자동차 분야를 넘어 확장 중인 GMSL

비전 응용 분야는 우수한 품질의 비디오를 보장하기 위해 상당한 양의 데이터 스트림을 필요로 합니다. 풀 HD 이미지는 1080행과 1920열로 구성되며 총 200만 픽셀이 넘습니다. 초당 60프레임으로 전송할 경우 원시 데이터 전송률은 초당 기가비트 범위로 빠르게 올라가는데, 이 지점이 바로 제품 설계자가 기가비트 멀티미디어 직렬 링크(GMSL)를 활용할 수 있는 지점입니다.

원래 Maxim에서 개발되었고 현재는 Analog Devices, Inc. 포트폴리오에 포함된 GMSL은 선도적인 고속 비디오 및 데이터 링크 기술로 계속 발전하고 있습니다. 차량용 고속 비디오 및 데이터 전송 애플리케이션을 위해 개발되었으며 현재 전 세계적으로 9억 개 이상의 IC가 출하된 3세대(GMSL1, GMSL2, GMSL3)에 거쳐 발전해 왔습니다. 고속, 저지연 비디오 및 센서 데이터 전송이 중요한 비자동차 응용 분야에서 다양한 방식의 채택이 급증하고 있습니다.

• GMSL은 로봇 및 검사 시스템의 머신 비전 카메라를 연결하는 데 사용되며, EMI와 긴 케이블로 인해 기존 인터페이스에 문제가 발생할 수 있는 공장 현장에서도 안정적인 성능을 제공합니다.
• 의료 기기에서의 경우, 특히 케이블 연결과 지연 시간을 최소화해야 하는 소형 시스템에서 GMSL을 사용하면 수술용 및 진단용 카메라의 실시간 비디오 전달이 가능합니다.
• 항공우주 및 방위 부문 설계자는 항공기, 드론, 감시 시스템에서 미션 크리티컬 이미지와 센서 데이터를 전송하는 데 GMSL을 사용하여, 이 기술의 우수한 견고성과 진단 기능의 이점을 누리고 있습니다.
• 철도 및 대중교통 시스템은 GMSL을 사용하여 차량과 제어 장치 간에 비디오 피드와 승객 정보를 전달합니다.

이러한 산업 전반에서 대역폭, 복원력, 단순성 모두를 만족시키는 GMSL을 사용하면 설계자가 카메라 및 데이터 중심 시스템의 요구 사항을 손쉽게 충족시킬 수 있습니다. 하이엔드 솔루션으로 인식되는 경우가 많지만, GMSL은 강력한 고속 비디오 또는 센서 링크가 필요한 저용량 전문 빌드에도 적용할 수 있습니다.

핵심 기능

GMSL은 비디오, 오디오, 제어 및 전원을 단일 케이블(일반적으로 동축 또는 차폐 연선(STP))을 통해 전송하도록 설계된 고속 직렬 변환기/직병렬 변환기(SerDes) 기술입니다. GMSL은 비대칭 전이중 통신을 지원하며, 고대역폭 비디오 전송을 위한 순방향 채널과 저주파 제어 신호를 위한 역방향 채널이 있습니다.

이 기술의 최신 버전은 최대 15m의 거리와 6Gbps 이상의 속도를 지원하며, 이를 통해 GMSL은 8MP 센서와 4K+ 디스플레이를 포함한 고해상도 비디오를 지원할 수 있습니다.

자동차 운전자 지원부터 산업용 머신 비전에 이르기까지 많은 최신 응용 분야에서는 실시간 고해상도 비디오가 매우 중요합니다. 풀 HD 프레임에는 200만 개의 픽셀이 있으므로 빨간색, 녹색, 파란색 채널당 8비트씩, 총 50비트를 저장하는 픽셀은 프레임당 약 50Mb의 비압축 데이터를 추가합니다.

초당 60프레임의 비압축 1080p 비디오 스트림 하나에는 3Gbps 이상의 대역폭이 필요하며, 이는 색심도, 동기화 또는 오류 수정을 위한 오버헤드를 추가하기 전의 수치입니다. 단일 동축 또는 STP 케이블을 통해 초당 여러 기가비트를 전송하는 GMSL의 기능을 통해 설계자는 복잡성을 증가시키고 지연을 유발하는 압축 방식을 사용하지 않고도 선명하고 지연 시간이 짧은 비디오를 제공할 수 있습니다.

지연 시간은 시간에 민감한 응용 분야에 있어 주요 관심사입니다. 차량의 전방 카메라가 위험을 감지하거나 조립 라인의 로봇이 그립을 조정하는 등, 영상 전송이 조금만 지연되더라도 성능이나 안전성이 저하될 수 있습니다.

GMSL의 고속 링크는 비디오 및 센서 데이터의 거의 즉각적인 전송을 지원하므로 실시간 피드백 및 의사 결정에 의존하는 시스템에 이상적입니다. 이는 조립 라인에서 위험을 감지하는 것과 같이 지연 시간이 중요한 응용 분야에 매우 중요합니다.

특히 공간 제약이 있거나 비용에 민감한 설계에서 GMSL의 또 다른 중요한 특징은 데이터에 사용되는 동일한 케이블을 통한 통합 전원 공급을 지원한다는 점입니다. 동축 케이블을 통해 카메라, 디스플레이 또는 센서와 같은 원격 장치에 비디오, 제어 신호 및 전원을 전송할 수 있는 이 기능을 PoC(Power over Coax)라고 합니다. 따라서 별도의 전원선이 필요하지 않아 배선의 복잡성, 무게, 비용을 줄일 수 있습니다.

PoC는 1세대부터 GMSL의 핵심 기능으로, 특히 케이블 길이가 길거나 유연한 라우팅이 필요한 자동차, 산업 및 임베디드 응용 분야에서 유용합니다. PoC는 세대를 거듭할 때마다 더 높은 전력 수준, 향상된 효율성, 더 나은 EMI 성능을 지원하도록 발전해 왔으며, 더 복잡한 다중 디바이스 시스템 설계를 지원하기 위해 진단 및 보호 기능이 향상되었습니다.

3세대를 거친 GMSL

2008년에 처음 출시된 1세대 GMSL은 저전압 차동 신호(LVDS) 표준을 활용하여 최대 3.125Gbps의 병렬 데이터 다운링크 속도를 제공했습니다. 이 표준은 특히 여러 대의 카메라 시스템과 기타 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS) 애플리케이션의 데이터를 전송하는 데 적합하며, 차량 내 고화질 평면 패널 디스플레이의 채택이 증가하고 있습니다. GMSL1 구성 요소는 비용에 민감하거나 대역폭이 적당한 애플리케이션을 개발하는 제품 설계자에게 여전히 실용적이고 널리 이용 가능한 선택이며, GMSL2 호환 수신기로 여전히 지원이 가능합니다.

• MAX96705는 최대 1.5Gbps의 데이터 속도를 지원하는 통합 PoC를 갖춘 작고 비용 효율적인 GSML1 직렬 변환기로, 엔트리 레벨 자동차 비전 시스템, 산업용 검사 카메라 및 GMSL2 또는 GMSL3의 대역폭이 필요하지 않은 기타 비전 애플리케이션에 적합합니다.

GMSL2는 단일 차동 쌍을 통해 임베디드 클록킹, 향상된 EMI 성능, 더 높은 데이터 속도를 지원하는 고유한 고속 직렬 프로토콜을 사용합니다. 특히 사용 가능한 대역폭이 6Gbps로 두 배 증가하여 고해상도 비디오 스트림, 프레임 속도 증가, 여러 대의 통합 카메라까지 지원할 수 있게 되었습니다. 별도의 클록 라인이 필요하지 않으므로 배선 복잡성이 줄어들고 장거리에서도 신호 무결성이 향상됩니다. GMSL2는 GMSL1과의 하위 호환성을 유지하므로 플랫폼을 전면적으로 개편하지 않고도 더 뛰어난 성능의 설계로 쉽게 전환할 수 있습니다.

• MAX96716A는 이중 입력 직병렬 변환기로, GMSL1 및 GMSL2 링크와 레인당 최대 6Gbps의 데이터 속도를 모두 지원하며 SoC 및 비전 프로세서를 위한 공통 인터페이스인 MIPI CSI-2로 출력합니다. I²C 브리징, PoC 지원, 순방향 오류 수정(FEC) 기능이 내장되어 있어 호스트 인터페이스를 다시 설계할 필요 없이 멀티 카메라 설정이나 구형 및 최신 직렬 변환기를 연결할 수 있는 안정적이고 유연한 솔루션입니다.

GMSL2는 자동차 및 산업용 애플리케이션의 엄격한 전자파 적합성(EMC) 요구 사항을 충족하며, 기존 LVDS는 이에 미치지 못하는 경우가 많습니다. 또한 GMSL2는 비압축 및 압축 비디오에 대한 지원을 추가하여 설계자가 시스템 제약 조건에 따라 더 유연하게 대처할 수 있도록 했습니다. GMSL1과 달리 임베디드 클럭을 사용하여 EMI를 줄이고 케이블 설계를 간소화합니다.

GMSL2의 다른 세대별 개선 사항으로는 I²C, SPI, GPIO 및 오디오의 지연 시간 단축 전송을 통한 향상된 제어 데이터 처리와 시스템 견고성을 높이기 위한 내장 진단 및 오류 감지 기능이 있습니다.

GMSL3는 통합을 지원하여 여러 개의 고해상도 비디오 스트림, 양방향 제어 신호(예: I²C, GPIO, SPI), 오디오를 하나의 물리적 케이블로 전송할 수 있도록 하여 비전 애플리케이션을 더욱 발전시켰습니다. 이를 통해 배선을 간소화하고 공간 제약이 있는 설계에서 무게와 복잡성을 줄일 수 있습니다.

많은 최신 애플리케이션에서 카메라와 같은 여러 비디오 소스와 센서 또는 디스플레이와 같은 주변 장치는 중앙 프로세서와 동시에 통신해야 합니다.

GMSL3는 직렬 레인당 최대 6Gbps의 데이터 속도를 지원하며, 여러 레인을 사용하여 구성하면 처리량을 더욱 높일 수 있습니다.

• MAX96793GTJ/VY+는 최대 4레인의 MIPI CSI-2 비디오를 입력하고 단일 12Gbps GMSL3 링크를 출력하는 소형 GMSL3 직렬 변환기로, GMSL2와의 하위 호환성이 기본 제공됩니다(그림 1).

그림 1: GMSL2와의 하위 호환성이 기본 제공되는 MAX96793 GMSL3 직렬 변환기를 사용하면 설계자가 고해상도, 다중 카메라 시스템을 위한 효율적인 솔루션을 제공하거나 GMSL2에서 업그레이드할 수 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

• ADI의 MAX96792A는 총 12Gbps의 직렬화된 비디오, 제어 및 오디오 데이터를 위해 두 개의 직렬 레인을 통합할 수 있는 고성능 이중 레인 GMSL3/GMSL2 직병렬 변환기입니다(그림 2). 이중 MIPI CSI-2 인터페이스를 통해 멀티 카메라 또는 고해상도 비디오 캡처가 가능하며 첨단 운전자 지원 시스템, 자율 주행 차량, 고급 머신 비전 및 기타 고대역폭 애플리케이션을 위한 기능을 제공합니다. GMSL3 및 GMSL2를 모두 지원하므로 제품 라인 전반의 업그레이드가 간소화됩니다. GMSL2 모드에서 작동하면 MAX96717RGTJ/V+ GMSL2 직렬 변환기와 페어링할 수 있습니다.

그림 2: MAX96792A 이중 레인 GMSL3/GMSL2 직병렬 변환기는 고급 비전 응용 제품을 위한 기능을 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

설계자는 평가 기판과 개발 키트를 활용하여 GMSL3 기능을 살펴보고 실제 하드웨어로 시제품을 제작할 수 있습니다.

• MAX96793 직렬 변환기 IC가 포함된 MAX96793-ACK-EVK#(그림 3)을 사용하면 설계자가 고속 GMSL3 및 GMSL2 비디오 링크의 시제품을 신속하게 제작하고 테스트하여 MIPI CSI-2 입력을 동축 또는 STP를 통해 최대 12Gbps GMSL3 출력으로 변환할 수 있습니다.

그림 3: MAX96793-ACK-EVK#은 MAX96793 직렬 변환기를 사용하여 GMSL3 응용 제품의 시제품을 제작할 수 있는 기회를 제공합니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

• MAX96792A용 MAX96792A-BCK-EVK#(그림 4) 평가 기판은 이중 레인 GMSL3/GMSL2 직병렬 변환기 평가 기판으로, PAM-4 신호를 통해 동축 또는 STP를 통해 2개의 6Gbps 레인(총 12Gbps)을 사용하여 모든 기능을 갖춘 GMSL3 작동을 시연합니다.

그림 4: MAX96792A-BCK-EVK# 평가 키트에는 시제품 제작 응용 제품을 위한 GSML3 직병렬 변환기가 포함되어 있습니다(이미지 출처: Analog Devices, Inc.).

광범위한 채택과 강력한 에코시스템

ADI의 GMSL 기술은 자동차, 산업, 의료 및 항공 우주 분야에서 광범위하게 채택되고 있습니다. 고속 비디오 전송, 전력 공급, EMI 복원력, 시스템 수준 통합이 결합되어 개방형 프로토콜이 부족한 고성능 비전 시스템의 사실상 표준으로 자리 잡았습니다.

ADI는 직렬 변환기, 직병렬 변환기, 카메라 모듈 및 개발 툴로 구성된 강력한 에코시스템으로 지원되는 까다로운 환경에서 실시간 비디오 및 센서 링크를 배포할 수 있는 입증되고 확장 가능한 플랫폼을 제공합니다.

하위 호환성은 GMSL 세대에 걸쳐 제공되고 있는 핵심 기능입니다. GMSL2는 많은 구성에서 GMSL1과 역호환이 가능하므로 GMSL2용으로 설계된 특정 직렬 변환기 및 직병렬 변환기를 GMSL1 장치와 페어링하면 GMSL1 모드에서 작동할 수 있습니다. 이를 통해 설계자는 기존 하드웨어를 활용하면서 설계를 확장할 수 있습니다.

GMSL3는 근본적으로 다른 신호 프로토콜과 고속 아키텍처를 사용하지만, ADI는 듀얼 GMSL2 및 GMSL3 모드에서 작동하는 부품을 제공합니다. 따라서 설계자는 점진적인 시스템 업그레이드를 구현하거나 하이엔드 GMSL3 기반 모델과 로우엔드 GMSL2 기반 모델과 같은 멀티 플랫폼 제품 라인을 제공할 수 있는 유연성을 확보할 수 있습니다.

결론

GMSL은 설계 복잡성을 간소화하고 배선을 줄이며 임베디드 및 에지 시스템에서 증가하는 고대역폭, 저지연 데이터에 대한 수요를 지원합니다. GMSL의 고급 신호 조정 및 오류 수정 기능을 통해 애플리케이션은 열악한 조건과 15m 이상의 거리에서도 빠르고 무결성 높은 링크를 유지할 수 있지만, USB, HDMI 또는 MIPI CSi와 같은 다른 인터페이스는 일반적으로 해당 거리에서 신호 저하를 겪으며 특히 차량이나 공장의 잡음이 많은 환경에서는 신호가 저하됩니다. GMSL 세대 간 하위 호환성이 제공되므로 최신 구성 요소를 기존 시스템에 원활하게 통합할 수 있으므로 전체 재설계 없이 점진적인 업그레이드가 가능하며 제품 라인 전반에서 비용, 성능, 공급망 유연성의 균형을 맞출 수 있습니다.