汽車數(shù)據(jù)連接的未來

如今的汽車可以感知周圍的世界，并根據(jù)感知的結(jié)果采取行動。它們在安全性、舒適性、便利性以及交互性等方面為駕駛員及乘客帶來前所未有的體驗。年復(fù)一年，它們在這方面不斷進步。

但是，如果沒有準(zhǔn)確無誤的數(shù)據(jù)連接，汽車就無法做到上述任何事情。數(shù)據(jù)連接是汽車的“神經(jīng)系統(tǒng)”，負(fù)責(zé)將遍布汽車各個位置的各種傳感器和執(zhí)行器鏈接到汽車計算平臺，也就是汽車的“大腦”。隨著傳感器和計算變得更加精密和復(fù)雜，以及軟件定義汽車的大勢所趨，對數(shù)據(jù)連接的帶寬要求正在快速增長，且超出了傳統(tǒng)車載網(wǎng)絡(luò)性能的適用范圍。

我們在其它領(lǐng)域（如數(shù)據(jù)中心、辦公和家居領(lǐng)域）曾經(jīng)經(jīng)歷過數(shù)據(jù)的爆炸式增長。由它們帶來的幾十年的經(jīng)驗和教訓(xùn)為定義汽車的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)這一全新挑戰(zhàn)提供了借鑒。但是，車規(guī)級的產(chǎn)品或技術(shù)有其獨特需求，以最安全、成本最優(yōu)的解決方案來滿足這些需求的探索將為更偉大的創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

一種新型網(wǎng)絡(luò)

A new type of network

車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)正面臨著前所未有的壓力。傳統(tǒng)的點對點模擬連接正逐漸讓位于數(shù)字連接。高分辨率雷達和攝像頭需要更高的帶寬和速度。在汽車內(nèi)部，電子控制單元 (ECU)之間的數(shù)據(jù)交換量也會越來越大。隨著軟件定義汽車的日漸成型，以上這些需求會日益增加。

為了適應(yīng)這些新興的要求，數(shù)據(jù)連接技術(shù)必須解決車載應(yīng)用的一些特殊挑戰(zhàn)：

電磁干擾 (EMI)

Electromagnetic interference

車輛內(nèi)部的物理空間有限，增加了發(fā)生電磁干擾的可能性。如此之多的電子電氣零部件彼此靠近，導(dǎo)致在設(shè)計數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時，必須既要抵抗其它組件可能發(fā)出的電磁“噪聲”，又要避免自身發(fā)出噪聲。

延遲敏感性

Latency sensitivity

如果其中一個傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)存在延遲，可能會導(dǎo)致難以將數(shù)據(jù)與其它傳感器的數(shù)據(jù)進行融合，以獲得車輛周圍環(huán)境的實時圖像，從而影響更高級別自動駕駛的決策。

故障安全要求

Fail-safe requirements

高級別的自動駕駛汽車必須能夠以可控方式從故障中恢復(fù)。數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)解決方案應(yīng)該能夠繞過故障節(jié)點，確保車輛繼續(xù)安全行駛，直到安全停車。

重量

weight

從車輛上每減去一克重量，都會使汽車更加高效，并且可能使成本更低。此外，占用空間更少的布線可以為其它組件騰出空間，進而加載更多功能。

目前，業(yè)界已經(jīng)有多種數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被開發(fā)出來，并以前所未有的方式滿足數(shù)據(jù)連接的需求。

汽車以太網(wǎng)

Automotive Ethernet

在 IT 領(lǐng)域，以太網(wǎng)有著悠久且極其成功的歷史。以太網(wǎng)發(fā)明于 1973 年，1985 年電氣與電子工程師協(xié)會 (IEEE) 將其標(biāo)準(zhǔn)化，隨后它開始主導(dǎo)應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域的局域網(wǎng)，并抵御了所有其它同類技術(shù)（如令牌環(huán)網(wǎng)）的競爭。數(shù)十年來，以太網(wǎng)已經(jīng)被證明是一種通用且具有靈活性的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，推動著通信領(lǐng)域的進步。不同版本的以太網(wǎng)分別依靠同軸電纜、光纖和非屏蔽雙絞線運行，速度也從10M bit/s 提高到 100G bit/s 以上。經(jīng)過數(shù)十年的應(yīng)用，人們對以太網(wǎng)的了解已經(jīng)非常充分，并且做出了很好的改進。

隨著車載網(wǎng)絡(luò)開始連接更多車內(nèi)計算資源，以太網(wǎng)的應(yīng)用成為自然而然的選擇，于是在2016 年，IEEE發(fā)布了第一個汽車以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3bw，或稱100Base-T1。盡管100M bit/s 的帶寬與 1995 年推出的 100Base-TX 相當(dāng)，但在汽車版本上仍然存在著關(guān)鍵的差異。

這兩個標(biāo)準(zhǔn)都在非屏蔽雙絞線上運行，即兩根銅線沿著電纜的長度方向纏繞在一起。這樣做的效果是，可以產(chǎn)生較少的電磁輻射和串?dāng)_，避免干擾其它電線或組件，同時抵抗其它來源的干擾。

不過，100Base-TX 采用兩對雙絞線，而汽車以太網(wǎng)只需采用一對，因此重量和成本更低。這一組對線是“平衡”的，即信號具有相等但相反的電壓。發(fā)送信號和接收信號都在一組雙絞線上傳導(dǎo)，而不是像 100Base-TX 一樣采用不同的兩組雙絞線。

在 100Base-TX 標(biāo)準(zhǔn)中，還規(guī)定最大長度為 100 米，這一長度為后續(xù)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)所遵循。汽車以太網(wǎng)的規(guī)定最大長度僅為 15 米。顯然，汽車應(yīng)用在車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組件之間不需要很長的距離，而長度越短，布線越輕。

另一個關(guān)鍵差異在于電纜兩端的收發(fā)器所完成的編碼。

100Base-TX 標(biāo)準(zhǔn)采用的是多階基帶編碼 (MLT-3)技術(shù)，該技術(shù)通過循環(huán)采用三個電壓電平，在電線上對位進行編碼，而汽車以太網(wǎng)采用三級脈沖幅度調(diào)制 (PAM-3)，通過信號脈沖的幅度進行位編碼，可以在每個時鐘周期中對更多位進行編碼。結(jié)合其它編碼技術(shù)，最終頻率可以從 125 MHz降低到 66.6 MHz，同樣有助于防止電磁干擾和串?dāng)_。

汽車以太網(wǎng)的后續(xù)發(fā)展

Subsequent developments in automotive Ethernet

IEEE 802.3bw 標(biāo)準(zhǔn)的 100M bit/s 可以滿足許多基本的汽車應(yīng)用，因此在今天得到了廣泛的應(yīng)用。但是，隨著工程師們考慮更高清晰度的視頻流，以及將多個傳感器的數(shù)據(jù)匯聚到公共電纜上，更高的速度將是必然要求。

在 IEEE 802.3bw 定稿后不久，IEEE 正式批準(zhǔn)了 802.3bp標(biāo)準(zhǔn)，或稱 1000Base-T1，后者可以通過屏蔽或非屏蔽雙絞線實現(xiàn)千兆級別的速度。這一標(biāo)準(zhǔn)與前身標(biāo)準(zhǔn)有著許多共同之處，但頻率高出近 10 倍，達到 600 MHz。這意味著電纜更容易受到串?dāng)_影響，因此，工程師在設(shè)計系統(tǒng)時，需要特別注意控制整個車輛的電磁噪聲，嚴(yán)格進行測試并在需要時進行屏蔽。該標(biāo)準(zhǔn)將為接下來的兩到三代平臺提供足夠的帶寬。

2020 年，IEEE 制定了 802.3ch 標(biāo)準(zhǔn)，同樣在15 米距離內(nèi)，能夠支持2.5G bit/s、5G bit/s 和 10G bit/s 等標(biāo)準(zhǔn)速率的千兆以太網(wǎng)。屏蔽雙絞線將可以滿足以上傳輸速度，但超過7 GHz 的頻率可能需要采用屏蔽平行對線，以便最大限度減少電磁干擾問題。

以太網(wǎng)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是，它是一種靈活性較強的網(wǎng)絡(luò)，可以輕松重新配置。如果出現(xiàn)故障，以太網(wǎng)路由器可以通過不同路線來發(fā)送數(shù)據(jù)。這一點很重要，可以確保車輛中重要計算組件的連接不會中斷。

在車載網(wǎng)絡(luò)中，同樣重要的是使用銅導(dǎo)線作為傳輸介質(zhì)的以太網(wǎng)隨數(shù)據(jù)信號傳輸電力的能力，這一特性稱為數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。數(shù)據(jù)線供電最高可支持 500 mA 的電力，足以滿足某些傳感器的需求，如優(yōu)化的衛(wèi)星架構(gòu)式攝像頭。這樣一來，汽車制造商僅需布設(shè)一對電線來連接這些傳感器，即可滿足它們的所有需求，從而使整車重量更輕，架構(gòu)更簡化。

有一些汽車以太網(wǎng)設(shè)備需要更高的電流，超過了數(shù)據(jù)線供電的容量。為此，安波福采用了幾種獨特的混合式連接系統(tǒng)，以滿足這些應(yīng)用需求。這些系統(tǒng)將高速AMEC 數(shù)據(jù)端口和傳統(tǒng)直流電源線組合成為單一接口，保持了數(shù)據(jù)線供電這一單一設(shè)備連接的簡便性。

例如，圖1所示的2+1 連接器擁有兩個1.5mm 直流端子，以及一個屏蔽式 1Gbit/s AMEC 接口。安波福已有多種混合式組件產(chǎn)品進入生產(chǎn)階段。同時，安波福正在為各種特殊應(yīng)用開發(fā)相應(yīng)的組件。

汽車同軸電纜的應(yīng)用

Automotive coaxial cable applications

同軸電纜很早就用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接。同軸電纜的中心包含一條絕緣線，周圍覆蓋著導(dǎo)電材料構(gòu)成的屏蔽層，是最初用于以太網(wǎng)的電纜，至今仍廣泛用于有線電視的連接。不同類型的同軸電纜性能水平各異，在汽車上的應(yīng)用也會根據(jù)參數(shù)選用特定的電纜。

同軸電纜具有堅固性和抗干擾性，使得它們在汽車應(yīng)用領(lǐng)域廣受歡迎。20多年來，大多數(shù)汽車OEM 一直采用的全球接口標(biāo)準(zhǔn)，稱為 FAKRA (Fachkreis Automobil)。這些連接器在高達3 GHz的頻率下運行良好，還可以通過端子的特定設(shè)計功能適應(yīng)6GHz 頻率下的應(yīng)用，速度高達 8Gbit/s。

最新的汽車同軸電纜應(yīng)用包括車輛中的數(shù)字?jǐn)z像頭系統(tǒng)。利用同軸電纜的高帶寬能力，可以通過單根電纜實現(xiàn)視頻信號和攝像頭電力傳輸。

隨著應(yīng)用從簡單的備用攝像頭升級到復(fù)雜的環(huán)視視覺系統(tǒng)，F(xiàn)AKRA 接口的尺寸也變得越來越大。新一代更小尺寸的同軸電纜連接器正在開發(fā)當(dāng)中，旨在解決車輛的空間問題。

這些“微型同軸電纜”連接器比目前的接口小得多，可以提高連接器在相同尺寸設(shè)備端的密度。在汽車行業(yè)，有兩種微型同軸電纜定義接口，安波福正在開發(fā)能夠同時支持它們的解決方案。此外，安波福還積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)化組織 (ISO) 和美國汽車研究委員會 (USCAR) 標(biāo)準(zhǔn)的制定，確保我們的產(chǎn)品適用于任何全球應(yīng)用。

微型同軸電纜系統(tǒng)的另一個特點是，它們支持遠(yuǎn)超當(dāng)前汽車產(chǎn)品的帶寬。雖然FAKRA 可以支持高達6GHz的頻率，但微型同軸電纜可支持9 GHz至15GHz 的應(yīng)用，這意味著帶寬可以達到 20Gbit/s 以上。

未來的汽車計算系統(tǒng)將包括大量同軸電纜，用于在更復(fù)雜的車載計算平臺之間傳輸數(shù)據(jù)。

高速外設(shè)互聯(lián)總線 (PCI-E)

High Speed Peripheral Interconnect Bus

另一種正在考慮用于部分汽車應(yīng)用場景的技術(shù)是高速外設(shè)互聯(lián)總線 (PCI Express)。PCI Express 創(chuàng)建于2003年，是一種總線接口，主要用于將外圍設(shè)備連接到計算機主板。最新版本的 PCI Express 可支持高達每秒 128G byte 的傳輸速率。

PCI Express 的最大距離非常短，只有半米，但它不需要收發(fā)器，因此可以節(jié)省成本。

對于車輛中彼此靠近的 ECU，PCI Express 可能是理想的解決方案，因此安波福正在將其納入下一代車輛的智能汽車架構(gòu) (Smart Vehicle Architecture) 中。

其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

Other network technologies

光纖對于汽車來說似乎是一個不錯的選擇，但它們有一些缺點，可能會阻礙其廣泛應(yīng)用。光纖線路使用光脈沖，通過玻璃或塑料纖維傳輸數(shù)據(jù)，這意味著它們不會產(chǎn)生電磁輻射，也不易遭受其它來源的干擾。但是，通過光纖數(shù)據(jù)線無法傳輸電力，這意味著組件需要另外的電力傳輸。光纖往往比較昂貴，需要收發(fā)器將電信號轉(zhuǎn)換為光脈沖。其制造工藝成本也很高。更重要的是光纖線的彎曲半徑有限，如何在不過度彎曲光纖線的前提下使之穿過車內(nèi)的狹窄區(qū)域是個棘手的問題。

工程師們曾經(jīng)考慮過的另一項技術(shù)是多芯電纜技術(shù)，即一根電纜包含大量單線。最為突出的示例是 USB Type- C，它已經(jīng)在PC 界立足，可以將電源和數(shù)據(jù)組合到同一電纜中。但是，Type-C 電纜只能限制為數(shù)米長，而且制造成本很高。它們還會將帶寬限制為每通道 5Gbit/s，而且需要收發(fā)器將數(shù)據(jù)劃分到這些通道中，從而增加額外的成本。

雖然汽車以太網(wǎng)等越來越多的數(shù)據(jù)連接方案不斷出現(xiàn)，但一些多年來一直在汽車上應(yīng)用的傳統(tǒng)技術(shù)在低數(shù)據(jù)速率的簡單應(yīng)用場景中可能會被繼續(xù)沿用。比如局域互聯(lián)網(wǎng)絡(luò) (LIN)，它只需要相對經(jīng)濟的芯片組和連接器。其它一些相對經(jīng)濟的方案還有控制器局域網(wǎng) (CAN)（運行速度可達 1M bit/s）、可變數(shù)據(jù)速率 CAN (CAN-FD)（運行速度可達 2M bit/s）等。FlexRay最高可支持 10M bit/s，目前仍在一些與安全性攸關(guān)的應(yīng)用中采用，但是它比較昂貴，預(yù)計會逐步被淘汰。

行業(yè)最近推出了一個低速汽車以太網(wǎng)方案：10Base-T1S，以滿足這些應(yīng)用的需求，雖然大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是對稱性的，但有一些車載應(yīng)用需求是不對稱的，只需要單向高帶寬，如攝像頭或高分辨率顯示屏。已被廣泛應(yīng)用的非對稱技術(shù)包括平板顯示鏈路 (FPD-Link)、汽車像素鏈路(APIX) 和千兆多媒體串行鏈路 (GMSL)。

HDBaseT Automotive 是一種非對稱技術(shù)，能夠在 15米標(biāo)準(zhǔn)、具有絕緣護套的非屏蔽雙絞線上，以極低的延遲實現(xiàn)高達4G bit/s 的以太網(wǎng)通道傳輸，在屏蔽雙絞線上最高達到 8G bit/s，因此發(fā)展勢頭迅猛。像以太網(wǎng)一樣，由于 HDBaseT 使用脈沖幅度調(diào)制，因此其物理層的復(fù)雜程度低于其它技術(shù)，因而重量和成本相對較低。安波福的AMEC 系列連接器可以很好地與 HDBaseT 技術(shù)搭配，從而更加輕松地從非屏蔽雙絞線升級到屏蔽雙絞線。

安波福同時擁有汽車大腦及神經(jīng)系統(tǒng)，這一特有的優(yōu)勢為安波福賦予了獨特的視角來看待數(shù)據(jù)連接的重要作用。這一獨特視角也使我們設(shè)計出了下一代電子電氣架構(gòu)(Smart Vehicle Architecture)。在SVA 框架下，各種解決方案需要為主動安全的所有組件提供堅實的基礎(chǔ)，在減輕車輛重量的同時，為進一步創(chuàng)新奠定基礎(chǔ)。

而汽車以太網(wǎng)、微型同軸電纜和 PCI Express 的出現(xiàn)，為制造符合以上標(biāo)準(zhǔn)的車輛提供了廣闊的前景。

審核編輯 ：李倩