智能座艙架構與芯片-硬件篇

高速視頻傳輸(GMSL)

為了解決未來汽車系統(tǒng)所面臨的問題，美信(Maxim)推出了全新下一代GMSL技術，即吉比特多媒體串行鏈路(GMSL)串行器和解串器，用來支持未來ADAS和信息娛樂系統(tǒng)要求的寬帶、互聯(lián)復雜度和數據完整性的要求。

GMSL技術可以支持4K的數據傳輸流，采用同軸電纜或雙絞線介質時，支持長達15米的傳輸距離，該產品滿足業(yè)界最為嚴苛的EMC。支持視頻的匯聚與分割，同時還集成了診斷功能，可以實時監(jiān)測鏈路傳輸性能。

美信的GMSL可以支持如下多種用法：

支持Video和以太網：

圖片來源：Maxim

通過GMSL技術，可以整合高清視頻和高速以太網數據傳輸，簡化了車內的布局布線，使系統(tǒng)設計更為簡單。

2. 支持多路Video：

圖片來源：Maxim

針對多傳感器融合，由于具備視頻切割功能，所以可以使用一個串行器整合多路視頻數據，然后分別送入不同的顯示器。

3. 支持Camera 4通道聚合

圖片來源：Maxim

在環(huán)視系統(tǒng)中，由于具有視頻匯聚功能，通過GMSL四通道解串器，可以同時支持四個攝像頭的傳輸，大大節(jié)約系統(tǒng)布線的困擾以及FPGA的設計成本。

串行器和解串器IC均內置擴頻功能，以改善鏈路的電磁兼容(EMI)性，無需外部擴頻時鐘。串行器和解串器系列產品的互操作性允許鏈路兩側使用不同接口。除驅動高分辨率中央/后排顯示屏和儀表盤外，GMSL SerDes也能勝任百萬像素級攝像系統(tǒng)設計。

與FPD-Link類似，GMSL同樣支持前向高速數據傳輸，反向低速控制信號傳輸等功能。因此在車載高速音視頻傳輸接口中，通常都會選擇FPD-Link或者GMSL互為供應鏈備份。

高速視頻傳輸(MIPI A-Phy)

MIPI A-phy是MIPI聯(lián)盟制定的，用于汽車行業(yè)的串行解串器規(guī)范。2015年中期，MIPI聯(lián)盟確定了對統(tǒng)一的車載連接規(guī)范的需求，該規(guī)范可以滿足汽車行業(yè)對高帶寬，低時延，重量輕，功耗低的需求。到2020年6月，MIPI聯(lián)盟宣布已經完成MIPI A-Phy V1.0的開發(fā)，這是一個用于汽車應用的長距離SerDes物理層接口。

MIPI聯(lián)盟制定的其他規(guī)范，例如C-Phy，D-Phy，M-Phy，已經在消費電子類領域廣泛應用；但這幾個規(guī)范都只能在短距離應用，最多傳輸15cm。而A-Phy的設計則是為了滿足跨越整個車輛距離的高速數據傳輸。它最大傳輸距離能達到15米；通過使用STP線纜，增加傳輸通道，A-Phy的傳輸速率可以超過16Gbps，甚至達到48Gbps；

采用A-Phy可以直接承載MIPI的CSI-2(用于Camera)和DSI-2(用于Display)協(xié)議，它可以分2步進行應用。

1.采用A-Phy技術設計橋接芯片，類似于FPD-Link或者GMSL，可以為客戶提供額外的其他選擇。

2.直接在Camera，Display顯示屏，以及SOC主芯片內部集成A-Phy，消除橋接芯片。

上圖說明了配備A-phy的Camera和配備A-phy的ECU或汽車芯片之間最簡單的直接連接。消除每個端點的橋接芯片將降低成本，電纜重量，功耗和等待時間，并提高可靠性。

可以看到，A-phy不是直接跨越式的替換現有的方案，而是通過兼容性的替代現有的SerDes橋接芯片，最后實現完全不用橋接芯片的最終方案。這樣的好處是平穩(wěn)過渡，有利于A-phy的接受和推廣。

A-phy的關鍵技術優(yōu)勢包括：

非對稱優(yōu)化架構。A-PHY從頭開始設計，用于從攝像機/傳感器到ECU以及ECU到顯示器的高速非對稱傳輸，同時為命令和控制提供并發(fā)的低速雙向通信。與其他/對稱架構相比，優(yōu)化的非對稱架構可簡化設計并降低成本。

簡化系統(tǒng)集成并降低成本：對使用MIPI CSI-2和DSI-2的設備的原生支持，最終消除了對橋接IC的需求

遠距離：15米連接距離；

高性能：5檔速度(2,4,8 和16Gbps)，未來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：超低的誤碼率PER,10^-19，可在車輛使用壽命內提供空前的性能

移動協(xié)議重用。在數十億智能手機和物聯(lián)網設備中成功部署后，MIPI協(xié)議已被充分證明可直接用于汽車。

純硬件協(xié)議層。就像在使用D-PHY / C-PHY分層的移動應用程序中一樣，A-PHY與CSI-2 / DSI-2協(xié)議層緊密耦合，因此基本上在僅具有硬件的協(xié)議層下運行，而無需軟件干預。該體系結構與其他接口相比，后者具有更高的靈活性，并利用軟件層來實現這種靈活性。

針對布線，成本和重量的優(yōu)化架構。由于A-PHY的優(yōu)化的非對稱架構和硬件協(xié)議分層，A-PHY的實現可以滿足優(yōu)化的布線，成本和重量要求。隨著電子組件及其接口電纜的數量在實現自主的道路上增加，這一點變得越來越重要。

其他協(xié)議的靈活鏈路層支持。MIPI Alliance希望與其他將其本機協(xié)議應用于汽車的組織合作。這包括VESA，它正在調整其DisplayPort協(xié)議規(guī)范以供汽車使用。為了適應這些不斷發(fā)展的規(guī)范，A-PHY包括一個通用數據鏈路層，該層可容納不同的協(xié)議適應層，并計劃支持VESA的車載DisplayPort協(xié)議。

高EMC抗擾性。MIPI已投入大量資金來分析和測量惡劣的汽車通道，并得出結論，基于窄帶干擾消除器（NBIC）和重傳方案（RTS）的體系結構可提供最強大的性能，特別是對于需要更長數據速率的應用距離。

A-phy 協(xié)議：

2.6 高速視頻傳輸(ASA)

ASA(Automotive Serdes Alliance)是汽車Serdes聯(lián)盟的簡稱。它是由包括70多家公司聯(lián)合組建的，成立于2019年5月。它的創(chuàng)始公司包括BMW，Continental，Broadcom and NXP等。在2020年12月，ASA發(fā)布了1.0 Spec。它是一個針對汽車內部非對稱連接(例如，Camera，Display，Sensor等) 的串行-解串通信技術，稱為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:

Gen1：支持Camera和Sensor的連接：采用ASA Serdes承載CSI

2. Gen2：支持Display的連接：采用ASA Serdes承載eDP或者HDMI

USB

USB是汽車座艙內部通用的數據連接通道。在座艙內方便的地方設置USB 接口，可以方便駕駛員，車內乘客進行充電，連接手機，U盤，卡拉OK等應用。

使用USB插口，首先要考慮數據帶寬，其次要考慮插口類型，最后要考慮是否符合車規(guī)標準要求。

帶寬

USB-IF組織發(fā)布了全新的USB4 v2.0規(guī)范，帶來了新一代的USB 80Gbps接口，還有全新的命名體系。

首先說回到UBS4 2.0或者說USB 80Gbps，其最主要的變化在于帶寬再次翻番來到了80Gbps，這得益于新的基于PAM3信號編碼機制的物理層架構，同時還有新定義的80Gbps有源數據線。在特定應用場景中，比如8K超高清顯示，USB 80Gbps還可以配置為非對稱編碼異步傳輸模式，一個方向可以高達120Gbps，從而足夠承載DP 2.0/2.1 UHBR20信號，另一個方向則是40Gbps。

同時USB 80Gbps升級了數據和顯示協(xié)議，可以更好地利用帶寬，其中數據傳輸支持20Gbps的高帶寬，顯示傳輸則和DP 2.0、PCIe 4.0相互打通，共享PHY物理層，從而一個接口搞定高速數據、顯示。當然了，USB 80Gbps依然保持向下兼容，而且只有USB Type-C一種接口形式。

在接口的命名規(guī)則方面，USB接口將統(tǒng)一以傳輸帶寬命名，USB4 v2.0對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2對應20Gbps，USB 3.2 Gen2對應USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1對應USB 5Gbps……更古老的USB 2.0、USB 1.0保持不變，因為它們的速度太慢了，還停留在Mbps數量級。如果改叫USB 480Mbps，不但麻煩還容易引起誤會。

接口

USB Type-C是一種USB接口外形標準，擁有比Type-A及Type-B均小的體積，既可以應用于PC（主設備）又可以應用于外部設備（從設備，如手機）的接口類型 。USB Type-C有4對TX/RX分線，2對USBD+/D-，一對SBU，2個CC，另外還有4個VBUS和4個地線。

4* Tx/Rx ：一共4對高速信號差分線。可以傳輸4-lane DP信號，或者4-lane的USB 10Gbps信號；USB10Gbps信號只需要2對差分信號線(Tx+/Tx- and Rx+/Rx-) 即可傳輸；其他2對差分信號線是為了支持正反插而設計的。

2*D+/D-：2對USB D+/D-信號線?？梢杂脕磉B接USB2.0，或者USB1.0，支持正反插。當選擇使用DP+USB2.0模式時，可以支持ARVR；

2*CC：用于Power Delivery模塊(簡稱PD)的通訊。CC線首先用來判斷設備插入的方向，正插(CC1)或者反插(CC2)。

2*SBU：其他輔助用途。例如，在用于DP模式時，SBU作為DP協(xié)議中的AUX_P/AUX_N差分線，負責傳輸設備的DPCD，EDID等信息。

4*VBus and4*GND：用于供電。VBus提供默認的5V@500mA供電能力。但是如果需要進行快充，則額外的USB電力傳輸需要使用特殊的供電模塊。

供電

2021年5月25日，USB-IF協(xié)會推出了USB PD3.1最新快充標準規(guī)范，其中更新了有關供電能力的章節(jié)。USB PD3.1規(guī)范將原來的USB PD3.0內容歸到標準功率范圍（Standard Power Range，簡稱SPR）里面，最大功率保持100W不變；同時增加了擴展功率范圍（Extended Power Range，簡稱EPR），最大功率由100W擴展到240W。

從具體的實現案例來看，目前的PD芯片可以支持單口或者雙口供電，并且可以實現雙口動態(tài)功率調節(jié)。也就是說，假設總功率為100W，每個VBus可以分配為65W/35W。

當需要達到100W的充電功率時，一般電壓會為20V，電流達到5A。15W的充電功率，電壓為5V，電流為3A。

DP ALT Mode

DP ALT mode 允許通過一根電纜，使用標準的Type-C接口，承載USB2.0, USB 10Gbps, DP, VBus等信號，如下圖所示應用實例：

Type-C的管腳定義如下：

在USB-IF組織發(fā)布的USB/DP ALT mode V1.0規(guī)范中，采用同一個Type-C接口，可以承載如下的信號組合：

USB 10Gbps 4lane (正反插) + USB2.0+VBus：這就是USB 10Gbps的常規(guī)連接方式；

DP 4Lane+USB2.0+VBus：這時，高速的4對lane全部給DP使用，同時支持USB2.0和供電，Aux_CH用于DP交互和信號傳輸質量的協(xié)商，CC用于檢測識別插入：

DP 2Lane+USB3 2Lane+USB2.0+VBus：這時，2對高速差分線給DP使用，2對給USB 10Gbps使用，同時還支持USB2.0和VBus供電。

Virtual Link(非標準模式)：這種模式非USB-IF組織定義的DP ALT mode 范疇，是部分公司定義的私有協(xié)議，可用于VR應用。在這種模式下，4對高速差分線全部給DP使用，2對 USB D+/D-將被用于USB 10Gbps，當作Tx+/Tx- 和 Rx+/Rx-來使用。

如何觸發(fā)DP ALT Mode

Type-C Alt Mode 大致配置流程如下：

USB 連接 通過CC偵測到；

VBUS 引腳 提供默認電源配置 5V@500mA；

VBUS 所需的額外USB電力傳輸可以進行協(xié)商，Battery Charge 1.2（BC 1.2）或USB PD 都可以選擇；

使用 結構化 供應商定義報文（VDM） 需要USB PD 來發(fā)送來協(xié)商 Alt Mode 握手；

USB 枚舉；

如果 DP Alt Mode 協(xié)商已經完成，繼續(xù)進行DP link training來建立DP連接；

USB和DP通道準備就緒進行Type-C 數據和視頻信號傳輸；

車規(guī)

在智能座艙環(huán)境下，USB Type-C接口和線纜還需要滿足車規(guī)的標準。這里車規(guī)的含義，包括環(huán)境溫度和接插件的穩(wěn)固程度。除了暴露給用戶可見的Type-C接口與消費類電子相似之外，其他與車內零部件連接的接插件和線纜都要滿足車規(guī)的標準，以應對惡劣的車內環(huán)境，以及更長的使用周期限制。

一般來說，車內使用的USB接口與線纜，需要考慮如下幾個因素：

傳輸距離：通常來說，USB 10Gbps信號線傳輸長度在1米到5米之間。如果超過2米，一般都要在Sink端增加Redriver芯片，否則信號眼圖將會閉合，無法傳輸；

工作溫度：接插件和線纜的工作溫度要滿足AEC-Q100 Grade2的標準，也就是達到-40°~+105°；

電磁屏蔽：由于車內電磁屏蔽的要求，線纜需要帶屏蔽層才能保證較好的EMC電磁兼容性；

穩(wěn)固程度：由于汽車運行環(huán)境存在顛簸，所以一般消費級的連接器無法應用在車內，需要考慮專用的接插器件，保證連接的穩(wěn)固；

Redriver

中繼器，有一個接收器和一個發(fā)射器，在接收器端，它通過它的均衡器（EQ）扮演著一個信號調節(jié)的角色。本質上講，接收器為輸入頻道損耗提供補償，如果不這么做，會導致額外的時鐘抖動。經過均衡后的信號便會被發(fā)射器中繼。發(fā)射器同樣可以選擇去加重（DE）或者預加重（PE），DE 是信號低頻分量的衰減，而PE 則是高頻分量的增強。這兩個技術都可以預補償中繼器發(fā)射端的輸出信號損耗。

當信號經過被動式的媒介比如PCB走線時，它會線性衰減。無論線路輸入端信號幅度如何，PCB線路都會使它衰減一定比率。一個完善的中繼器應當恰恰相反，無論其輸入端的幅值如何，將信號放大一定比率。這樣的中繼器便是線性中繼器，他的作用就是移除PCB走線的影響。

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