来源:科技朋克Roy、车规半导体硬件 | 首图图源:网络
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GMSL，到底是个啥？
无论如何，消费电子和汽车电子的融合之路，正在越走越宽。在音视频等多媒体领域，尤为明显。比如，咱这回要聊的GMSL，它就在智驾和座舱领域，扮演着非常关键角色。
啥是SerDes？
GMSL是基于SerDes技术的一种视频传输接口/标准。
那SerDes又是啥呢？SerDes其实并不玄乎，它几乎随处可见，比如：人见人爱的USB、以太网，电脑主板上的PCIE接口、硬盘SATA接口等等，其物理层都有SerDes的身影。
SerDes是个组合词，Ser: Serializer（串行器）+ Des: Deserializer（解串器），所以，二者合一起，就代表“串行解串器”。
类比看，这有些像音频里的Codec：Coder（编码器）+ Decoder（解码器），二者合一起，代表“编解码器”。
用白话讲，SerDes就是在发送端，把并行数据转为串行，再在接收端，将串行数据转回并行的，一种数据传输技术。
那你又要问了，为啥非得这么绕一圈，直接并行传输不好吗？
高速传输的场景下（如视频信号），还真不行，原因：
一、串扰。并行传输的多根信号线之间，很容易相互串扰。串行传输时，由于物理线束少，可大大降低串扰的影响。
二、时序。并行传输时，信号对时间同步很敏感，一不留神，某根线上的延迟，就会造成信号间的不同步，从而无法正常显示。而串行传输，则几乎不用考虑这种问题。
三、速率。虽然从直观上，并行传输能做到“多箭齐发”，但现实却很骨感，受限于PCB布线、等长、串扰、相位同步等限制，并行的时钟频率没法做到太快。反观串行传输，没有太多束缚，可进一步提高传输带宽。
四、成本。并行传输的线束更多，连接器更大，整体成本更高。串行由于线束少，再结合CDR和POC，可以通过单根同轴传，连接器也可更精简。
GMSL的独特优势是可以实现15M长同轴或者双绞线缆中高达数Gbps的串行传输。
GMSL：车内信息流的“高速公路”
说完SerDes，该介绍咱的主角了：GMSL（Gigabit Multimedia Serial Links），直译叫“吉比特多媒体串行链路”，ADI官网上是这么介绍的：
它基于SerDes技术，可通过一条线缆（同轴线或屏蔽双绞线），长距离（15~20米）传输高速音视频、以及控制信号。无论是智能驾驶系统，还是智能座舱系统，只需要通过GMSL接口芯片，就能由单根线缆实现SoC与摄像头、屏幕之间的信号传输与双向通信。
说到这，你可能会想，这也没什么大不了的，HDMI，USB3.x/4/雷电这些消费级接口，不早都能干这些了吗？而且速度也都不慢。
对，也不对。关键在于，咱这里讲的是车载应用，对应的传输链路要能达到车规级别，且还不单是AEC-Q100，对于仪表盘、智能驾驶类应用，则更是要求系统达到ISO26262 ASIL-B的功能安全标准。
以智驾系统为例，我们只有保证整个链路的稳定可靠，才能确保高速行驶汽车及其驾驶员的安全。安危无小事，无论是摄像头模组，还是车机/智驾系统，都要能满足各种行车工况。于是，暴晒、极寒、耐颠簸、长期稳定性、安全冗余设计、电磁兼容性等等，方方面面，都要考虑到。
现在如HDMI这样的消费级接口，能堪此重任吗？想一想，即便是在理想的会议室环境里，我们是不是还常会遇到，因HDMI连接不稳固，造成的黑屏、闪屏问题？
诚然，我们要对汽车百年工业，表示敬畏。
趋势 & 为啥选GMSL？
车载视频传输这个市场，目前全球约20~30亿美金的市场规模，但增长动力强劲。
原因有二，一方面，车上的摄像头越来越多，从L1到L5，车载摄像头从1V，5V，一路增加到，动辄堆十几个摄像头的方案配置，智能驾驶的春天已经到来。另一方面，车上的屏幕数量也越来越多，分辨率也越来越大。相应的，这对车载视频传输的要求，也越来越高了。
以上，以新势力玩家较为前卫，后续大批传统车厂，也正在逐渐迁徙途中。不难预见，未来几年，这里将会持续产生，相当可观市场空间。
有利益的地方，就有江湖。其实车载视频领域，能干这个事儿的，除了GMSL，还有FPD-LINK，APIX，GVIF等。
既然如此，我们为啥要如此着墨于GMSL呢？请往下看：
一、强大的时间壁垒。GMSL技术的雏形在1999年就出现了（始于美信，现被ADI收购），早在20年前的2004年，就推出了其第一款量产产品，也就是说，GMSL技术已经存在，且在市场中进化了20+年。从GMSL1, 2, 3, 3x 再到后面更新的版本，已经覆盖了3G,6G,12G等不同正方向速率范围。
这些年来，部署GMSL链路的汽车总计行驶了超过20万亿公里（>2光年）。要知道，它的每公里行驶里程，都为改进GMSL技术，提供了宝贵的数据。这种日积月累的经验背后，是强大的时间壁垒，更是汽车与用户安全性的保证。
二、独特的技术优势，稳健的PHY。请你先想一想，GMSL技术，究竟是数字技术，还是模拟技术？这种高速传输接口，是基于电压的（如LVDS），还是电流的（如CML），抑或是其他？
你再想，在汽车电子严苛工况的应用中，既要考虑车规认证，功能安全，EMC等限制，又要仅凭借单根线缆，实现双向+全双工、长距离的高速信号传输。这听起来，无异于魔法。或许，这里面真有魔法：技术魔法。
虽说GMSL主要传数字视频信号，但这背后，其实也有大量的模拟技术，这从根本上，保证了它的鲁棒性、抗干扰性，以及对信道的自适应调节等特性。
随便举几个例子：
CDR(Clock Data Recovery：时钟数据恢复）。SerDes一般没有单独的时钟线，需要在接收端做CDR。高速串行总线，一般会把时钟信息，埋在数据编码的数据流里，然后在接收端通过时钟恢复技术，将时钟信息提取并恢复出来。说着容易做着难，这里最难的就是PLL设计和抖动处理，既要应对码间干扰、串扰、失真和数据抖动，又要处理半导体发热等特性的玄学问题，非常吃模拟设计经验。
预加重与均衡。高速信号传输过程中，高频能量会在线缆中衰减较多（不同线缆表现不同），这会导致信号波形被展宽，如此，相邻数位波形也可能会被叠加影响到，严重时会产生误码等码间干扰现象。不同的信号，在不同环境下，在信道中的衰减都会有所不同。因此，和其他通信系统类似，这里也要通过加重和均衡去改善之。
预加重，是种在发送端对输入信号高频分量进行补偿的做法。
均衡，是要对不同频率的信号，结合线缆的频响特性，做适时而恰当的处理，以恢复更保真的信号。GMSL1是固定均衡，二代加入了自适应均衡（AEQ），三代则加入了前向误差矫正均衡（FFE）。以GMSL2中的AEQ为例，它可有效抵抗噪声、串扰和反射。GMSL2中有12种均衡AEQ级别，它可自动检测信号质量，自适应地设置最佳均衡值。
更神奇的是，这个过程，是它自动完成的。解串器每次上电做一次AEQ，而后，可以约1Hz的频率，自动跟踪链路环境变化，无论线束老化、温漂、还是个体差异，AEQ 都能自动选出最佳的均衡配置。另外，AEQ的补偿值，还可做链路异常筛查，若发现它明显不同于摸底统计值，则说明链路可能存在短路、松动等异常情况。
上述这二者的配合，讲究的是火候，也很吃模拟功夫和经验之处。
回声消除。GMSL2链路在串行和解串器中均包含了回声消除电路，这主要是为了实现，单一信道的双向数据传输。车载以太网中，也有类似应用。
Line Fault。这里有点像ECG测试中的导联脱落检测（LOD），它从硬件层面上，检测线缆的短路、断路、短到地，短到电池等场景。听起来很简单，纯硬件机制，但如果想做到不误报，抗干扰/抖动，覆盖范围大，也是会需要很多细节设计。
三、海量生态。GMSL的生态合作伙伴，遍布全球。从摄像头模组厂，到Tier1，从车厂到屏厂，GMSL的身影无处不在。
视频、供电、摄像头和显示屏控制与同步、触控、触觉反馈、时钟、音频、软件更新以及状态报告，全都可以通过同一条线缆同时传输。灵活又优雅。
采用GMSL的摄像头通常只有一个连接器，该连接器能提供摄像头所需要的一切，并将视频从摄像头传输出去。每个GMSL链路可以传输多个视频流。
显示屏也可以支持菊花链连接，几乎所有视频协议都能通过GMSL，桥接到任何其他视频协议。例如，DisplayPort转MIPI CSI-2，或HDMI转LVDS。
小结
丰富的生态意味着，澎湃的生命力，澎湃的生命力意味着源源不断地进化。同时，GMSL也不局限于汽车，它也在工业自动化（AGV，机器人，工业相机）、基础设施（安防与监控，楼宇自动化）、数字医疗健康（内窥镜，手术机器人）等领域，有着很大的想象力。
GMSL一直在不断地进化中完善，在迭代中成长，并通过领先的ASIL兼容解决方案，践行着“超越一切可能”的使命。
不是所有的SerDes都叫GMSL（硬件）
先看看，GMSL的几个大事记：
2004年，Pre-GMSL诞生，最高速率1Gbps，这算是现在GMSL的雏形；
2009年，GMSL 1代，初现江湖，理论最大速率3Gbps；
2011年，首次加入了HDCP功能，使高清音视频内容得到了进一步保护；
2014年，GMSL技术，在汽车环视摄像头应用中，开始崭露头角；
2017年，GMSL 2代，横空出世，最高速率达到了6Gbps，7年前的这个节点，具有里程碑意义，因为到目前为止，当下大多数车载应用，都能用GMSL 2代稳稳罩住，包括8M/30帧的摄像头，4K*1K的显示屏等等。
2020年，GMSL 3代，又带着12Gbps的最大带宽和菊花链，奔向战场。它正在逐渐普及，现在很多高带宽、高帧率的屏幕传输，以及多路高像素环视在SoC之间的传输，多亏了它，才得以落地。
202x年，GMSL 4代，正带着更大的带宽，和更丰富的功能，赶往沙场...
简言之，总结如下：
上述均为保守估计，具体还取决于各设备参数、数据格式等的具体配置。
Roy前面也提到过，GMSL面对的高速信号，在长距离下，会要考虑电路中的"量子效应"，这该怎么理解呢？咱做几个类比先：
例子一、基带电路 VS 射频电路。咱之前学到的很多经典电路理论，都是基于很多基带信号假设的，而当信号频率高到一定程度时，这些假设就不成立了。比如，你知道吗，在PCB板上，当走线长度和信号波长在一个数量级时，这根走线就能变身成“天线”了，这种情况下，咱在《电路分析》中学到的经典基带电路模型，也就不完全适用了（其实数字领域，也有很多类似的情况，比如经典降噪算法的软肋，有机会细聊）。
例子二、被动元器件的值，真的可靠吗？以身边的R/L/C为例，它们的标称值，也是和频率相关的。比如，一颗电阻的组值（或电感的感值），只能在某个频段内生效，遇到了极高的频率，电容也能变身为电感，容值就更没法看了。下面以1K欧的电阻为例：
平时我们看到的是左边的模样，其实右边才是它的真实面目：
由于电阻自身的寄生L和C都很微弱，故频率不高时，它们都可忽略，经典电路为分析的方便，自然就近似左图去思考了。但当频率到了一定程度时，哪怕是个简单的1K电阻，都能产生感容效应，从下图中，咱就能看到，低频时电阻阻抗是稳定的1K欧，随着频率的增加，它先变身为了电容，后来又化身为了电感。
例子三、可穿戴中新兴应用。当前有不少穿戴设备大厂，在做生理阻抗的研究。不严谨地讲，就类似基于穿戴设备，做无害微型CT。比如，通过智能手表的电极，输出不同频率的电信号，以得到人体不同位置的阻抗/导纳值，从而解析出健康相关信息。很多研究人员会发现，当激励频率超过250KHz时，整个链路的寄生电容效应，会开始占主导，使得数据的可用性会大幅降低。
其实产生电路“量子效应”的因素，不只是频率，还有幅度、传输距离等因素，要不然，好好的220V市电，配电时为啥会通过高压线，多此一举呢？
通过上面的例子，咱不难看出，主打高速视频传输的GMSL技术，肯定也面临着“量子效应”的挑战。GMSL技术，在ADI/美信老法师这里，经过了20余年的打磨与实战，芯片内部，自然有所保证，但一旦用在系统应用端，方方面面，都得考虑。
篇幅有限，咱这里，也只能基于GMSL 2代，粗略聊聊（具体，建议参考ADI官网上的资料，比如↓）
一、原理图。
具体情况具体分析，不同型号的GMSL器件，需按实际需求做原理图设计，咱在这不可能都遍历到，但好在它们在官网上都有对应的推荐电路，可以直接参考。下面是关于同轴和STP的建议处理方式：
由于同轴还可兼顾PoC（线缆供电），目前市面上大多数车载应用都是基于同轴的，当然，部分其他行业应用，也有基于STP的。
值得注意的是，对于多端口GMSL器件，不用的端口可以悬空处理，但需在寄存器中提前配置（如CTRL0的LINK_CFG[1:0]），如果不想通过软件配置，也没问题，在SIO+、SIO-端接电容/电阻到GND即可。考虑到最精简BOM，建议还是通过寄存器配置为好。
下面，Roy再奉上，关于原理图的建议Checklist:
电源引脚的去耦电容，都在推荐的电压容差范围内。 时钟要连接正确。 单端链路的信号负端，有适当的终端匹配。 确认串联交流耦合电容，是否得当。 I2C/UART线上，记得用上拉电阻，且尺寸/值适当。 开漏驱动的通用输出（GPO）引脚，记得放上拉电阻。 XRES电阻为402Ω，公差为1%。 CFG引脚要配适当的电阻值，以实现所需的上电模式。 输入/输出视频接口连接正确，符合AEC-Q等级需求。 用官方推荐的PoC电路，如要用新的PoC电路，建议先严格验证之。 PoC最小和最大电压，应满足系统要求。
六、验证手段：链路裕量、眼图、FEC、TDR、串扰。
我要说每颗GMSL芯片里，都送了个眼图监视器（EOM: Eye-Opening Monitor），你信不？
不管你信不信，它确实可以有，GMSL芯片搭配GUI，就能呈现出电子眼图。需要注意的是，这个图并不代表原始信号，而是经过均衡处理后的信号，不仅如此，它还能展示此时正在用的均衡器系数。
说到这，再复习一下，GMSL的均衡器会自动进行调整，以补偿信道中的损耗，并确保尽可能低的误码率（BER）。
FEC：前向纠错矫正。
这一招，一般是给高阶应用使的（如GMSL 3代）。打开FEC后，数据传输误差可被检测和纠正，链路的鲁棒性，也会得到肉眼可见的加强。
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