GMSL2カメラとイーサネットカメラの詳細比較

組み込みカメラは、接続機器において現在とこれからの需要に応える為に日々進化しているテクノロジの一つとして当たり前の存在となりました。しかし、選択プロセスが最も基本的な機能の可用性に大きく依存していた時代は終わりました。現在、カメラが注目されているのは、いくつかの大きな要因によるものです。それらには、高速データ転送、長距離サポート、データの完全性、および優れた画質が挙げられます。

もちろん、業界にとらわれず、多くのユースケースに影響を与えるものもあります。例えば、最大800Gbpsの高速データ転送や最大500mの長距離サポートなどの特定の機能は、ネットワーキングの先見者にとって確固たる目標として浮上しています。それでも、次の飛躍に必要な根本的な課題はハードルが高いです。これらには、電力、光学、アーキテクチャ、および危険な環境に対処するカメラの機能が含まれます。

この記事では、組み込みカメラ業界の将来を維持するために、GMSL2とイーサネットカメラがこれらの課題にどのように対応できるかについて説明します。

GMSL2カメラとは？

GMSLは、シリアライザとデシリアライザのファミリーで構成される高速シリアルインターフェイスであるギガビットマルチメディアシリアルリンクの略です。同軸のシールドツイストペア(STP)ケーブルまたはシールドパラレルペア(SPP)ケーブルで接続されます。シリアライザーは、データをシリアルストリームに変換するために送信側で使用されます。一方、受信側のデシリアライザーは、シリアルワードをパラレルワードに変換して処理するために使用されます。

GMSLおよびGMSL2カメラは、SerDes技術を使用して、高速ビデオ、双方向制御データ、および電源を1本の同軸ケーブルで伝送します。レーンあたり最大6Gbpsの速度で映像を転送できます。

GMSL インターフェイスを使用した組み込みシステムのブロック図を紹介いたします。

図 1: GMSL SERDES システム

イーサネットカメラとは？

イーサネットカメラとGMSL2カメラを比較する前に、イーサネットケーブルが使用される理由について説明します。

イーサネットケーブルとは?

イーサネットケーブルは、ケーブル全体にわたって銅線が相互に撚り合わされた外被で構成されるネットワークケーブルの一種です。Unshielded Twisted Pair(UTP)またはShielded Twisted Pair (STP)に分類されます。STPケーブルはその名の通り、外被の内側にシールドが施されています。このSTPは、データの破損を軽減するために、高電磁干渉(EMI)環境で一般的に使用されます。

イーサネットケーブルの種類

カテゴリー	伝送速度（最大）	伝送距離	シールドタイプ	帯域幅（最大）
Cat 5e	1Gbps	100メートル	シールドなし	100MHz
Cat 6	1Gbps	100メートル	シールド/シールドなし	250MHz
	10Gbps	55メートル
Cat 6a	10Gbps	55 メートル	シールド	500MHz
Cat 7	100Gbps	15メートル	シールド	600MHz
Cat 7a	100Gbps	15メートル	シールド	1,000MHz
Cat 8	40Gbps	30メートル	シールド	2,000MHz

表 1: イーサネットケーブルの種類

イーサネットカメラは、画像を撮影したり、ビデオ映像を記録したり、イーサネットケーブルを介してネットワーク経由で送信します。特に、これらのカメラは、長距離伝送の信頼性が要求される組み込みビジョンアプリケーションに適しています。各イーサネットカメラには処理チップが搭載されており、帯域幅の過剰な消費を避けるために、撮影または記録時に画像/ビデオ映像を圧縮します。最後に、ネットワーク経由で画像/ビデオ映像を送信します。

イーサネットカメラは、監視業界によって作成された一連のオープンスタンダードプロトコルであるONVIF規格を使用して開発されています。この規格により、カメラは相互に通信でき、ネットワークビデオレコーダー(NVR)と通信できます。

イーサネットカメラのパワーオーバーイーサネット(PoE)テクノロジー

イーサネットカメラでは、録画映像を共有したり、カメラ設定を管理したりするために、電源とネットワークの両方が必須です。したがって、2つのケーブル接続が必要です。1つは電源に接続し、もう1つはルーターまたはスイッチに接続します。しかし、イーサネットカメラにPoE技術が組み込まれている場合、別の電源を使用せずに、データとDC電源の両方を1本のCATx Ethernetケーブルを介してデバイスに供給します。

図2:イーサネットケーブルで接続されたGigEカメラ

1本のケーブルを使用してデータと電力を同時に伝送-仕組み

イーサネットケーブルの外被の中にツイストペア線が含まれているため、IEEE802.3af(PoE)や802.3at(PoE+)などのPoE規格では、電力用に2対、データ用に2対のツイストペアが使用されます。IEEE802.3bt(PoE++)などの最近のPoE規格では、4つのツイストペアすべてを使用して、電力とデータの両方を送信します。
IEEE802.3af(PoE)：最初に開発されたPoE規格は、最大電力15.4ワットを供給しました。この規格のPoEカメラは、ワイヤレスアクセスポイント(WAP)、ボイスオーバーインターネットプロトコル(VoIP)電話、基本的な監視カメラなど、電力要件が最も低いアプリケーションに使用されます。

以下に、さまざまなPoE規格を示します。

• IEEE802.3at(PoE+)：この規格は25.5ワットの最大電力を供給します。この規格のPoEカメラは、LCDを備えたVoIPカメラ、パン、チルト、ズームなどの機能を有効にした監視カメラなどのデバイスのより高い電力ニーズをサポートします。
• IEEE802.3btタイプ3(PoE++)：この規格は42.5V～57Vで51ワットの電力を供給します。スイッチポートの最大電力は50V～57Vで60ワットです。
• IEEE802.3btタイプ4(PoE++)：この規格は41.1V-57Vで71ワットの電力を供給します。PoE++タイプ4スイッチポートの最大電力は、52V～57Vで100ワットです。

IEEE802.3btPoE++は、デジタルサイネージ、情報キオスクなどのハイパワーアプリケーションに使用できます。

これを実証するために、IEEE 802.3af準拠のe-conのPoEカメラのブロック図を以下に示します。

図3:e-conのPoEカメラ–RouteCAM

GMSL2カメラとイーサネットカメラはどちらも、特定のアプリケーションに適した独自の方法で、高速データレート、高帯域幅、完全性、より優れたEMI/EMCパフォーマンスなどの高まる要求を満たします。一方で、GMSL2カメラはより高度であり、非常に高速でパフォーマンスが必要な組み込みビジョンアプリケーションに適しています。

伝送距離

GMSLカメラは、同軸ケーブルまたはSTPを介してホストプロセッサから15メートル離れた場所に配置しても、フルスピードで動作し、高フレームレートと低遅延をサポートできます。では、アプリケーションが15メートルを超えるケーブルの長さを必要とする場合はどうなるでしょうか? 解決策は、長距離伝送(最大100m)を可能にするのに役立つPoEカメラです。ケーブルの長さの詳細については、表1:イーサネットケーブルの種類を参照してください。

イーサネットネットワーク範囲を100mを超えて拡張するには、PoEエクステンダーをPoEカメラと組み合わせます。この組み合わせは、IEEEPoEおよびデータ規格に準拠しながら、最大200mのネットワークデバイスにデータと電力を供給します。さらに、PoEエクステンダーは500mまでカスケード接続できます。実際には、この拡張は、いくつかのトレードオフなしでは実現できません。まず、通信速度が10Gbpsから100Mbpsにまで低下します。

データ転送速度

GMSL2は、最大15mの距離で、高速データ転送速度、帯域幅、および低遅延で優れた画質を提供します。そのため、GMSL2 SerDesカメラは、高速データ転送技術を必要とする大型ドローン、農業機械、物流ロボットなどの組み込みアプリケーションに好まれます。一方、PoEカメラは、このようなデバイスのローエンドの用途に使用できます。たとえば、RouteCAM_CU20(e-con Systemsの低照度HDR PoEカメラ)は、自律移動ロボット、スマート農業、スマート交通および駐車場管理デバイス、サラウンドビューシステムなどのアプリケーション向けに設計されています。

EMI/EMC性能

電磁干渉(EMI)は、この有害な干渉が周辺のケーブル、コネクタ、および電子デバイスの性能に影響を与えるため、カメラでは依然として深刻な問題です。そのため、デバイスに有害な干渉がないことを確認するために、EMC/EMIテストが実行されます。

プログラム可能な出力スペクトラム拡散機能は、GMSL ユニットのシリアライザーおよびデシリアライザーICに組み込まれており、カメラアプリケーションの安全性を高めます。外部スペクトラム拡散クロックを必要とせずに、リンクのEMI性能を向上させます。また、GMSLシリアライザーには、堅牢な制御チャネルの電磁適合性(EMC)耐性のための高耐性モード(HIM)が装備されています。

したがって、GMSL SerDesは、イーサネットと比較して最も厳しい電磁適合性(EMC)要件を満たしています。同時に、PoEまたはGigEカメラは、ほとんどの組み込みビジョンアプリケーションの基本的なEMI/EMC要件を満たしています。

コスト

PoEカメラは、必要なケーブルが少ないため、新規設置に関しては安価です。また、PoEエクステンダーを利用することは、長距離アプリケーション向けにイーサネットネットワーク範囲を100mを超えて拡張する費用対効果の高い方法です。

一方、同軸ケーブルを使用するGMSL2カメラでは、電源ケーブルと映像専用ケーブルを別々に配線する必要があるため、ケーブルの設置に多くの労力とコストがかかります。ただし、GMSL2は、Power over Coax(PoC)から電力を供給することもできます。そのため、すべてのデータ、制御信号、電力が1本の同軸ケーブルを介して配信されます。これにより、最大15mまでの柔軟なケーブル配線が可能になり、狭い場所への設置が容易になります。

イーサネットとGMSLカメラの最近の進歩は何ですか?

シングルペアイーサネット(SPE)とAdvanced Physical Layer(APL)は、イーサネットの革新的技術の中でも最も人気のある2つの技術です。拡張されたイーサネットケーブル長のサポートや危険な環境に対処する機能などの潜在的な利点により、業界でのイーサネットの採用が拡大しています。SPEは1対のツイストペアワイヤを使用しますが、他の形式のイーサネットは4対を使用します。SPEソリューションには、従来のRJ45コネクタに代わる堅牢で省スペースのコネクタが含まれています。また、単一のツイストペア線を介してPower over Data Line(PoDL)経由でデータと電力を供給します。さらに、SPEはコンパクトであるため、小型センサーやカメラ、または同様の小型機器に電力を供給するのに理想的です。APLは、10BASE-T1Lに基づくSPE用の拡張物理層です。

GMSLに関して言えば、GMSL3(12Gbps)は、最大14mのケーブル長で高フレームレート(4K、90fps)を伝送する最新世代です。さらに、GMSL3インターフェイスは後方互換性モードをサポートしているため、そのコンポーネントはGMSL2モードでも動作できます。

e-con Systemsが設計した世界クラスのカメラのラインナップ

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