La technologie GMSL s'étend au-delà des applications automobiles

Les applications de vision exigent des flux de données importants pour garantir une vidéo de haute qualité. Une image Full HD se compose de 1080 lignes par 1920 colonnes, soit plus de 2 millions de pixels. Lors d'une transmission à 60 images par seconde, le débit de données brut atteint rapidement la plage des gigabits par seconde. C'est là que les concepteurs de produits peuvent tirer parti de la technologie GMSL (Gigabit Multimedia Serial Link).

Développée à l'origine par Maxim et faisant désormais partie du portefeuille de produits d'Analog Devices, Inc., la technologie GMSL continue d'évoluer en tant que technologie de liaison de données et vidéo haute vitesse de pointe. Créée pour les applications automobiles de transmission de données et vidéo haute vitesse, elle a connu trois générations (GMSL1, GMSL2 et GMSL3) avec plus de 900 millions de circuits intégrés expédiés à travers le monde. Son adoption connaît une forte croissance dans de nombreuses applications non automobiles où la transmission de données de capteurs et vidéo à haute vitesse et faible latence est essentielle :

• La technologie GMSL est utilisée pour connecter les caméras de vision industrielle dans les systèmes de robotique et d'inspection, offrant des performances fiables dans les usines où les interférences électromagnétiques (EMI) et les longs câbles peuvent mettre à rude épreuve les interfaces conventionnelles.
• Dans les dispositifs médicaux, la technologie GMSL permet la transmission vidéo en temps réel depuis les caméras chirurgicales et de diagnostic, notamment dans les systèmes compacts où un câblage et une latence minimum sont essentiels.
• Les concepteurs dans les secteurs de l'aérospatiale et de la défense utilisent la technologie GMSL pour transmettre des données d'imagerie et de capteurs essentielles à la mission dans les aéronefs, les drones et les systèmes de surveillance, tirant parti de la robustesse et des capacités de diagnostic de cette technologie.
• Les systèmes ferroviaires et de transports en commun utilisent la technologie GMSL pour transmettre des flux vidéo et des informations voyageurs entre les véhicules et les unités de contrôle.

Dans tous ces secteurs, la combinaison de bande passante, de résilience et de simplicité de la technologie GMSL aide les concepteurs à répondre aux exigences des systèmes basés sur des caméras et des données. Bien que souvent perçue comme une solution haut de gamme, la technologie GMSL peut être appliquée à des projets professionnels à faible volume exigeant des liaisons de capteurs ou vidéo haute vitesse robustes.

Capacités principales

GMSL est une technologie de sérialiseur/désérialiseur (SerDes) haute vitesse conçue pour transmettre des données vidéo, audio, de commande et d'alimentation sur un seul câble, généralement coaxial ou à paire torsadée blindée (STP). GMSL prend en charge la communication en duplex intégral asymétrique, avec un canal direct pour la transmission vidéo à large bande passante et un canal inverse pour les signaux de commande basse fréquence.

Cette technologie prend en charge des distances jusqu'à 15 m et des vitesses dépassant 6 Gbps dans ses versions les plus récentes. Ces fonctionnalités permettent à la technologie GMSL de prendre en charge la vidéo haute résolution, notamment les capteurs 8 MP et les écrans 4K+.

De nombreuses applications modernes, s'étendant de l'aide à la conduite automobile à la vision industrielle, dépendent de la vidéo haute résolution en temps réel. Une image Full HD est composée de 2 millions de pixels, donc un pixel stockant 8 bits pour chaque canal rouge, vert et bleu — 24 bits au total — représente près de 50 Mb de données non compressées par image.

Un seul flux vidéo 1080p non compressé à 60 images par seconde peut exiger plus de 3 Gbps de bande passante, et ce, avant même d'ajouter la surcharge liée à la profondeur des couleurs, à la synchronisation ou à la correction des erreurs. La capacité de la technologie GMSL à transmettre plusieurs gigabits par seconde sur un seul câble coaxial ou STP permet aux concepteurs de fournir une vidéo nette à faible latence sans recourir à des schémas de compression qui augmentent la complexité et introduisent des retards.

La latence est un facteur clé dans les applications sensibles au temps. Qu'il s'agisse de la caméra frontale d'un véhicule aidant à détecter les dangers ou d'un robot sur une chaîne de montage ajustant sa prise, les moindres retards dans la transmission vidéo peuvent compromettre les performances ou la sécurité.

Les liaisons haut débit de GMSL permettent une transmission quasi instantanée des données de capteurs et vidéo, ce qui en fait la solution idéale pour les systèmes qui dépendent d'un retour d'information et d'une prise de décision en temps réel. Cette caractéristique est essentielle pour les applications où la latence est critique, comme la détection des dangers sur une chaîne de montage.

Une autre caractéristique importante de la technologie GMSL — en particulier dans les conceptions à espace restreint ou sensibles aux coûts — est sa prise en charge d'une distribution d'alimentation intégrée via le même câble que celui utilisé pour les données. Connue sous le nom de Power over Coax (PoC), cette capacité permet à un seul câble coaxial de transmettre la vidéo, les signaux de commande et l'alimentation vers des dispositifs à distance tels que des caméras, des écrans ou des capteurs. Cela réduit le besoin de lignes d'alimentation séparées, diminuant ainsi la complexité, le poids et le coût du câblage.

La technologie PoC est une fonctionnalité essentielle de GMSL depuis sa première génération et s'avère particulièrement précieuse dans les applications automobiles, industrielles et embarquées impliquant de grandes longueurs de câbles ou un routage flexible. À chaque nouvelle génération, la capacité PoC a évolué pour prendre en charge des niveaux de puissance plus élevés, une efficacité supérieure et de meilleures performances EMI, ainsi que des fonctions de diagnostic et de protection améliorées pour permettre des conceptions de systèmes multi-dispositifs plus complexes.

Aperçu des différentes générations GMSL

La première génération GMSL, initialement lancée en 2008, utilisait la norme de signalisation différentielle à basse tension (LVDS) pour fournir des débits de données parallèles en liaison descendante jusqu'à 3,125 Gbps. Cette norme convenait particulièrement bien à la transmission de données provenant de plusieurs systèmes de caméras et d'autres applications avancées d'aide à la conduite (ADAS), ainsi qu'à l'utilisation croissante d'écrans plats haute définition embarqués. Les composants GMSL1 restent un choix viable et largement disponible pour les concepteurs de produits travaillant sur des applications sensibles aux coûts ou à bande passante modérée, et sont bien pris en charge par les récepteurs compatibles GMSL2.

• Le MAX96705 est un sérialiseur GMSL1 compact et économique avec PoC intégré qui prend en charge des débits de données jusqu'à 1,5 Gbps, ce qui convient aux systèmes de vision automobile d'entrée de gamme, aux caméras d'inspection industrielle et à d'autres applications de vision qui n'ont pas les exigences de bande passante des technologies GMSL2 ou GMSL3.

La technologie GMSL2 utilise un protocole série haute vitesse propriétaire qui permet une synchronisation intégrée, des performances EMI améliorées et des débits de données plus élevés, et ce, sur une seule paire différentielle. Elle a notamment doublé la bande passante disponible à 6 Gbps, ce qui permet de prendre en charge des flux vidéo à plus haute résolution, des fréquences d'images plus élevées et même plusieurs caméras agrégées. Elle élimine le besoin de lignes d'horloge séparées, réduisant ainsi la complexité du câblage et améliorant l'intégrité des signaux sur de longues distances. GMSL2 maintient la rétrocompatibilité avec GMSL1, facilitant la transition vers des conceptions plus performantes sans nécessiter une restructuration complète de la plateforme.

• Le MAX96716A est un désérialiseur à double entrée qui prend en charge les liaisons GMSL1 et GMSL2 et des débits de données jusqu'à 6 Gbps par voie, avec des sorties vers MIPI CSI-2, une interface commune pour les SoC et les processeurs de vision. Avec un pontage I²C intégré, une prise en charge PoC et une correction d'erreur directe (FEC), il constitue une solution fiable et flexible pour les configurations multi-caméras ou pour relier des sérialiseurs anciens et récents sans avoir à repenser l'interface hôte.

GMSL2 répond aux exigences strictes de compatibilité électromagnétique (CEM) des applications automobiles et industrielles, pour lesquelles la norme LVDS traditionnelle est souvent insuffisante. GMSL2 a également ajouté la prise en charge de la vidéo compressée et non compressée, offrant aux concepteurs une plus grande flexibilité en fonction des contraintes du système. Contrairement à GMSL1, cette technologie utilise une horloge embarquée, réduisant ainsi les interférences électromagnétiques et simplifiant la conception du câblage.

Les autres améliorations générationnelles de GMSL2 incluent une meilleure gestion des données de contrôle, avec une transmission à plus faible latence pour I²C, SPI, GPIO et audio, ainsi que des diagnostics intégrés et une détection d'erreurs pour une plus grande robustesse du système.

La technologie GMSL3 a apporté de nouvelles avancées aux applications de vision en prenant en charge l'agrégation, qui permet de transmettre plusieurs flux vidéo haute résolution, des signaux de commande bidirectionnels (comme I²C, GPIO et SPI) et des signaux audio sur un seul câble physique. Cela simplifie le câblage et réduit le poids et la complexité dans les conceptions à espace restreint.

Dans de nombreuses applications modernes, plusieurs sources vidéo — telles que des caméras — et périphériques — tels que des capteurs ou des écrans — doivent communiquer simultanément avec un processeur central.

GMSL3 prend en charge des débits de données jusqu'à 6 Gbps par voie série, avec des configurations utilisant plusieurs voies pour augmenter davantage le débit.

• Le MAX96793GTJ/VY+ est un sérialiseur GMSL3 compact qui accepte jusqu'à quatre voies vidéo MIPI CSI-2 et fournit une seule liaison GMSL3 de 12 Gbps, avec une rétrocompatibilité intégrée avec GMSL2 (Figure 1).

Figure 1 : Les sérialiseurs GMSL3 MAX96793, rétrocompatibles avec la version GMSL2, offrent aux concepteurs une solution efficace pour les systèmes multi-caméras haute résolution ou pour la mise à niveau depuis GMSL2. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• Le MAX96792A d'ADI est un désérialiseur GMSL3/GMSL2 à deux voies hautes performances, capable d'agréger deux voies série pour un total de 12 Gbps de données de contrôle, vidéo et audio sérialisées (Figure 2). Cela permet la capture vidéo multi-caméra ou haute résolution via deux interfaces MIPI CSI-2 et offre des capacités pour les systèmes d'aide à la conduite, les véhicules autonomes, la vision industrielle avancée et d'autres applications à large bande passante. La prise en charge GMSL3 et GMSL2 simplifie les mises à niveau entre les lignes de produits. (En mode GMSL2, il peut être associé au sérialiseur GMSL2 MAX96717RGTJ/V+.)

Figure 2 : Le désérialiseur GMSL3/GMSL2 à deux voies MAX96792A offre des fonctionnalités pour les applications de vision avancées. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Les concepteurs peuvent tirer parti des cartes d'évaluation et des kits de développement pour explorer les capacités GMSL3 et prototyper avec du matériel réel.

• Le MAX96793-ACK-EVK# (Figure 3), avec le circuit intégré de sérialiseur MAX96793, permet aux concepteurs de prototyper et de tester rapidement des liaisons vidéo GMSL3 et GMSL2 haute vitesse, en convertissant l'entrée MIPI CSI-2 en une sortie GMSL3 jusqu'à 12 Gbps sur câble coaxial ou STP.

Figure 3 : La carte d'évaluation MAX96793-ACK-EVK# permet de prototyper des applications GMSL3 avec le sérialiseur MAX96793. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

• La carte d'évaluation MAX96792A-BCK-EVK# (Figure 4) pour le MAX96792A est une carte d'évaluation de désérialiseur GMSL3/GMSL2 à deux voies qui démontre le fonctionnement GMSL3 complet en utilisant deux voies de 6 Gbps (12 Gbps au total) sur câble coaxial ou STP via la signalisation PAM-4.

Figure 4 : Le kit d'évaluation MAX96792A-BCK-EVK# inclut un désérialiseur GMSL3 pour le prototypage d'applications. (Source de l'image : Analog Devices, Inc.)

Adoption généralisée et écosystème robuste

La technologie GMSL d'ADI a été largement adoptée dans les industries automobile, industrielle, médicale et aérospatiale. Grâce à ses capacités combinées de transmission vidéo haute vitesse, de distribution d'alimentation, de résistance EMI et d'intégration au niveau système, elle constitue une norme de facto pour les systèmes de vision hautes performances lorsque les protocoles ouverts sont insuffisants.

ADI offre une plateforme évolutive éprouvée pour le déploiement de liaisons de capteurs et vidéo en temps réel dans les environnements exigeants, soutenue par un écosystème robuste de sérialiseurs, de désérialiseurs, de modules de caméra et d'outils de développement.

La rétrocompatibilité est une fonctionnalité clé des différentes générations GMSL. GMSL2 est rétrocompatible avec GMSL1 dans de nombreuses configurations, permettant à certains sérialiseurs et désérialiseurs conçus pour GMSL2 de fonctionner en mode GMSL1 lorsqu'ils sont associés à un périphérique GMSL1. Les concepteurs peuvent ainsi faire évoluer leurs conceptions tout en tirant parti du matériel existant.

Bien que GMSL3 utilise un protocole de signalisation fondamentalement différent et une architecture à plus haute vitesse, ADI propose des composants qui fonctionnent en mode double GMSL2 et GMSL3. Les concepteurs bénéficient ainsi de la flexibilité nécessaire pour implémenter des mises à niveau système progressives ou proposer des lignes de produits multi-plateformes, comme un modèle haut de gamme basé sur GMSL3 et un modèle bas de gamme basé sur GMSL2.

Conclusion

La technologie GMSL rationalise la conception, réduit le câblage et répond à la demande croissante de données à large bande passante et faible latence dans les systèmes embarqués et périphériques. La mise en forme des signaux avancée et la correction d'erreurs de GMSL garantissent que les applications peuvent maintenir des liaisons haute intégrité rapides même en conditions difficiles et sur des distances de 15 m ou plus, alors que d'autres interfaces comme USB, HDMI ou MIPI CSi subissent généralement une dégradation des signaux sur de telles distances, en particulier dans les environnements exposés au bruit tels que les véhicules ou les usines. La rétrocompatibilité entre les générations GMSL garantit l'intégration transparente des nouveaux composants dans les systèmes existants, permettant des mises à niveau progressives sans reconception complète et contribuant à équilibrer les coûts, les performances et la flexibilité de la chaîne d'approvisionnement entre toutes les lignes de produits.