跨代相容簡化車載鏈路　視覺感測SerDes效能升級

GMSL(Gigabit Multimedia Serial Link)技術的主要優勢之一在於實現了同一代元件之間的跨代相容性。GMSL2向後相容GMSL1，GMSL3則向下相容GMSL2；可參考元件資料手冊，確認元件的相容性。由於相容元件採用相同的接腳與封裝，因此既有設計可直接複用，有助於縮短設計時間。

GMSL3加倍速率降低頻率負擔

GMSL3的主要不同之處是鏈路上的GMSL資料速率加倍，達到12Gbps。GMSL2通常足以因應大多數應用，但感測器和顯示器的頻寬仍在不斷提高。GMSL3旨在提高資料速率，同時保留GMSL的所有優勢，包括自我調整等化(Adaptive Equalization, AEQ)、ASIL-B(Automotive Safety Integrity Level，汽車安全完整性等級)功能安全性和穩固的錯誤監控診斷。

GMSL2使用非歸零(Non-Return-to-Zero, NRZ)調變，其奈奎斯特頻率為傳輸資料速率的一半。因此，對於6Gbps鏈路，該頻率為3GHz(或對於3Gbps鏈路，該頻率為1.5GHz)。在仍然使用NRZ調變的情況下，資料速率加倍表示對於12Gbps鏈路，奈奎斯特頻率為6GHz。然而，使用更高頻率會帶來一些問題，例如線纜、連接器和PCB的插入損耗增加，導致應用中線纜的總長度必須縮短。

為了避免在資料速率加倍的情況下使用更高頻率，GMSL3採用4階脈衝幅度調變(Pulse Amplitude Modulation 4-level, PAM4)，以保持與GMSL2相同的奈奎斯特頻率。較低的通道工作頻率可為系統帶來多項優勢：

• GMSL2和GMSL3使用相同的時脈鏈路速率，支援原理圖和PCB佈局複用，工作在FR-4 PCB上。
• 線纜和連接器的插入損耗更低。
• 由於頻寬加倍而鏈路速率保持相同，因此頻譜效率更高。

GMSL3同時支援6Gbps(NRZ)和12Gbps(PAM4)。

設計考量因素

這裡以CSI-2(Camera Serial Interface 2)至GMSL3串列器MAX96793和GMSL3至CSI-2解串器MAX96792A為例進行說明。整體而言，變更幅度不大，但仍需針對個別系統應用進行評估。

接腳相容性

GMSL2代和GMSL3代的GMSL元件接腳相容，以支援設計複用。串列器封裝為5mm × 5mm薄型四方扁平無引腳封裝(Thin Quad Flat No-lead, TQFN)。圖1詳細展示了MAX96717和MAX96793的接腳配置：

在這些元件上使用反向通道參考時脈(reference clock over reverse, RoR)功能時，應將一個20nF±10%的電容連接在VREF接腳(接腳7)和接地端之間。此連接為GMSL3模式使用RoR時的必要條件，而對於GMSL2模式則是可選的，以保持最佳反向鏈路餘裕。

如果在GMSL3上不使用RoR，則不需要此電容。

解串器封裝為7mm × 7mm TQFN。圖2詳細展示了MAX96716A和MAX96792A的接腳配置。

功耗

這些元件的功耗是在表1所列配置條件下，於實體層介面滿負荷運作時測得。

串列器組的元件使用相同的電源輸入電壓，以簡化電源拓撲要求。MAX96717和MAX96793 GMSL元件系列的VDD18軌使用相同的電源。VDD核心軌的最大電流僅有輕微增加，幅度約為70mA(25°C)或110mA(105°C)。應確認電源設計具備足夠餘裕，以因應電流增加。

如前所述，這些元件的特點是其配置目的為充分發揮實體層介面能力，即解串器同時支援雙GMSL輸入和雙MIPI-CSI2輸出。這些元件可以僅使用單一GMSL輸入和/或單一MIPI-CSI2輸出，以降低總功耗。

此外，攝影機解串器具有MIPI-CSI2供電軌VTERM，用於MIPI-CSI2 PHY。

解串器組的元件亦使用相同的電源輸入電壓，以簡化電源拓撲要求。MAX96716A和MAX96792A GMSL元件系列的VDD18軌使用大致相同的電源。VDD核心軌的最大電流有所增加，幅度增加約為160mA(25°C)或390mA(105°C)，如表2所示。檢查電源，確保供電軌上有足夠的餘裕以適應電流增加。

此外，兩款元件的靜態電流消耗和最大電源雜訊容差相同，以使這兩個系列遵循一致的系統要求。

配置接腳設定

這些元件的配置接腳差異很小。請務必根據元件資料手冊來確認配置接腳值，因為這將決定元件每次啟動時的配置狀態。

圖3和圖4展示了配置接腳的詳細資訊，這裡以MAX96717和MAX96793為例進行說明。

所有配置接腳的設定都取決於具體元件，詳細資訊請參考各自的資料手冊。

配置接腳0(CFG0)用於設定UART與I²C之間的通訊介面、RoR或晶振的選擇，以及元件位址。配置接腳1(CFG1)用於設定線纜類型(遮蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair, STP)或同軸線纜)、GMSL資料速率，以及隧道模式或像素模式。CFG1在設定GMSL資料速率方面有細微差異。這些元件的像素模式資料速率相同。隧道工作模式支援GMSL3的6Gbps和12Gbps，以及GMSL2的3Gbps和6Gbps。

PAM4調變方案

PAM4是GMSL針對嚴苛的汽車環境所採用的一種成熟調變方案。NRZ每個符號可傳輸1位元資料，PAM4每個符號則可傳輸2位元資料，使得GMSL3能夠以與GMSL2相同的串列傳輸速率運行，同時將所傳輸資料的位元速率加倍。

然而，資料速率加倍並非沒有代價：PAM4的眼圖開度較小，約為NRZ眼圖開度的1/3。

圖5中，「A」定義為NRZ眼圖開度。若NRZ每個週期(1/T)傳輸1位元，SNR為A；PAM4則可在相同週期(2/T)傳輸2位元，SNR為A/3。

前向糾錯

為了克服PAM4固有的雜訊敏感性，GMSL3具備前向糾錯(FEC)功能，可為鏈路增加資料冗餘和糾錯能力。FEC可以顯著降低SNR要求，並有助於降低鏈路的誤碼率(BER)，使GMSL鏈路的BER降至約每個鏈路生命週期發生一次位元錯誤的程度。

GMSL FEC採用Reed-Solomon編碼，這種編碼廣泛用於CD、QR codes，甚至航海家太空船[1]。此外，FEC資訊可透過暫存器即時監控，或在GMSL GUI中方便地進行查看(圖6)。

FEC是GMSL3的強制要求，因此在確認案例是否具有足夠的頻寬時，需要考慮FEC對頻寬的影響。為了增加BER的穩固性，在GMSL鏈路上使用FEC會產生6.67%(128/120)的額外開銷。GMSL GUI中的GMSL頻寬計算器在計算中包括了此一開銷。此開銷使得GMSL3鏈路的實際可用頻寬大約為9.7Gbps，如圖7所示。

錯誤報告

在GMSL3鏈路上使用FEC時，需要根據系統監控要求，調整錯誤監控策略。FEC可以檢測並糾正鏈路上發生的錯誤，

元件會報告糾正情況，這稱為FEC可糾正位元。FEC不可糾正位元是不被允許的，因為它代表GMSL3元件無法修復鏈路上發生的錯誤。

因此，需要根據錯誤的定義，調整錯誤監控策略。對於GMSL2模式，解碼和空閒錯誤用於報告鏈路上發生的錯誤。對於GMSL3模式，FEC不可糾正位元錯誤用於報告鏈路上的錯誤；FEC糾正的位元也會被報告。

預設情況下，FEC錯誤標誌用於檢查可糾正位元和不可糾正的位元，並報告給ERRB接腳。可糾正位元的FEC閾值必須根據系統要求進行調整。相關錯誤監控變更請參閱軟體差異部分。

通道規格

GMSL2和GMSL3之間的一個顯著區別是GMSL通道規格。請勿認為符合規範的GMSL2系統與GMSL3通道規範相容，因為後者的預算限制更嚴格。

複用設計時，務必重新評估PCB佈局和布線需求。

GMSL3(12Gbps)和GMSL2(6Gbps)的鏈路基頻皆為3GHz。

GMSL3的插入損耗要求額外規定了長通道(高損耗)和短通道(低損耗)兩種情況。短通道的插入損耗(IL)更嚴格，但回波損耗(RL)較寬鬆。

GMSL3的回波損耗要求也額外規定了長通道(高損耗)和短通道(低損耗)兩種情況。短通道的RL較寬鬆，但IL更嚴格。

S-參數資料在與GMSL3 IL和RL限值進行比較之前，必須進行濾波。在全部範圍內對S-參數應用100MHz濾波器。從最低擷取頻率到50MHz，應用未濾波的資料。超過50MHz時，使用經濾波的資料與限值進行比較。

暫存器設定差異

在軟體方面，這些元件之間有兩大差異：GMSL3工作模式和錯誤監控。

對於GMSL3模式，表3和表4中詳細列出的以下所有更改都透過CFG接腳處理。這些接腳用於正確配置元件的發送和接收速度，以及PAM4調變。表3和表4列出了透過軟體設定或覆寫CFG接腳時需使用的暫存器，但此類操作通常不建議採用。

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備註：如果使用CFG接腳配置GMSL模式，則表3和表4中顯示的以下更改不是必須的。

程式設定步驟需要按照特定順序進行。先從遠端元件開始，然後再處理本地元件。遠端和本地指的是I2C控制器的位置。對本地元件進行程式設計時，會阻止其與遠端元件的通訊。在此範例中，MAX96793是遠端元件，而MAX96792A(連接到I2C控制器)是本地元件。

如錯誤報告部分所述，錯誤監控策略需要根據FEC報告進行更改(表5、6)。

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啟用FEC後，FEC統計資訊可以根據應用要求單獨配置。MAX96792A擁有許多暫存器，暫存器塊位址從0x2000開始，支援讀取統計資訊及設定兩個鏈路的錯誤閾值。

例如，應用可能允許在觸發報警之前存在一定數量的可糾正位元錯誤，則可以將CORRECTED_THRESHOLD_0/1/2/3設定為允許的糾正位元數量。不可糾正位元錯誤則代表鏈路可能存在較嚴重的問題。透過這些統計資訊，可掌握GMSL鏈路的運作狀態。

GMSL2和GMSL3元件系列可依據實際的設計需求進行擴展，本文所述細節說明升級系統時需考量的變更。一般來說，GMSL2和GMSL3元件盡可能保持一致，以減輕升級時的設計負擔。本文詳細介紹兩款特定元件的升級細節，設計時務必查閱其他相關GMSL2和GMSL3元件的資料手冊。然而，無論是何種GMSL元件，GMSL頻寬的計算方式和GMSL通道的規格均遵循統一標準。

(本文由ADI提供)

參考資料

1. Canterbury，“QR codes - Coding - Error control - Computer Science Field Guide”，Csfieldguide.org.nz，2024年。https://www.csfieldguide.org.nz/en/chapters/coding-error-control/qr-codes