比较ADAS应用程序中的以太网和SerDes

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本帖最后由 ben111 于 2017-4-26 11:56 编辑

单对以太网目前正在通过非屏蔽双绞线（UTP）电缆部署在汽车中。以太网由于其无处不在，工具，模块化和IP支持，为连接的汽车提供了一种车载网络技术的巨大前景。

虽然一些信息娱乐显示器和基于摄像头的高级驾驶员辅助系统（ADAS）应用程序已经引入了以太网来证明该技术，但串行器/解串器（SerDes）架构（有时不正确地称为LVDS）通常更简单，提供更高的视频质量，并且更便宜在这些系统中。

以四相机环绕视图应用为例，详细比较这两种技术。

电缆组件

以太网的主要论据是布线成本较低。UTP电缆通常与更高成本的四星型屏蔽双绞线（STP）电缆进行比较。然而，这是一个误导性的比较，因为许多SerDes芯片组还驱动较便宜的同轴（同轴电缆）电缆，其成本与汽车中使用的受控扭转率的UTP电缆组件相当。因此，比较UTP和同轴电缆是更准确的（图1）。

图1.电缆比较。

电磁兼容性（EMC）对车辆安全性非常重要。电缆组件必须通过严格的EMC测试。双绞电缆由仔细的双绞线组成，以确保耦合和辐射的电磁场消除。

图2.潜在的UTP EMC问题。

在理想条件下，受控扭转率UTP具有优异的EMC特性。然而，电缆弯曲和附近地面的影响等因素可能会使电线对不平衡，增加电磁问题的可能性（图2）。

这些因素可以导致严格的程序，以确保电缆扭曲率和线束（以及汽车）中的UTP放置被优化以满足EMC要求。另外，一些特殊情况下的应用可能需要在双绞线上的护套和/或屏蔽，显着增加电缆成本。

对于短的电缆长度，可能需要低通滤波器（LPF）来减轻辐射电磁干扰（EMI），迫使系统设计为特定电缆长度进行预配置。其他问题可能发生在电缆端扭曲不理想的连接器处，连接器不平衡或屏蔽。

由于线对端对准问题，控制对扭曲率和连接器连接到UTP电缆可能难以自动化。相比之下，同轴电缆在汽车上多年来已经取得了良好的业绩记录; 其制造高度自动化。因此，尽管其结构不同，但同轴电缆和UTP电缆组件的成本非常相似。

系统复杂度和相机模块尺寸

图3.以太网与SerDes相机系统块比较。为了清晰起见，为每项技术显示了一个摄像头连接。

目前，单对汽车以太网支持速度高达每秒100兆位（Mbps）。有限的100 Mbps带宽需要高分辨率视频在相机上进行压缩，然后在链路的另一端进行解压缩（图3）。这种视频压缩（通常为Motion JPEG（M-JPEG））需要相机模块中相对强大的微控制器以及处理电子控制单元（ECU）中的资源，从而增加系统的功率，组件数量和成本。

此外，压缩在视频中产生噪声伪像，潜在地减少对象识别算法的有效性。相机模块中的附加组件可能需要多个具有相关连接器的印刷威廉希尔官方网站板（PCB）和可能的柔性威廉希尔官方网站，从而提高组装成本和模块尺寸。

相比之下，FPD-Link串行器/解串器（SerDes）系统直接从相机传感器传输未压缩的视频，使其更简单，并且需要更少的组件。

许多系统还包括用于视频预处理的图像传感器协处理器（图3），例如颜色和伽马校正，自动曝光，白平衡等功能。这些协处理器通常必须通过低确定性延迟控制接口与图像传感器通信。在以太网摄像机系统中，由于延迟，协处理器必须位于摄像机模块中。SerDes中的低延迟I2C控制通道允许协处理器位于ECU中，远离相机，从而最大程度降低相机模块的功耗，尺寸和热噪声。

图4.环绕视图/顶视图SerDes实现。

图4示出了使用SerDes芯片组实现的典型环绕视图系统。由于相机模块通常需要尽可能小以适应远程，空间受限的位置，例如侧视镜和保险杠，因此低部件数量和小尺寸有助于最小化相机模块尺寸，这是很重要的。

每个摄像机的视频数据和双向控制都传输一根同轴电缆，而无需在摄像机模块中使用微控制器，从而节约了成本和空间。由于所有组件都可以放置在单个PCB上，因此节省了额外的制造成本。此外，电力可以通过同轴电缆传输到远程相机，通过消除对额外的电源和接地连接器的需要进一步缩小其尺寸。

单个同轴电缆连接器包含视频，控制信号，电源和接地，便于车载相机放置，并降低布线和安装成本。SerDes同轴电缆采用标准DC / DC电源，具有简单的电源开关来打开/关闭电源并提供故障保护。不需要专门的以太网供电（PoE）型控制器来传送电力。

延迟性能

视频帧必须在多摄像机系统中同步。基于以太网的应用通常采用音频视频桥接（AVB）软件来同步摄像机。来自AVB加压缩编码/解码和打包的开销可能导致以太网摄像机延迟（链路延迟）高达10毫秒或更多。

在某些ADAS系统（如远视）中，摄像机需要保留，但即使在公园辅助系统中，摄像机可能需要以高达40 - 50公里/小时的速度运行。在这些速度下，车辆每延迟一毫秒都行驶超过一厘米（图5）。5 - 10厘米的距离可以产生重大的ADAS设计挑战，可能会影响系统性能利润和车辆完整性。

然而，诸如DS90UB913A / 914A的SerDes实现了15微秒的最大延迟，或者在50km / h时仅实现0.2mm。

图5. 15秒，1毫秒，5毫秒和10毫秒延迟的行驶距离与车速之间的距离。

视频质量

即使使用高动态范围（HDR）图像传感器，低照度和差的天气条件对于基于相机的ADAS应用也是特别有挑战性的。在相机模块中产生的热量通过增加热噪声和其他伪影来进一步降低低光图像质量，使机器视觉算法（以及驱动程序）更难以区分前景对象与背景。

摄像机以40-50公里/小时以上的速度通电时，相机模块内部会产生热量。在空间有限的应用中，特别是当为模块外壳和/或支撑支架使用具有成本效益的塑料时，可能难以去除这种热量。由于视频压缩可以显着提高摄像机模块的功耗，内部以太网摄像机模块的温度可以达到60ºC以上。

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图6.不同环境温度下低照度下HDR相机图像传感器噪声

图6显示了在不同温度下在一致的低光条件下的HDR照相机。随着温度升高，随机热噪声斑点增加，较高的暗电流甚至可能压倒补偿白/黑电平和色彩通道平衡的图像控制算法。

从摄像机图像中可以看出，这些热噪声效应使得更难以区分各种色调和灰度区域。此外，在热噪声斑点之上添加M-JPEG编码可进一步增强噪点，可能会使ADAS算法无法使用低光图像。相比之下，SerDes运行更冷，而不需要压缩视频流，在正常情况下提供最佳图像质量，以及具有挑战性的低光和恶劣天气条件。

[参数	以太网	SerDes （DS90UB913A / 4A）	FPD链接效益
]相机模块电气元件	•图像传感器 •带压缩引擎和MAC的MCU •PHY •共模扼流圈 •EMI低通滤波器（可选） •交流耦合电容	•图像传感器 •串行器 •交流耦合电容	20 +％较小的相机模块
BOM成本 •部件成本 •PCB数量 •电缆组装成本	中 •中 •2 - 3（加连接器/柔性） •低（受控扭转UTP）	低 •低 •1 •低（同轴电缆）	系统BOM成本降低45％
相机功耗	1.5W	0.8W	功率降低46％，无散热器
潜伏	1 - 10毫秒	最大15μs	100倍的延迟时间
相机同步	AVB	帧同步引脚	更容易同步
视频质量	压缩	未压缩的HDR	高质量的原始视频
数据速率	100 Mbps	1.5 Gbps	15倍更高的带宽
用于原型的PC 连接	以太网	帧抓取器