智能座舱架构与芯片- (4) 硬件篇中

2.4 高速视频传输(GMSL)

为了解决未来汽车系统所面临的问题，美信(Maxim)推出了全新下一代GMSL技术，即吉比特多媒体串行链路(GMSL)串行器和解串器，用来支持未来ADAS和信息娱乐系统要求的宽带、互联复杂度和数据完整性的要求。

GMSL技术可以支持4K的数据传输流，采用同轴电缆或双绞线介质时，支持长达15米的传输距离，该产品满足业界最为严苛的EMC。支持视频的汇聚与分割，同时还集成了诊断功能，可以实时监测链路传输性能。

美信的GMSL可以支持如下多种用法：

支持Video和以太网：

图片来源：Maxim

通过GMSL技术，可以整合高清视频和高速以太网数据传输，简化了车内的布局布线，使系统设计更为简单。

2. 支持多路Video：

图片来源：Maxim

针对多传感器融合，由于具备视频切割功能，所以可以使用一个串行器整合多路视频数据，然后分别送入不同的显示器。

3. 支持Camera 4通道聚合

图片来源：Maxim

在环视系统中，由于具有视频汇聚功能，通过GMSL四通道解串器，可以同时支持四个摄像头的传输，大大节约系统布线的困扰以及FPGA的设计成本。

串行器和解串器IC均内置扩频功能，以改善链路的电磁兼容(EMI)性，无需外部扩频时钟。串行器和解串器系列产品的互操作性允许链路两侧使用不同接口。除驱动高分辨率中央/后排显示屏和仪表盘外，GMSL SerDes也能胜任百万像素级摄像系统设计。

与FPD-Link类似，GMSL同样支持前向高速数据传输，反向低速控制信号传输等功能。因此在车载高速音视频传输接口中，通常都会选择FPD-Link或者GMSL互为供应链备份。

2.5 高速视频传输(MIPI A-Phy)

MIPI A-phy是MIPI联盟制定的，用于汽车行业的串行解串器规范。2015年中期，MIPI联盟确定了对统一的车载连接规范的需求，该规范可以满足汽车行业对高带宽，低时延，重量轻，功耗低的需求。到2020年6月，MIPI联盟宣布已经完成MIPI A-Phy V1.0的开发，这是一个用于汽车应用的长距离SerDes物理层接口。

MIPI联盟制定的其他规范，例如C-Phy，D-Phy，M-Phy，已经在消费电子类领域广泛应用；但这几个规范都只能在短距离应用，最多传输15cm。而A-Phy的设计则是为了满足跨越整个车辆距离的高速数据传输。它最大传输距离能达到15米；通过使用STP线缆，增加传输通道，A-Phy的传输速率可以超过16Gbps，甚至达到48Gbps；

采用A-Phy可以直接承载MIPI的CSI-2(用于Camera)和DSI-2(用于Display)协议，它可以分2步进行应用。

1.采用A-Phy技术设计桥接芯片，类似于FPD-Link或者GMSL，可以为客户提供额外的其他选择。

2.直接在Camera，Display显示屏，以及SOC主芯片内部集成A-Phy，消除桥接芯片。

上图说明了配备A-phy的Camera和配备A-phy的ECU或汽车芯片之间最简单的直接连接。消除每个端点的桥接芯片将降低成本，电缆重量，功耗和等待时间，并提高可靠性。

可以看到，A-phy不是直接跨越式的替换现有的方案，而是通过兼容性的替代现有的SerDes桥接芯片，最后实现完全不用桥接芯片的最终方案。这样的好处是平稳过渡，有利于A-phy的接受和推广。

A-phy的关键技术优势包括：

非对称优化架构。A-PHY从头开始设计，用于从摄像机/传感器到ECU以及ECU到显示器的高速非对称传输，同时为命令和控制提供并发的低速双向通信。与其他/对称架构相比，优化的非对称架构可简化设计并降低成本。
简化系统集成并降低成本：对使用MIPI CSI-2和DSI-2的设备的原生支持，最终消除了对桥接IC的需求
远距离：15米连接距离；
高性能：5档速度(2,4,8 和16Gbps)，未来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：超低的误码率PER,10^-19，可在车辆使用寿命内提供空前的性能
移动协议重用。在数十亿智能手机和物联网设备中成功部署后，MIPI协议已被充分证明可直接用于汽车。
纯硬件协议层。就像在使用D-PHY / C-PHY分层的移动应用程序中一样，A-PHY与CSI-2 / DSI-2协议层紧密耦合，因此基本上在仅具有硬件的协议层下运行，而无需软件干预。该体系结构与其他接口相比，后者具有更高的灵活性，并利用软件层来实现这种灵活性。
针对布线，成本和重量的优化架构。由于A-PHY的优化的非对称架构和硬件协议分层，A-PHY的实现可以满足优化的布线，成本和重量要求。随着电子组件及其接口电缆的数量在实现自主的道路上增加，这一点变得越来越重要。
其他协议的灵活链路层支持。MIPI Alliance希望与其他将其本机协议应用于汽车的组织合作。这包括VESA，它正在调整其DisplayPort协议规范以供汽车使用。为了适应这些不断发展的规范，A-PHY包括一个通用数据链路层，该层可容纳不同的协议适应层，并计划支持VESA的车载DisplayPort协议。
高EMC抗扰性。MIPI已投入大量资金来分析和测量恶劣的汽车通道，并得出结论，基于窄带干扰消除器（NBIC）和重传方案（RTS）的体系结构可提供最强大的性能，特别是对于需要更长数据速率的应用距离。

A-phy 协议：

2.6 高速视频传输(ASA)

ASA(Automotive Serdes Alliance)是汽车Serdes联盟的简称。它是由包括70多家公司联合组建的，成立于2019年5月。它的创始公司包括BMW，Continental，Broadcom and NXP等。在2020年12月，ASA发布了1.0 Spec。它是一个针对汽车内部非对称连接(例如，Camera，Display，Sensor等) 的串行-解串通信技术，称为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的连接：采用ASA Serdes承载CSI

2. Gen2：支持Display的连接：采用ASA Serdes承载eDP或者HDMI

三、USB

USB是汽车座舱内部通用的数据连接通道。在座舱内方便的地方设置USB 接口，可以方便驾驶员，车内乘客进行充电，连接手机，U盘，卡拉OK等应用。

使用USB插口，首先要考虑数据带宽，其次要考虑插口类型，最后要考虑是否符合车规标准要求。

3.1 带宽

USB-IF组织发布了全新的USB4 v2.0规范，带来了新一代的USB 80Gbps接口，还有全新的命名体系。

首先说回到UBS4 2.0或者说USB 80Gbps，其最主要的变化在于带宽再次翻番来到了80Gbps，这得益于新的基于PAM3信号编码机制的物理层架构，同时还有新定义的80Gbps有源数据线。在特定应用场景中，比如8K超高清显示，USB 80Gbps还可以配置为非对称编码异步传输模式，一个方向可以高达120Gbps，从而足够承载DP 2.0/2.1 UHBR20信号，另一个方向则是40Gbps。

同时USB 80Gbps升级了数据和显示协议，可以更好地利用带宽，其中数据传输支持20Gbps的高带宽，显示传输则和DP 2.0、PCIe 4.0相互打通，共享PHY物理层，从而一个接口搞定高速数据、显示。当然了，USB 80Gbps依然保持向下兼容，而且只有USB Type-C一种接口形式。

在接口的命名规则方面，USB接口将统一以传输带宽命名，USB4 v2.0对应USB 80Gbps，USB4对应USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2对应20Gbps，USB 3.2 Gen2对应USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1对应USB 5Gbps……更古老的USB 2.0、USB 1.0保持不变，因为它们的速度太慢了，还停留在Mbps数量级。如果改叫USB 480Mbps，不但麻烦还容易引起误会。

3.2 接口

USB Type-C是一种USB接口外形标准，拥有比Type-A及Type-B均小的体积，既可以应用于PC（主设备）又可以应用于外部设备（从设备，如手机）的接口类型。USB Type-C有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。

4* Tx/Rx ：一共4对高速信号差分线。可以传输4-lane DP信号，或者4-lane的USB 10Gbps信号；USB10Gbps信号只需要2对差分信号线(Tx+/Tx- and Rx+/Rx-) 即可传输；其他2对差分信号线是为了支持正反插而设计的。
2*D+/D-：2对USB D+/D-信号线。可以用来连接USB2.0，或者USB1.0，支持正反插。当选择使用DP+USB2.0模式时，可以支持ARVR；
2*CC：用于Power Delivery模块(简称PD)的通讯。CC线首先用来判断设备插入的方向，正插(CC1)或者反插(CC2)。
2*SBU：其他辅助用途。例如，在用于DP模式时，SBU作为DP协议中的AUX_P/AUX_N差分线，负责传输设备的DPCD，EDID等信息。
4*VBus and4*GND：用于供电。VBus提供默认的5V@500mA供电能力。但是如果需要进行快充，则额外的USB电力传输需要使用特殊的供电模块。

3.3 供电

2021年5月25日，USB-IF协会推出了USB PD3.1最新快充标准规范，其中更新了有关供电能力的章节。USB PD3.1规范将原来的USB PD3.0内容归到标准功率范围（Standard Power Range，简称SPR）里面，最大功率保持100W不变；同时增加了扩展功率范围（Extended Power Range，简称EPR），最大功率由100W扩展到240W。

从具体的实现案例来看，目前的PD芯片可以支持单口或者双口供电，并且可以实现双口动态功率调节。也就是说，假设总功率为100W，每个VBus可以分配为65W/35W。

当需要达到100W的充电功率时，一般电压会为20V，电流达到5A。15W的充电功率，电压为5V，电流为3A。

3.4 DP ALT Mode

DP ALT mode 允许通过一根电缆，使用标准的Type-C接口，承载USB2.0, USB 10Gbps, DP, VBus等信号，如下图所示应用实例：

Type-C的管脚定义如下：

在USB-IF组织发布的USB/DP ALT mode V1.0规范中，采用同一个Type-C接口，可以承载如下的信号组合：

USB 10Gbps 4lane (正反插) + USB2.0+VBus：这就是USB 10Gbps的常规连接方式；

DP 4Lane+USB2.0+VBus：这时，高速的4对lane全部给DP使用，同时支持USB2.0和供电，Aux_CH用于DP交互和信号传输质量的协商，CC用于检测识别插入：

DP 2Lane+USB3 2Lane+USB2.0+VBus：这时，2对高速差分线给DP使用，2对给USB 10Gbps使用，同时还支持USB2.0和VBus供电。

Virtual Link(非标准模式)：这种模式非USB-IF组织定义的DP ALT mode 范畴，是部分公司定义的私有协议，可用于VR应用。在这种模式下，4对高速差分线全部给DP使用，2对 USB D+/D-将被用于USB 10Gbps，当作Tx+/Tx- 和 Rx+/Rx-来使用。

如何触发DP ALT Mode

Type-C Alt Mode 大致配置流程如下：

USB 连接通过CC侦测到；
VBUS 引脚提供默认电源配置 5V@500mA；
VBUS 所需的额外USB电力传输可以进行协商，Battery Charge 1.2（BC 1.2）或USB PD 都可以选择；
使用结构化供应商定义报文（VDM）需要USB PD 来发送来协商 Alt Mode 握手；
USB 枚举；
如果 DP Alt Mode 协商已经完成，继续进行DP link training来建立DP连接；
USB和DP通道准备就绪进行Type-C 数据和视频信号传输；

3.5 车规

在智能座舱环境下，USB Type-C接口和线缆还需要满足车规的标准。这里车规的含义，包括环境温度和接插件的稳固程度。除了暴露给用户可见的Type-C接口与消费类电子相似之外，其他与车内零部件连接的接插件和线缆都要满足车规的标准，以应对恶劣的车内环境，以及更长的使用周期限制。

一般来说，车内使用的USB接口与线缆，需要考虑如下几个因素：

传输距离：通常来说，USB 10Gbps信号线传输长度在1米到5米之间。如果超过2米，一般都要在Sink端增加Redriver芯片，否则信号眼图将会闭合，无法传输；
工作温度：接插件和线缆的工作温度要满足AEC-Q100 Grade2的标准，也就是达到-40°~+105°；
电磁屏蔽：由于车内电磁屏蔽的要求，线缆需要带屏蔽层才能保证较好的EMC电磁兼容性；
稳固程度：由于汽车运行环境存在颠簸，所以一般消费级的连接器无法应用在车内，需要考虑专用的接插器件，保证连接的稳固；

3.6 Redriver

中继器，有一个接收器和一个发射器，在接收器端，它通过它的均衡器（EQ）扮演着一个信号调节的角色。本质上讲，接收器为输入频道损耗提供补偿，如果不这么做，会导致额外的时钟抖动。经过均衡后的信号便会被发射器中继。发射器同样可以选择去加重（DE）或者预加重（PE），DE 是信号低频分量的衰减，而PE 则是高频分量的增强。这两个技术都可以预补偿中继器发射端的输出信号损耗。