汽車音頻總線（A2B）與車載以太網(wǎng)

近年來(lái)，隨著汽車采用新的信息娛樂(lè)技術(shù)和先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)（攝像頭、雷達(dá)、激光雷達(dá)等），以及采用多種傳感器測(cè)量不同數(shù)據(jù)（穩(wěn)定性、速度、加速度等），汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)數(shù)量增加，復(fù)雜性也達(dá)到了新高度。

我們可以用高帶寬和低帶寬類技術(shù)來(lái)簡(jiǎn)單分類。通常，傳感器需要低帶寬。汽車上最常用的加速度計(jì)的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)只有幾千赫茲。至于信息娛樂(lè)系統(tǒng)，普通音頻和視頻數(shù)據(jù)要求的速率一般為幾Mbps以上。

然而，高清多攝像頭系統(tǒng)的采用才真正令標(biāo)準(zhǔn)得到提高，這種系統(tǒng)適用于停車輔助系統(tǒng)、360°視覺(jué)系統(tǒng)（也稱為鳥(niǎo)瞰系統(tǒng)或環(huán)視系統(tǒng)）、雷達(dá)（基于RF微波）和激光雷達(dá)（基于紅外激光），能夠幫助增強(qiáng)駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)。這些系統(tǒng)能夠共存是推動(dòng)自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，但對(duì)任何通信總線來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

汽車中使用的傳統(tǒng)總線包括：

局域互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)：速度最高20kbps，主要用于要求低成本、速度/帶寬比不太重要的子系統(tǒng)中。

控制器局域網(wǎng)(CAN)：傳輸速度最高1Mbps，比如用于在電子控制單元(ECU)和啟停系統(tǒng)、駐車輔助系統(tǒng)和電子駐車制動(dòng)器的傳感器之間通信。

FlexRay：速度比CAN快（最高10Mbps），價(jià)格更高昂。最開(kāi)始被用于線控（線控駕駛、線控轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)，能用于適配多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)：速度最高150Mbps，專用于傳輸音頻、視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)。定義ISO/OSI模型的全部7個(gè)層，從物理層直到應(yīng)用層，是一個(gè)專有的解決方案。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展，另一方面變得越加重要。許多不同子系統(tǒng)使用的各種總線都包含非常復(fù)雜（且昂貴）的電纜。對(duì)于汽車應(yīng)用，尺寸和重量是新的挑戰(zhàn)，因?yàn)橐獫M足新的環(huán)境法規(guī)就意味著需要開(kāi)發(fā)能夠（例如）降低CO2排放量的新系統(tǒng)。在這種情況下，就不太容易滿足高帶寬、低延遲，確定性、耐用且便宜的通信總線需求了。 汽車音頻總線（A2B）

汽車音頻系統(tǒng)的電纜在總電纜重量中占了很大比重，這是因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/analog/" target="_blank">模擬線路要求從音頻源到端（揚(yáng)聲器）都采用價(jià)格高昂的屏蔽電纜。此外，主動(dòng)降噪(ANC)和路噪消減(RNC)系統(tǒng)需要在車內(nèi)安裝多個(gè)麥克風(fēng)，這為音頻網(wǎng)絡(luò)增加了許多輸入節(jié)點(diǎn)。圖1非常詳細(xì)地展示了傳統(tǒng)汽車音頻系統(tǒng)的實(shí)際布線。

圖1：傳統(tǒng)的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜

汽車音頻總線（A2B）是ADI推出的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，支持串聯(lián)拓?fù)?，即單個(gè)主機(jī)最多連接10個(gè)菊花鏈形式的從機(jī)。A2B針對(duì)音頻應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，速度為50Mbps。通過(guò)使用非屏蔽雙絞線(UTP)，大幅簡(jiǎn)化連接，線束的總重量減少高達(dá)75%。節(jié)點(diǎn)之間的距離可達(dá)15米，最大網(wǎng)絡(luò)長(zhǎng)度為40米。同樣的UTP傳輸電源（幻象供電）最高可達(dá)300mA，非常適合數(shù)字麥克風(fēng)。

若在主節(jié)點(diǎn)提供的供電功率分配不足時(shí)，可以由本地電源為從機(jī)節(jié)點(diǎn)供電?？偩€支持雙向通信，主機(jī)至從機(jī)、從機(jī)至主機(jī)，最多可32個(gè)通道下行和上行（12、16、24位）。最重要的是，可以保證延時(shí)最多2個(gè)時(shí)鐘周期，為ANC/RNC這樣的延時(shí)敏感型應(yīng)用提供確定性。A2B總線可以傳輸I2C消息，支持在從機(jī)節(jié)點(diǎn)上遠(yuǎn)距離配置ADC/DAC等外設(shè)。

簡(jiǎn)化A2B網(wǎng)絡(luò)配置的工具是SigmaStudio，這是一種圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境，支持SigmaDSP和SHARC DSP等系列。A2B收發(fā)器（AD2428，AD2427，and AD2426）提供I2S和PDM接口。I2S接口通常用于連接ADC和DAC，數(shù)字麥克風(fēng)則通常使用PDM。

汽車應(yīng)用的一個(gè)重要問(wèn)題是電磁兼容性（EMC/EMI）。A2B通過(guò)了最嚴(yán)格的汽車EMC和EMI測(cè)試（僅使用雙線UTP電纜）。RNC應(yīng)用要求加速度計(jì)和麥克風(fēng)分布在汽車內(nèi)部周圍。使用模擬鏈路的成本非常高昂，因?yàn)樾枰~外部署電路（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、電纜和連接器。A2B技術(shù)采用新型音頻源和傳感器，簡(jiǎn)化了這個(gè)架構(gòu)。

圖2：被A2B技術(shù)簡(jiǎn)化過(guò)的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜

車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是非常流行的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，擁有龐大的生態(tài)系統(tǒng)。然而，到目前為止，它在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用非常有限，僅限于診斷、車載信息娛樂(lè)系統(tǒng)和高帶寬傳感器連接等。

雖然在雷達(dá)和激光雷達(dá)等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)且對(duì)帶寬產(chǎn)生巨大需求時(shí)，以太網(wǎng)可能能夠滿足這些帶寬需求，但仍有幾個(gè)方面限制了它在汽車上的應(yīng)用。用于100-Base-TX的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜都是基于兩個(gè)差分線對(duì)，通過(guò)變壓器進(jìn)行隔離，對(duì)于汽車應(yīng)用而言太過(guò)昂貴。此外，5類電纜不能滿足汽車EMI標(biāo)準(zhǔn)，因此，100-Base-TX以太網(wǎng)除了進(jìn)行診斷和固件更新，并不能用于車內(nèi)通信。

對(duì)于車對(duì)車(V2V)或車對(duì)萬(wàn)物(V2X)通信，車內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸必須支持同步、流量控制和固定延遲。以太網(wǎng)無(wú)法提供這類支持，除非采用新協(xié)議棧。

我們先考慮一下物理層。為了滿足關(guān)于重量、EMI和成本的要求，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)制定了一項(xiàng)新標(biāo)準(zhǔn)，即802.3bw，也被稱為100-Base-T1。IEEE802.3bw是基于雙向UTP電纜的100Mbps標(biāo)準(zhǔn)，滿足嚴(yán)格的汽車電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。它利用疊加、特定編碼和加擾等原理降低EMI。

使用非屏蔽雙線電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的5類電纜時(shí)，成本和重量都更低。以太網(wǎng)供電(PoE)等技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)的同時(shí)供電，共用相同的電纜。但是，PoE提供電源至少要用到兩個(gè)線對(duì)，與減少電纜數(shù)量的要求背道而馳。

所以IEEE制定出802.3bu標(biāo)準(zhǔn)，也被稱為數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。PoDL可以通過(guò)一個(gè)線對(duì)提供電源，這從一定程度上增加了收發(fā)器原理圖的復(fù)雜性。

圖3：基本的PoDL架構(gòu)：通過(guò)同樣的差分通道傳輸數(shù)據(jù)和提供電源

如前所述，為了支持汽車應(yīng)用，以太網(wǎng)需要額外的軟件技術(shù)來(lái)支持時(shí)間確定性。這可以通過(guò)音頻視頻橋接協(xié)議(AVB)來(lái)實(shí)現(xiàn)，AVB協(xié)議由IEEE 802.1開(kāi)發(fā)，該組織負(fù)責(zé)ISO/OSI模型的第二層。

AVB是一種提供時(shí)間同步和流量控制的軟件技術(shù)。利用這些基本概念，以太網(wǎng)可以可靠地提供音頻和視頻內(nèi)容。在AVB的推動(dòng)下，IEEE定義了一系列協(xié)議，即時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)，它們主要關(guān)注工業(yè)和汽車市場(chǎng)，提供支持實(shí)時(shí)支持的以太網(wǎng)。

綜上所述，IEEE 802.3bw加上TSN可以取代傳統(tǒng)總線，成為合適的車內(nèi)確定性通信解決方案。此外，100-Base-T1正在演變成新的1000-Base-T1標(biāo)準(zhǔn)，速度可以達(dá)到1Gbps。但是，這樣的系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，而且這些技術(shù)還不夠成熟，不適合在汽車市場(chǎng)中廣泛部署。

可能的場(chǎng)景 車載市場(chǎng)已開(kāi)始采用A2B來(lái)進(jìn)行音頻傳輸。涉及從不同總線子系統(tǒng)/節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的需求下，以太網(wǎng)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到批量實(shí)施的水平。

圖4：多域架構(gòu)

A2B技術(shù)對(duì)簡(jiǎn)化ANC、免提系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(EV)警示音系統(tǒng)、緊急呼叫(eCall)系統(tǒng)等應(yīng)用都大有裨益。此外，未來(lái)可能能夠直接將數(shù)字傳感器提供的信息傳輸至A2B，以進(jìn)一步簡(jiǎn)化RNC系統(tǒng)的架構(gòu)。 自動(dòng)駕駛推動(dòng)著總線性能不斷提高，未來(lái)有望實(shí)現(xiàn)千兆網(wǎng)絡(luò)連接。那么，在接下來(lái)的幾年里，會(huì)出現(xiàn)什么樣的場(chǎng)景？

A2B是一種易于實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，通過(guò)同一對(duì)UTP電纜傳輸電能和數(shù)據(jù)，并對(duì)延時(shí)提供確定性支持。采用現(xiàn)有的100-Base-T1（未來(lái)是1000-Base-T1）技術(shù)的以太網(wǎng)將會(huì)是一種融合技術(shù)，可以聚合多條數(shù)據(jù)總線，但增加供電(PoDL)和軟件確定性(TSN)的復(fù)雜度會(huì)提高。

很可能，基于A2B的音頻傳輸和傳感器混合解決方案，以及依靠高速Gb以太網(wǎng)連接激光雷達(dá)和雷達(dá)等主干網(wǎng)絡(luò)，能夠滿足汽車行業(yè)大部分的中期需求。