Was ist CoaXPress-over-Fiber
CoaXPress-over-Fiber ist eine kleine, aber signifikante Erweiterung der bestehenden CoaXPress-Spezifikation zur Unterstützung von Übertragungen über Glasfaser. CoaXPress (CXP) ist der De-facto-Standard für Computer-Vision-Anwendungen mit hoher Bandbreite. CoaXPress 2.0, die neueste Version der Spezifikation, spezifiziert die CXP-12-Geschwindigkeit, eine Verbindung mit 12,5 Gbit/s (Gigabit pro Sekunde) über ein koaxiales Kupferkabel. Da Link Aggregation bei CoaXPress üblich ist, sind mit vier CXP-12-Links problemlos Bandbreiten von 50 Gbit/s (12,5 x 4) möglich. Die CoaXPress-Spezifikation wird von der JIIA (
Japan Industrial Imaging Association) gehostet.
CoaXPress-over-Fiber wurde als Ergänzung zur CoaXPress 2.0-Spezifikation entwickelt. Sie bietet eine Möglichkeit, das CoaXPress-Protokoll unverändert, also so wie es ist, über eine Standard-Ethernet-Verbindung einschließlich Glasfaser auszuführen. CoaXPress-over-Fiber verwendet dabei für Ethernet ausgelegte Standard-Elektronik, -Anschlüsse und -Kabel, wobei allerdings ausschließlich das CoaXPress-Protokoll, also weder das Ethernet- noch das GigE Vision-Protokoll, zum Einsatz kommt.
Euresys und
Sensor to Image haben 2018 mit der Entwicklung und Demonstration von CoaXPress-over-Fiber begonnen. Seit Anfang 2020 arbeiten Euresys und die CoaXPress-Arbeitsgruppe, der die meisten großen Hersteller von Bildverarbeitungssystemen angehören, innerhalb der JIIA an der Überarbeitung der Spezifikation als Ergänzung zum CoaXPress-Standard.
Welche Vorteile bietet die Verwendung von Ethernet-Konnektivität?
Durch die Nutzung der Ethernet-Konnektivität profitiert CoaXPress-over-Fiber von der kostengünstigen Standardausrüstung (wie Steckverbinder und Kabel), die für Ethernet ausgelegt ist. Ethernet ist durch die IEEE 802.3-Standards definiert; durch die Nutzung dieser Standards wird CoaXPress-over-Fiber auch von der ständigen Weiterentwicklung von Ethernet hin zu höheren Bandbreiten profitieren.
Was sind die Vor- und Nachteile von Glasfaseroptik?
Vorteile
- In erster Linie spielt die Kabellänge keine Rolle mehr, da Glasfaserverbindungen grundsätzlich nicht in ihrer Länge begrenzt sind.
- Glasfaseroptik bietet mehr Bandbreite, da Verbindungen mit 10 und 25 Gbit/s pro Faser heute Standard und in Rechenzentren weit verbreitet sind.
- Glasfaseroptik ist immun gegen elektrisches Rauschen, was in der Produktion und bei einigen medizinischen Anwendungen einen wesentlichen Vorteil bietet.
- Glasfaseroptik ist leichter und kleiner als entsprechende Kupferverkabelungen und eignet sich daher für Anwendungen, bei denen diese Eigenschaft wesentlich ist, wie z. B. in Flugzeugen oder Fahrzeugen.
Nachteile
Es gibt keine „Energie über Glasfaser“. Die Signale bei der Glasfaseroptik werden mit Licht übertragen. Es gibt keine Möglichkeit, Energie über Glasfaser zu übertragen. Geräte wie Kameras müssen daher separat mit Strom versorgt werden.
Welche Bedeutung hat CoaXPress-over-Fiber für Kamerahersteller?
Da CoaXPress-over-Fiber eine Ergänzung zum CoaXPress-Standard ist, können bestehende CoaXPress-Kameras relativ einfach auf CoaXPress-over-Fiber aufgerüstet werden, ohne dass eine wesentliche Neuentwicklung oder der Test eines neuen Protokolls erforderlich ist.
FPGAs, die bereits in CoaXPress-Kameras verwendet werden, umfassen viele Funktionen zur Unterstützung des Ethernet-Standards. Die im IEEE-Standard 802.3 Klausel 46 definierte medienunabhängige 10-Gbit/s-Schnittstelle (10 Gbps Media Independent Interface, XGMII) ist der Hauptzugang zur physikalischen 10G-Ethernet-Schicht. Die allgemeinen Merkmale dieser Schnittstelle erleichtern das Mapping der CoaXPress-Signale auf die PCS/PMA-Ethernet-Unterschichten.
Mit der XGMII kann CoaXPress auch höhere Bandbreiten über die im IEEE-Standard 802.3 Klausel 106 definierte medienunabhängige 25-Gbit/s-Schnittstelle (25 Gbps Media Independent Interface, 25GMII) unterstützen. Die 25GMII ist eine schnellere Version der XGMII mit gleicher Logik.
Sensor to Image, eine Firma von Euresys, bietet bereits CXP-zu-XGMII- und XGMII-zu-CXP-IP-Cores zur Evaluierung an.
Wie hoch ist die Bandbreite von CoaXPress-over-Fiber?
Die anfängliche Konfiguration von CoaXPress-over-Fiber beträgt 4 x 10 Gbit/s auf einem einzelnen QSFP+-Modul für insgesamt 40 Gbit/s pro Kamera. Dies entspricht genau der gleichen Nettobandbreite wie vier CXP-12-Links über vier Kupferkoaxialkabel. Es gibt jedoch einen klaren Upgrade-Pfad für CoaXPress-over-Fiber in Richtung 4 x 25 Gbit/s = 100 Gbit/s mit z. B. QSFP28-Modulen und 4 x 50 Gbit/s = 200 Gbit/s mit QSFP56-Modulen.
Welche Bedeutung hat CoaXPress-over-Fiber für Endanwender?
Durch die Nutzung der Ethernet-Konnektivität profitiert CoaXPress-over-Fiber von der kostengünstigen Standardausrüstung (wie Steckverbinder und Kabel), die für Ethernet ausgelegt ist, sowie der ständigen Weiterentwicklung von Ethernet hin zu höheren Bandbreiten. Endanwender können Produkte erwarten, die die zukünftige Nachfrage nach höheren Auflösungen bei der Bildverarbeitung sowie nach höheren Inspektionsgeschwindigkeiten und höherer Zuverlässigkeit erfüllen.
Welche Kabeloptionen gibt es für CoaXPress-over-Fiber und was ist die maximale Kabellänge?
Einer der wichtigsten Vorteile von CoaXPress-over-Fiber ist die große Bandbreite an Konnektivitätsoptionen, die bereits von mehreren Unternehmen angeboten werden. Die ersten Konnektivitätsoptionen für CoaXPress-over-Fiber bei 10 Gbit/s sind SFP+- und QSFP+-Module (Quad-SFP+ bzw. viermal SFP+).
Der Vorteil der Verwendung von Modulen im Vergleich zu festen Schnittstellen besteht darin,
dass die Ports mit jedem geeigneten Transceivertyp entsprechend den Anforderungen der Anwendung ausgestattet werden können. Es ist eine Vielzahl von Transmitter- und Receivertypen verfügbar, sodass Benutzer den geeigneten Transceiver auswählen können, um die erforderliche optische Reichweite über Multimode- oder Monomode-Faser bereitzustellen.
Euresys Coaxlink QSFP+ mit einem AOC-Transceiver (Active Optical Cable, aktives optisches Kabel)
Die erste Option ist die Verwendung eines optischen Transceiver-Moduls 40GBASE-SR4 QSFP+
für Multimode-Fasern. Es verwendet einen MTP/MPO-Faseranschluss mit einem maximal 150 Meter langen Glasfaserkabel. Diese Lösung eignet sich für Machine-Vision-Anwendungen.
Optisches Transceiver-Modul 40GBASE-SR4 QSFP+ 850nm 150m MTP/MPO für MMF
MTP/MPO-Faseranschluss mit maximal 150 m langem Glasfaserkabel
Die zweite Option ist die Verwendung eines optischen Transceiver-Moduls 40GBASE-ER4 QSFP+ LC DOM für Monomode-Fasern. Es verwendet einen LC-Duplex-Faseranschluss mit einem maximal 40 km langen Glasfaserkabel. Diese Lösung eignet sich beispielsweise für Anwendungen zur Videoübertragung.
Optisches Transceiver-Modul 40GBASE-ER4 QSFP+ 1310nm 40km LC DOM für SMF
LC-Duplex-Faseranschluss mit maximal 40 km langem Glasfaserkabel
Aktive optische Breakout-Kabel sind ebenfalls erhältlich. Sie verfügen über einen 40G QSFP+-Transceiver (für den Framegrabber) auf der einen Seite und vier 10G SFP+-Transceiver (für vier Kameras) auf der anderen Seite.
Diese Lösungen sind zukunftssicher, da bereits Optionen für höhere Geschwindigkeiten verfügbar sind. Die SFP28-Iteration ist für Geschwindigkeiten von 25 Gbit/s ausgelegt. Die Variante QSFP28 (Quad SFP28) ermöglicht Geschwindigkeiten bis zu 100 Gbit/s. QSFP56 wurde bereits 2019 standardisiert. Damit verdoppeln sich die Höchstgeschwindigkeiten für Produkte, die bereits von großen Anbietern verkauft werden, auf 200 Gbit/. Es gibt auch kostengünstige Adapter, mit denen SFP-Transceiver in einen QSFP-Port passen.
Was sind die Vorteile der Verwendung von CoaXPress-over-Fiber
für meine Anwendung?
- Ultrahohe Daten-/Frameraten
- Viele Zubehör- und Verkabelungsoptionen zur Abdeckung beliebiger Längenanforderungen
- Geringer CPU-Overhead, niedrige Latenz, jitterarme Bilderfassung
- Höchste Anzahl an Kameras pro PC-Leistung
- Sehr wettbewerbsfähiges Preis-Leistungs-Verhältnis
- Breite Branchenakzeptanz durch JIIA- und IEEE-Standardisierung
Was bietet CoaXPress-over-Fiber in Bezug auf Jitter und Latenz?
Wie sind diese im Vergleich zum „traditionellen“ CoaXPress?
CoaXPress-over-Fiber basiert auf dem CoaXPress-Protokoll und weist in Bezug auf Jitter und Latenz die gleiche hohe Leistung wie CoaXPress auf. Da CoaXPress-over-Fiber im Vergleich zu CoaXPress darüber hinaus eine höhere Übertragungsgeschwindigkeit unterstützt, werden Jitter und Latenz in diesen Versionen weiter verbessert.
Wie sieht ein Vergleich zwischen CoaXPress und CoaXPress-over-Fiber aus?
Der Erfolg von CoaXPress beruht auf der einzigartigen Kombination folgender Merkmale:
- Hohe Bandbreite
- Niedrige Latenz (einschließlich Trigger-Latenz)
- Hohe Stabilität/Zuverlässigkeit
CoaXPress-over-Fiber ist CoaXPress mit den gleichen Vorteilen, die jedoch weiterentwickelt werden.
Wie sieht ein Vergleich von CoaXPress und CoaXPress-over-Fiber mit GigE Vision aus?
In Bezug auf die Bildübertragungsbandbreite
CoaXPress und CoaXPress-over-Fiber unterstützen problemlos Link Aggregation, und die meisten CoaXPress-Kameras verwenden derzeit zwei oder vier Links. In ähnlicher Weise bieten CoaXPress-Framegrabber ein bis acht Verbindungen pro Karte. Die anfängliche Konfiguration von CoaXPress-over-Fiber beträgt 4 x 10 Gbit/s für insgesamt 40 Gbit/s (die gleiche Nettobandbreite wie vier CXP-12-Links). Es gibt einen klaren Upgrade-Pfad in Richtung 8 x 10 Gbit/s = 80 Gbit/s, 4 x 25 Gbit/s = 100 Gbit/s und 4 x 50 Gbit/s = 200 Gbit/s.
Im Gegensatz dazu ist Link Aggregation mit GigE Vision schwierig und die meisten GigE Vision-Kameras verwenden nur einen Link.
In Bezug auf die Bilderfassungsstabilität
Die Datenpaketverwaltung des CoaXPress-Protokolls ist einfacher. Sie erfolgt durch den Framegrabber oder die Schnittstellenkarte über dedizierte Hardware, wodurch eine niedrige Latenz und stabile Bilderfassung ohne Belastung der Host-CPU gewährleistet ist.
Im Gegensatz dazu verwenden GigE Vision-Anwendungen Standardnetzwerkkarten (Network Interface Cards, NICs), bei denen die Datenpaketverwaltung durch den Treiber erfolgt und die Host-CPU erheblich belastet wird.
Insgesamt bietet CoaXPress eine stabilere, zuverlässigere Bildübertragung, ohne die Host-CPU zu belasten. Dies gilt umso mehr bei höheren Geschwindigkeiten.
Welche Betriebssysteme werden unterstützt?
CoaXPress-over-Fiber ist unabhängig von allen Betriebssystemen. Derzeit unterstützen CoaXPress-Framegrabber Windows, Linux, macOS und/oder spezielle eingebettete Betriebssysteme;
dasselbe gilt für CoaXPress-over-Fiber.
Können CoaXPress-over-Fiber-Kameras mit GenICam-kompatibler
Software verwendet werden?
Ja. CoaXPress-over-Fiber ist eine Ergänzung zu CoaXPress, beide bieten eine obligatorische Unterstützung für GenICam.
Wie ist der Stand hinsichtlich des CoaXPress-over-Fiber-Standards?
Ab Oktober 2020
Euresys und Sensor to Image haben 2018 mit der Entwicklung und Demonstration von CoaXPress-over-Fiber begonnen. Seit Anfang 2020 arbeiten Euresys und die CoaXPress-Arbeitsgruppe, der die meisten großen Hersteller von Bildverarbeitungssystemen angehören, innerhalb der JIIA an der Überarbeitung der Spezifikation als Ergänzung zum CoaXPress-Standard.
Die Veröffentlichung der endgültigen Spezifikation wird in den kommenden Monaten erwartet.
In der Zwischenzeit hat die JIIA im Januar 2020 eine „Optical Interface Guideline for CoaXPress“ veröffentlicht, in der die Optionen für Glasfaseranschlüsse für CoaXPress im Detail beschrieben werden.
Welche CoaXPress-over-Fiber-Produkte sind erhältlich?
- Der Coaxlink QSFP+, ein CoaXPress-over-Fiber PCIe-Framegrabber mit einem QSFP+-Gehäuse für vier bidirektionale 10-Gbit/s-Links ist von Euresys für Kamerahersteller erhältlich.
- Für Kamerahersteller ist ein CoaXPress-over-Fiber Bridge-IP-Core von Sensor to Image erhältlich.