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ADAS 애플리케이션에서 이더넷과 SerDes 비교

이더넷은 유비쿼터스, 툴, 모듈성, IP 지원 등의 이유로 커넥티드 카를 위한 차량 내 네트워크 기술로 각광을 받고 있으며, 현재 자동차에서 UTP(unshielded twisted pair) 케이블 보다 더 많이 사용되고 있다.

몇몇 인포테인먼트 디스플레이와 카메라 기반 ADAS(advanced driver assistance system) 애플리케이션에서는 기술력이 입증된 이더넷이 사용되고 있지만, SerDes(시리얼라이저/디시리얼라이저) 아키텍처(LVDS와는 다름)가 일반적으로 좀더 간단하고 우수한 화질을 제공하며 상대적으로 저렴하다.

본 글에서는 4카메라 서라운드 뷰 애플리케이션을 이용해 이러한 두 기술을 세부적으로 비교해 볼 것이다.

 

케이블 어셈블리
이더넷의 주요 장점은 저렴한 케이블 비용이다. UTP 케이블은 일반적으로 비용이 높은 STP(shielded twisted pair) 케이블과 비교된다. 그러나 이는 잘못된 비교이다. 여러 SerDes 칩셋 역시 저렴한 동축 케이블을 사용하기 때문에, 자동차에 사용된 꼬임 비율이 제어된 UTP 케이블 못지 않게 비용이 저렴하다. 따라서 UTP와 동축 케이블을 비교하는 것이 좀 더 정확하다 (그림 1).

그림 1 케이블 비교
그림 1 케이블 비교

 

전자파 적합성(EMC)은 자동차 세이프티에서 매우 중요하다. 케이블 어셈블리는 엄격한 EMC 시험을 통과해야 한다. 트위스트 페어 케이블은 결합 및 방출된 전자기장을 제거하기 위해 정교하게 꼬인 와이어로 구성된다.

그림 2 잠재적 UTP EMC 관련 사항
그림 2 잠재적 UTP EMC 관련 사항

 

이상적인 조건 하에서 꼬임 비율이 제어된 UTP는 탁월한 EMC 특성을 가진다. 그러나 케이블 굽힘, 근처 지반면의 영향과 같은 요인은 와이어 페어의 불균형을 초래해 전자파 문제 가능성을 높일 수 있다 (그림 2).

따라서 케이블 꼬임 비율, 차내 및 하네스(harness)에서의 UTP 배치가 EMC 요구조건을 충족할 수 있도록 엄격한 절차가 요구된다. 또한, 몇몇 특수한 경우의 애플리케이션은 트위스트 페어 상에서 자켓 및/또는 차폐를 요구해 케이블 비용을 상당히 증가시킬 수도 있다.

짧은 케이블의 경우 방출된 전자파 간섭(EMI)을 완화하기 위해 LPF(low-pass filter)가 필요하기 때문에, 특정 케이블 길이로 인해 시스템 설계를 사전 구성해야 할 수도 있다. 케이블 끝 꼬임이 이상적이지 않으며 커넥터가 불균형하거나 차폐되지 않는 경우, 커넥터에서 다른 문제가 발생할 수 있다.

페어 꼬임 비율을 제어하고 커넥터를 UTP 케이블에 장착하면, 와이어와 단자 간의 정렬 문제로 인해 자동화가 어려울 수 있다. 반면 동축 케이블은 여러 해 동안 자동차에서 입증된 트랙 기록을 가지며 생산은 고도로 자동화된다. 따라서 다른 구조에도 불구하고 동축 및 UTP 케이블 어셈블리의 비용은 매우 유사하다.

 

시스템 복잡성 및 카메라 모듈 크기

그림 3. 이더넷 대 SerDes 카메라 시스템 블록 비교.
그림 3. 이더넷 대 SerDes 카메라 시스템 블록 비교.
명확성을 위해 하나의 카메라 링크가 각각의 기술을 표시한다.

 

현재 싱글 페어 오토모티브 이더넷은 초 당 100메가비트의 속도를 지원한다. 제한된 100Mbps 대역폭은 카메라에서 고해상도 비디오를 압축한 후 다른 링크 끝에서 압축을 해제해야 한다(그림 3). 이러한 비디오 압축은 일반적으로 M-JPEG(Motion JPEG)이며 ECU(electronic control unit)에서의 프로세싱 리소스뿐만 아니라 카메라 모듈에서 상대적으로 강력한 마이크로컨트롤러를 요구하기 때문에 전력 소모, 부품 개수 및 시스템 비용을 증가시킨다.

또한, 압축은 비디오에서 잡음을 생성하기 때문에 잠재적으로 객체 인식 알고리즘 효과를 감소시킨다. 카메라 모듈에 부품을 추가하기 위해서는 관련 커넥터가 장착된 여러 인쇄회로기판(PCB)과 플렉스(flex) 회로가 필요하기 때문에 조립 비용 및 모듈 크기가 증가할 수 있다.

반면 FPD-Link SerDes 시스템은 카메라 센서에서 직접 압축되지 않은 비디오를 전송하기 때문에 훨씬 간단하고 부품 수가 적어진다.

대부분의 시스템은 색상 및 감마 보정, 자동 노출, 화이트 밸런스, 기타 기능과 같은 비디오 전처리(pre-processing)를 위해 이미지 센서 코프로세서(그림 3)을 통합한다. 이러한 코프로세서는 결정력이 낮은 지연 제어 인터페이스를 통해 이미지 센서와 통신해야 한다. 이더넷 카메라 시스템에서 코프로세서는 지연으로 인해 카메라 모듈에 위치되어야 한다. SerDes의 초저지연 I2C 제어 채널을 통해 코프로세서를 카메라에서 떨어진 ECU에 위치시킬 수 있어 카메라 모듈 전력 소모, 크기 및 열 잡음을 최소화할 수 있다.

그림 4. 서라운드 뷰/상단 뷰 SerDes 실행
그림 4. 서라운드 뷰/상단 뷰 SerDes 실행

 

그림 4는 SerDes 칩셋을 이용해 실행된 일반적인 서라운드 뷰 시스템을 보여준다. 적은 수량의 부품과 우수한 공간 효율을 통해 카메라 모듈 크기를 최소화할 수 있다. 이는 카메라 모듈이 일반적으로 사이드 뷰 미러 및 범퍼와 같이 원거리에서 공간이 제한된 위치에 장착하기 위해 최대한 작아야 하기 때문이다.

각 카메라에 대한 비디오 데이터와 양방향 제어는 카메라 모듈에 마이크로컨트롤러를 장착하지 않은 상태에서 단일 동축 케이블로 전송된다. 모든 부품을 단일 PCB에 장착할 수 있기 때문에 추가 생산 비용이 절감된다. 또한 동축 케이블을 통해 원거리에 있는 카메라에 전력을 전송할 수 있기 때문에 전력 및 접지 커넥터가 추가적으로 필요하지 않아 크기를 더욱 줄일 수 있다.

단일 동축 커넥터는 비디오, 제어 신호, 전력, 접지를 포함하며 케이블 및 설치 비용뿐만 아니라 자동차에 카메라를 설치하는 작업을 훨씬 수월하게 만든다. SerDes PoC(power-over-coax)는 전원을 켜고 끄며 장애 보호 기능을 제공하기 위한 간단한 전원 스위치가 장착된 표준 DC/DC 전원 공급장치를 이용해 달성할 수 있다. 전력 제공을 위한 특수 PoE(power-over-Ethernet) 타입의 컨트롤러는 필요 없다.

 

지연 성능
비디오 프레임은 여러 카메라 시스템과 동기화되어야 한다. 이더넷 기반 애플리케이션은 일반적으로 AVB(audio video bridging) 소프트웨어를 이용해 카메라를 동기화한다. 압축 인코딩/디코딩과 패키지화, AVB로부터의 오버헤드 등으로 인해 이더넷 카메라 지연(링크 지연)이 10ms 이상이 될 수도 있다.

순방향 영상과 같은 몇몇 ADAS 시스템에서는 계속 켜진 상태를 유지해야 한다. 또한 주차 보조 시스템의 경우, 최대 40~50km/h 속도에서 카메라를 작동시켜야 할 수도 있다. 이 속도에서 자동차는 밀리초 지연 당 1cm 이상을 이동한다(그림 5). 5~10cm 거리는 중대한 ADAS 설계 문제를 초래할 수 있으며 잠재적으로 시스템 성능과 차량 무결성에 영향을 미칠 수 있다.

그러나 DS90UB913A/914A와 같은 SerDes는 최대 15ms 또는 50km/h에서 0.2mm의 지연을 달성한다.

그림 5. 이동 거리 대 15µs, 1ms, 5ms, 10ms씩 지연 시 차량 속도
그림 5. 이동 거리 대 15µs, 1ms, 5ms, 10ms씩 지연 시 차량 속도

 

저조도와 악천후는 고성능 HDR 이미지 센서를 사용한 카메라 기반 ADAS 애플리케이션에게도 특히 까다로운 조건이다. 또한 카메라 모듈에서 발생하는 열로 인해 열 잡음과 기타 생성물이 증가하면서 저조도 화질이 훼손되기 때문에 운전자뿐만 아니라 기기 영상 알고리즘은 배경으로부터 전방 물체를 제대로 구분할 수 없게 된다.

40-50km/h 이상의 속도에서 카메라 전원을 켜면 카메라 모듈 내부에 열이 축적될 수 있다. 특히 모듈 하우징 및/또는 지지 브라켓을 위해 저렴한 플라스틱을 사용하는 경우, 공간 제약적 애플리케이션에서 이러한 열을 제거하기 어려울 수도 있다. 비디오 압축은 카메라 모듈 전력 소비를 상당히 증가시키기 때문에 내부 이더넷 카메라 모듈 온도가 60ºC 이상까지 상승할 수 있다.

그림 6. 여러 주변 온도 조건에서 저조도 상태에서의 HDR 카메라 이미지 센서 잡음
그림 6. 여러 주변 온도 조건에서 저조도 상태에서의 HDR 카메라 이미지 센서 잡음

 

그림 6은 상이한 온도에서 지속적인 저조도 조건 하의 HDR 카메라를 보여준다. 온도가 상승함에 따라 임의의 열 잡음 반점이 증가하고 더 높은 암전류가 흑/백 레벨과 컬러 채널 밸런스를 보정하는 이미지 제어 알고리즘을 압도한다.

카메라 이미지에서 볼 수 있듯이, 이러한 열 잡음은 여러 컬러 색조와 그레이스케일 영역 구분을 어렵게 만든다. 또한 열 잡음 반점 위에 M-JPEG 인코딩을 추가할 경우, 잡음이 증가되어 ADAS 알고리즘이 저조도 이미지를 사용할 수 없게 만들 수도 있다. 반면 SerDes는 비디오 스트림을 압축하지 않고 쿨러를 실행하기 때문에 저조도와 악천후 조건을 극복할 뿐만 아니라 정상 조건에서 최적의 이미지 품질을 제공한다.

 

매개변수

이더넷

SerDes
(DS90UB913A/4A)

FPD-Link의 장점

카메라 모듈
전기 부품

• 이미지 센서
• 압축 엔진 및 MAC을
내장한 MCU
• PHY
• 공통 모드 초크
• EMI 로우-패스
필터(선택사항)
• AC-커플링 캐패시터

• 이미지 센서
• 시리얼라이저
• AC-커플링 커패시터

20% 이상 작아진 카메라 모듈

BOM 비용
• 부품 비용
• PCB 수
• 케이블 조립 비용

중간
• 중간
• 2-3(커넥터/플렉스
제외)
• 낮음(꼬임 제어 UTP)

낮음
• 낮음
• 1
• 낮음(동축)

최대 45% 절감된 시스템 BOM 비용

카메라 전력 소비

1.5W

0.8W

46% 낮은 전력, 히트싱크 없음

지연

1 ~ 10 밀리초

최대 15µs

100x 낮은 지연

카메라 동기화 AVB 프레임 동기화 핀 간편한 동기화
비디오 품질 압축 무압축 HDR 고화질 원본 비디오
데이터 속도 100Mbps 1.5Gbps 15x 높은 대역폭

프로토타입을 위한 PC 연결

이더넷

프레임 그래버

표 1. 4대의 카메라 서라운드 뷰 예시 비교

 

결론
이더넷은 차량 내 네트워크를 위한 전도 유망한 기술이다. 그러나 고해상도 인포테인먼트 디스플레이와 카메라 기반 ADAS 애플리케이션을 위해 DS90UB913A/914A와 같은 SerDes는 낮은 시스템 비용, 우수한 공간 효율, 줄어든 전력 소비와 함께 더욱 우수한 성능을 제공한다.

 

참고문헌
DS90UB913A/914A 데이터시트 다운로드: http://www.ti.com/product/ds90ub913a-q1
TI의 오토모티브 및 트랜스포테이션 솔루션 정보: www.ti.com/automotive-ca

 

[저자 소개]
데이브 루이스(Dave Lewis), 오토모티브 아날로그 마케팅 매니저, 텍사스 인스트루먼트
데이브 루이스는 인포테인먼트 및 운전자 보조 시스템과 관련하여 텍사스 인스트루먼트에서 오토모티브 아날로그 마케팅 매니저를 맡고 있다. 여러 고속 시리얼라이저/디시리얼라이저 설계 가이드의 저자이자 LVDS 사용 설명서 원본 편집자이기도 하다. 이메일: ti_davelewis@list.ti.com

 






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