, lassen sich rein aufgrund der Linkrate nur schwierig direkte Vergleiche zwischen zwei Techniken ziehen.

Effektive Videodatenrate

In der Datenkommunikation versteht man unter der effektiven Datenrate die Nutzdatenrate ohne das protokollbedingte Datenaufkommen (Overhead). Auch bei der Übertragung von Videodaten gilt dieses Konzept. Die Menge der effektiv übertragenen Videodaten berechnet sich in der Regel aus dem Produkt aus der Bittiefe pro Pixel und der Zahl der pro Paket oder Frame übertragenen Pixel. Aus Bild 6 lässt sich der Zusammenhang zwischen effektiver Videodatenrate und Overhead ablesen.

Die GMSL-Technik überträgt Videodaten in Paketen. Da GMSL2 und GMSL3 mit festgelegten Paketgrößen arbeiten, sind hier sehr exakte Aussagen über die effektive Videodatenrate möglich. Wenn beispielsweise eine GMSL2-Verbindung für 6 Gbit/s eingerichtet ist, empfiehlt sich eine Video-Datenrate von höchstens 5,2 Gbit/s. Da jedoch auch ein gewisser Overhead sowie die Austastzeit infolge der MIPI-Schnittstelle des Bildsensors in die Übertragung eingehen, umfasst der Wert von 5,2 Gbit/s die zusammengefasste Datenrate sämtlicher eingangsseitigen MIPI-Daten-Lanes und repräsentiert nicht etwa den Umfang an tatsächlich übertragbaren Videodaten.

Bei Ethernet erfolgt die Datenübertragung in Frames, wobei für GigE Vision keine einheitliche Frame-Größe vorgegeben ist. Meist wird auf der Software-Ebene angestrebt, einen optimalen Kompromiss zwischen hoher Effizienz – hier sind lange Frames im Vorteil – und kurzen Verzögerungen, ein Vorteil von kurzen Frames zu erzielen. Bei diesen Kameras macht der Overhead meist nicht mehr als 5 Prozent aus. Schnellere Ethernet-Verbindungen mindern die mit langen Frames verbundenen Risiken, sodass sich eine höhere effektive Videodatenrate erreichen lässt.

Bei beiden Techniken erfolgt die Datenübertragung nicht kontinuierlich, sondern in Form von Bursts. Die durchschnittliche Datenrate über einen längeren Zeitraum, d. h. über ein Videoframe oder auch mehr, kann deshalb noch niedriger sein als die effektive Videodatenrate während der laufenden Übertragung. Bei GMSL-Kameras hängt das Burst-Timing rein von der Auslesezeit des Bildsensors ab. Das Burst-Verhältnis kann in realen Anwendungen möglicherweise bis zu 100 Prozent betragen, um die volle effektive Video-Datenrate zu unterstützen. GigE Vision-Kameras können in komplexeren und weniger gut vorhersagbaren Netzwerkumgebungen zum Einsatz kommen, wo oft ein niedrigeres Burst-Verhältnis gewählt wird, um Datenkollisionen zu vermeiden (Bild 7).

Auflösung und Frame-Rate

Auflösung und Frame-Rate als die beiden wichtigsten Spezifikationen von Videokameras treiben das Streben nach höheren Linkraten voran. Für diese Anforderungen muss man bei beiden Technologien Kompromisse eingehen.

GMSL-Devices bieten kein Frame-Buffering und keine Verarbeitungsfunktionen. Auflösung und Frame-Rate werden deshalb davon bestimmt, was der Bildsensor oder der sensorseitige ISP im Rahmen der Link-Bandbreite unterstützt. Meist muss eine einfache Abwägung zwischen Auflösung, Frame-Rate und Pixel-Bittiefe getroffen werden.

Komplexer ist hingegen das Konzept von GigE Vision. Obwohl die nutzbare Linkrate hier oft geringer ist als bei GMSL, kann diese Technik dank zusätzlicher Puffer und Kompression möglicherweise eine höhere Auflösung oder Frame-Rate unterstützen – oft sogar beides. All das muss jedoch mit mehr Latenz, höherem Stromverbrauch und teuren Bauelementen an beiden Seiten des Kamerasystems erkauft werden. In seltenen Fällen können diese Kameras auch unaufbereitete Bilddaten mit reduzierter Framerate übertragen.

Weitere Features

Des Weiteren wurden weitere Features betrachtet.

Latenz

Besonders in Anwendungen, die die Daten verarbeiten und Echtzeitentscheidungen fällen müssen, stellt die Latenz eine weitere entscheidende Spezifikation von Videokameras dar. GMSL-Kamerasysteme zeichnen sich durch eine geringe und zudem deterministische Latenz zwischen dem bildsensorseitigen Eingang des Serializers und dem Ausgang des Deserializers, d. h. dem Eingang des empfangenden SoC, aus. Bei GigE-Vision-Kameras besteht im Vergleich üblicherweise eine längere, nicht deterministische Latenz, was auf die kamerainternen Verarbeitungsfunktionen und den komplizierteren Netzwerk-Traffic zurückzuführen ist. Das muss jedoch nicht immer zu einer größeren Latenz auf der Systemebene führen, insbesondere, wenn die kameraseitige Verarbeitung dedizierter ist und für die Bildpipeline des Systems berücksichtigt wird.

Übertragungsdistanz

GMSL-Serializer und Deserializer sind dafür ausgelegt, Daten in Personenfahrzeugen auf Koaxialkabeln über Entfernungen von bis zu 15 m zu übertragen. Die Übertragungsdistanz ist jedoch keinesfalls auf 15 m begrenzt, sofern das Hardware-System der Kamera die GMSL-Kanalspezifikation erfüllt. Das von GigE Vision genutzte Ethernet-Protokoll erlaubt die Datenübertragung über Strecken bis zu 100 m auf Kupferkabeln, und mit Lichtwellenleitern sind sogar noch größere Distanzen möglich, auch wenn dann bestimmte Features wie etwa Power over Ethernet (PoE) nicht mehr unterstützt werden.

PoC und PoE/PoDL

Beide Techniken ermöglichen es, Daten und Stromversorgung über ein und dasselbe Kabel zu übertragen. Während GMSL Power over Coax (PoC) nutzt, ist es bei GigE Vision PoE (auf Ethernet-Kabeln mit vier Adernpaaren) bzw. Power over Data Line (PoDL) bei Single-Pair Ethernet (SPE). Die Mehrzahl der GigE Vision-Kameras verwendet allerdings PoE mit den traditionellen vier Adernpaaren.

Die unkomplizierte PoC-Technik ist die übliche Lösung in Kamerasystemen mit Koax-Konfiguration. Hierbei wird für Stromversorgung und Datenübertragung dieselbe Leitung verwendet, und für die PoC-Schaltungen werden nur wenige passive Bauelemente benötigt.

PoE-Schaltungen mit Unterstützung für Datenraten von 1 GBit/s oder mehr verlangen stattdessen nach speziellen Schaltungen mit aktiven Bauelementen, und dies sowohl kameraseitig als auch auf Seiten des Hosts bzw. des Switchs. Die PoE-Ausstattung ist deshalb teurer und nicht so problemlos verfügbar. Bei GigE Vision-Kameras mit PoE-Unterstützung besteht üblicherweise die Option zur Verwendung einer lokalen, externen Stromversorgung.

Peripheriesteuerung und Systemanbindung

GMSL ist eigens für das Anschließen von Kameras oder Displays gedacht und unterstützt deshalb keine breite Palette von Peripheriebausteinen. In typischen GMSL-Kameraanwendungen überträgt der Link Steuersignale (UART, I²C und SPI) zur Kommunikation ausschließlich mit Kamera-Peripherie wie etwa Temperatur- und Umgebungslicht-Sensoren, IMUs, LED-Controllern usw. Größere Systeme, in denen GMSL als Kameraschnittstelle zum Einsatz kommt, integrieren für die Kommunikation mit anderen Einheiten meist weitere Interfaces mit geringerer Übertragungsrate, beispielsweise CAN oder Ethernet.

GigE-Vision-Kameras nutzen in der Regel ihren eingebauten Prozessor zur Steuerung von Peripheriebausteinen. Weil es sich hier um eine populäre Vernetzungslösung für industrielle Anwendungen handelt, gibt es für Industrial Ethernet mehrere Protokolle, um vielfältige Maschinen und Ausrüstungen zu unterstützen. GigE Vision-Kameras werden über ihre Hard- und Software-Schnittstellen direkt an das Netzwerk angeschlossen.

Trigger- und Timestamping-Funktionen

GMSL-Verbindungen unterstützen das Tunneln von GPIO- und I²C-Leitungen mit geringer Latenz im Bereich von Mikrosekunden auf dem Hin- und Rückkanal, um unterschiedliche Trigger- und Synchronisations-Funktionen für die Kamera zu unterstützen. Als Quelle für das Trigger-Signal in einem GMSL-Kamerasystem kommen das SoC auf der Deserializer-Seite oder einer der Bildsensoren auf der Serializer-Seite in Frage.

Über einen speziellen Pin oder Port oder aber über ein Ethernet-Trigger-/Synchronisations-Paket bieten GigE-Vision-Kameras sowohl Hard- als auch Software-mäßige Trigger-Optionen. In typischen Anwendungen wird ein Hardware-Trigger als standardmäßige Lösung gewählt, um für eine reaktionsschnelle und exakte Synchronisation mit anderen Kameras oder anderen Einheiten zu sorgen. Das Hauptproblem bei der Software-mäßigen Triggerung dieser Kameras ist die Signallaufzeit auf dem Netzwerk. Zwar gibt es Protokolle, die für eine erhöhte Synchronisationsgenauigkeit sorgen sollen, jedoch sind diese unter Umständen nicht exakt genug oder nicht kosteneffektiv. Das Network Time Protocol (NTP) etwa synchronisiert nur auf Millisekunden genau [2], während das Precision Time Protocol (PTP) zwar eine Genauigkeit im Mikrosekundenbereich erzielt, dafür aber auf kompatible Hardware angewiesen ist.

Kommt in einem Ethernet-Netzwerk ein Synchronisationsprotokoll zum Einsatz, können sämtliche an dieses Netzwerk angeschlossenen Geräte, also auch die GigE Vision-Kameras, Timestamps in derselben Taktdomäne erstellen.

Timestamping-Features stehen bei GMSL nicht zur Verfügung. Einige Bildsensoren können zwar über den MIPI-Header eine Zeitstempel-Funktion bieten, allerding ist dieser üblicherweise nicht für andere Einheiten auf höheren Systemebenen verfügbar. In einigen Systemarchitekturen ist der Deserializer mit einem SoC verbunden, das an ein PTP-Netzwerk angeschlossen ist, damit ein zentraler Takt verwendet werden kann.

Fazit

Wie die Übersicht in Tabelle 1 zeigt, ist GMSL eine leistungsfähige Alternative für bestehende GigE-Vision-Lösungen. Verglichen mit GigE-Vision-Kameras, bringen es GMSL-Kameras oftmals auf gleichwertige oder gar bessere Linkraten und Feature-Ausstattungen – und zwar mit niedrigeren Kosten, weniger Stromverbrauch und einer einfacheren Systemarchitektur, die auf der Systemebene weniger Platz benötigt. Weil GMSL außerdem ursprünglich für Automotive-Anwendungen konzipiert wurde, hat sich diese Technik bei Automobilentwicklern seit Jahrzehnten unter rauen Einsatzbedingungen bewährt.

Dementsprechend kann GMSL bedenkenlos für die Entwicklung von Systemen eingesetzt werden, bei denen es auf Zuverlässigkeit und funktionale Sicherheit ankommt. (se)

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* Kainan Wang arbeitet als Systems Applications Engineer im Bereich Automotive Cabin Experience bei Analog Devices in Wilmington, Massachusetts/USA.

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