隨著自動駕駛的發(fā)展和越來越多的自動駕駛功能，車輛中的高速數(shù)據(jù)傳輸通道與車輛安全的相關(guān)性越來越大。這意味著車輛零部件需要全新的設(shè)計特征，并且OEM必須在架構(gòu)定義和通信協(xié)議選擇期間考慮物理通道屬性的限制。

01

新一代汽車架構(gòu)A.分散與融合的架構(gòu)方法 現(xiàn)代豪華車可以包含多達(dá)100個基于多個專有操作系統(tǒng)的電子控制單元(ECU)。這涵蓋了簡單的控制程序、復(fù)雜的實時多功能操作系統(tǒng)，或支持日益復(fù)雜的信息娛樂和駕駛員輔助系統(tǒng)等的嵌入式平臺。 作為完全自動駕駛系統(tǒng)的“前身”，今天，高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)的數(shù)量和復(fù)雜性正在不斷增加，這導(dǎo)致基于ECU的傳統(tǒng)架構(gòu)負(fù)載已接近極限。因此，OEM需要開發(fā)新的解決方案，用以管理更高復(fù)雜性和數(shù)據(jù)吞吐量。通過將功能聚合到域并融合ECU，OEM可以優(yōu)化線束的重量并降低連接復(fù)雜性。這可以減少所需組件的數(shù)量和總體成本。經(jīng)典的分散架構(gòu)方法和全新的融合架構(gòu)方法之間的區(qū)別如圖1所示。

圖1：經(jīng)典架構(gòu)與衛(wèi)星架構(gòu) B.面向服務(wù)的架構(gòu) 在高速數(shù)據(jù)連接和計算性能方面，ADAS應(yīng)用集成是OEM在設(shè)計車輛架構(gòu)時面臨的最大挑戰(zhàn)之一。高分辨率攝像機(jī)和高性能傳感器（如RADAR和LIDAR）生產(chǎn)并需求大量數(shù)據(jù)。在車內(nèi)，數(shù)據(jù)必須由強(qiáng)大的計算系統(tǒng)處理并遠(yuǎn)距離傳輸。出于安全原因，ADAS集群具有冗余計算平臺。高優(yōu)先級ADAS數(shù)據(jù)也會傳輸?shù)脚cADAS系統(tǒng)物理分離的輔助計算平臺。如果ADAS完全宕機(jī)，該數(shù)據(jù)可用于激活緊急模式，以使車輛安全停車。 圖2顯示了可以在新一代車輛數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中實現(xiàn)的不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。作為主要控制單元，高速計算域需要對稱、穩(wěn)健、易于實施且標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及高性能的骨干連接，如以太網(wǎng)。

圖2-網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 攝像機(jī)和顯示器通常需要具有單向高速數(shù)據(jù)速率的非對稱鏈路。對于這些連接，近年來已經(jīng)建立了由序列化器和反序列化器芯片組構(gòu)成的簡易化物理層。通常，其他傳感器和執(zhí)行器需要更低的數(shù)據(jù)速率，因此能夠使用更具成本效益且十分成熟的總線技術(shù)，如CAN(-FD)或LIN。實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)將在這些新架構(gòu)概念中發(fā)揮重要作用。

02

面向下一代汽車的通信技術(shù)A.異構(gòu)高速芯片格局和標(biāo)準(zhǔn)化趨勢 多年來，汽車行業(yè)早已部署了以太網(wǎng)，目的是實現(xiàn)診斷并為信息娛樂系統(tǒng)提供支持。通過增添確定性時序功能，以太網(wǎng)的應(yīng)用范圍可顯著擴(kuò)大。例如，為降低成本，以太網(wǎng)可用作域間控制器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)骨干介質(zhì)，并用于代替現(xiàn)有串行網(wǎng)絡(luò)（如MOST和FlexRay）。 以太網(wǎng)在架構(gòu)設(shè)計方面具有靈活性，支持線形、星形和混合ECU連接結(jié)構(gòu)。因此，它被認(rèn)為是汽車應(yīng)用中眾多拓?fù)渑渲玫氖走x方案。 不過，由于最初的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)不是針對時間或安全關(guān)鍵型應(yīng)用而創(chuàng)建的，其在汽車應(yīng)用領(lǐng)域的適用性已成為電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)多個工作組的焦點，他們致力于增添特別適用于汽車環(huán)境的功能。 最初用于建筑物的以太網(wǎng)電纜非常厚，具有雙屏蔽層，而且相當(dāng)不靈活。后來采用的是更輕便、更具成本效益的非屏蔽雙絞線電纜，這使得以太網(wǎng)在汽車市場越來越具有吸引力。 100BASE-T1 BroadR-Reach推出并推廣了最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)100Mbps的100BASE-T1以太網(wǎng)技術(shù)。此項技術(shù)得到了OPEN聯(lián)盟特別興趣小組的進(jìn)一步支持，包括不同OEM以及ECU、芯片和連接器供應(yīng)商。100/1000BASE-T1的可行應(yīng)用包括：連接到具有360度全景視圖的后視攝像頭、基于雷達(dá)和激光雷達(dá)的防撞系統(tǒng)以及駕駛員駕駛艙系統(tǒng)和信息娛樂解決方案。

2017年，IEEE成立了新的工作組，旨在將汽車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)速率提高到千兆級別。NGAUTO工作組正在開發(fā)適合數(shù)據(jù)速率為2.5、5和10Gbps的全雙工屏蔽差分電纜的千兆位標(biāo)準(zhǔn)（IEEE P802.3ch）。10Gbps以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的最新進(jìn)展包括初步通道規(guī)范的建立。 該規(guī)范根據(jù)適用的汽車級電纜以及通道分析數(shù)據(jù)（由作為該聯(lián)盟的積極參與者的TE提供），將使用的通道帶寬限制為4GHz（用于回波損耗和插入損耗）以及5.5GHz（用于耦合衰減）。 對于高分辨率攝像頭和顯示器連接，近幾年OEM并沒有選擇部署全面覆蓋式的以太網(wǎng)，而是選擇了由發(fā)送器側(cè)的串行器芯片和接收器側(cè)的解串器（“SerDes”）組成的非對稱點對點鏈路。采用APIX II、GMSL、FPD IIILink的最新一代產(chǎn)品可基于單根同軸電纜或差分電纜實現(xiàn)高達(dá)3Gbps的數(shù)據(jù)速率。2019-2020年，OEM將首次在汽車架構(gòu)中應(yīng)用采用此技術(shù)的下一代產(chǎn)品。 OEM可在一個通道上實現(xiàn)高達(dá)6Gbps的數(shù)據(jù)速率，或者在組合兩個通道的情況下實現(xiàn)12Gbps的數(shù)據(jù)速率。與以太網(wǎng)不同，SerDes協(xié)議尚未標(biāo)準(zhǔn)化。因此，芯片供應(yīng)商即將推出多種專利解決方案，這些解決方案通常彼此不兼容。許多OEM以及設(shè)備和芯片制造商已開始致力于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，其中汽車顯示屏和攝像頭鏈路是重中之重，目的是減少市場上不兼容SerDes型號的數(shù)量。 SerDes IC通常支持用于攝像頭和顯示屏的同軸電纜和差分電纜。與以太網(wǎng)相比，SerDes系統(tǒng)提供非對稱鏈路，這表示一個方向（下游通道）的數(shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于另一個方向（上游通道）的數(shù)據(jù)速率。對于此類應(yīng)用，該配置已經(jīng)足夠，因為攝像頭會提供高速數(shù)據(jù)，但只接收具有更低數(shù)據(jù)速率的控制信號。而在另一邊，顯示單元為高速數(shù)據(jù)的接收器，但發(fā)送到ECU的僅為控制信號。（例如在使用觸摸屏功能的情況下） 這種非對稱方法降低了物理復(fù)雜性和回波損耗方面的通道要求。因此，與具有相同數(shù)據(jù)速率且基于全雙工以太網(wǎng)的實現(xiàn)相比，OEM可創(chuàng)建更具成本效益且特定于應(yīng)用的系統(tǒng)。為此，下一代架構(gòu)可能兼具以太網(wǎng)和SerDes。 B.基于芯片實現(xiàn)和通道的系統(tǒng)性能 圖3所示為完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，其中包括物理層（PHY）內(nèi)的通道和收發(fā)器芯片組（集成電路，即IC）。通道包含兩個連接器（PCB連接器）和各種電纜段（具體取決于鏈路拓?fù)洌@些電纜段通過中間連接器連接。系統(tǒng)的最大可用數(shù)據(jù)速率由芯片復(fù)雜度和通道復(fù)雜度共同決定。

圖3 如想降低芯片組的成本、尺寸和功耗，可以通過簡單調(diào)制（例如,具有兩個幅值的脈沖幅度調(diào)制，即PAM-2）降低均衡、濾波或數(shù)字信號處理的復(fù)雜度。然而，要利用此類低復(fù)雜度方法來達(dá)到高數(shù)據(jù)速率，需要大帶寬下具有低衰減和線性頻率響應(yīng)的寬帶通道。 系統(tǒng)供應(yīng)商經(jīng)常遇到以下情況：通道僅提供有限帶寬，頻率響應(yīng)呈非線性或通道組件引起強(qiáng)回聲?？赏ㄟ^在芯片級增加實現(xiàn)復(fù)雜度來應(yīng)對此類次優(yōu)場景。 為此，整個系統(tǒng)開發(fā)聯(lián)盟的各方必須對芯片復(fù)雜度和通道復(fù)雜度之間的權(quán)衡加以分析，以便確定平衡解決方案，優(yōu)化系統(tǒng)，從而實現(xiàn)目標(biāo)數(shù)據(jù)速率。例如，TE Connectivity和Fraunhofer Institute IIS根據(jù)汽車要求（例如鏈路長度為10-15m的拓?fù)?、EMI性能、信號完整性和IC實現(xiàn)限制）進(jìn)行了通道容量分析。此研究的目的是評估可用汽車通道的最大數(shù)據(jù)速率。

圖4

03

高性能通道設(shè)計的連接器穩(wěn)健性 隨著ADAS系統(tǒng)的功能級別變得越來越復(fù)雜，攝像頭和傳感器數(shù)據(jù)鏈路的性能和可靠性變得越來越重要。 同時，高數(shù)據(jù)速率可充分利用通信鏈路的數(shù)據(jù)容量和芯片側(cè)更復(fù)雜的物理層實現(xiàn)。隨著市場需求不斷推動解決方案逼近物理限制，實際系統(tǒng)性能已越來越接近物理極限。 因此，組件開發(fā)人員的穩(wěn)健性評估和對所有關(guān)鍵容差的考量，變得越來越重要。此外，所需帶寬較大時，鏈路預(yù)算較低，在進(jìn)行與組件選擇和最大鏈路長度相關(guān)的架構(gòu)設(shè)計時，自由度會受到限制。 圖5所示為典型的汽車以太網(wǎng)鏈路示例。左側(cè)在理想實驗室條件下測得的通道性能是一個很好的例子，可證明鏈路性能和應(yīng)用限制線之間的差距較大。

圖5 但是，當(dāng)考慮所有元件公差（例如，電纜和連接器阻抗）與環(huán)境影響（例如，溫度影響、濕度和老化）時，差距會大大減小，如右側(cè)曲線陣列所示。因此，必須在系統(tǒng)設(shè)計過程中綜合考慮所有這些系統(tǒng)參數(shù)，以便在考慮了所有上述影響的最差情況下也能滿足應(yīng)用要求。

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可用通道B的帶寬與長度限制 為了計算通信通道上可達(dá)到的最大數(shù)據(jù)速率，使用Shannon-Hartley數(shù)據(jù)容量定義定理，如表達(dá)式(1)所示：

表達(dá)式(1)以bit/s為單位描述通道的數(shù)據(jù)容量(C)，其中高斯白噪聲作為基于信號(S)和噪聲(N)功率的給定頻率帶寬(BW)。按帶寬標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)式(1)，得到上面表達(dá)式(2)所示的數(shù)據(jù)容量密度（C'，單位為bit/s/Hz），即可計算噪聲功率分布與高斯白噪聲不同的實際通道的數(shù)據(jù)容量。

隨后可對信噪比進(jìn)行數(shù)值計算，以獲得足夠小的離散頻率帶寬步長，從而假定其中的高斯白噪聲。此計算的基礎(chǔ)是圖6所示的通道模型?？傇肼暪β拭芏?PD Ntotal)是所有干擾的總和。在當(dāng)前的研究中考慮了外部EMI源(PDEMI)、雙工操作模式下的上游信號(PD Txup)和其他干擾(PD N)，例如接收器噪聲。通道插入損耗函數(shù)(IL)也可以反向包括在總噪聲功率密度內(nèi)。 通過這種方式，可以利用成形發(fā)射器信號功率密度(PD Txshaped)和總噪聲來輕松地計算數(shù)據(jù)容量密度。成形發(fā)射器信號功率密度可以通過使用圖7所示的注水算法(注水算法是通信信道均衡策略通信系統(tǒng)設(shè)計和實踐中思想的總稱。顧名思義，正如水即使在具有多個開口的容器的一部分中也能找到其液位一樣，由于帕斯卡定律，通信網(wǎng)絡(luò)中繼器或接收器中的放大器系統(tǒng)將每個通道放大到所需的功率水平，以補(bǔ)償通道損傷)來確定。

圖7 從最低級別開始，該迭代方法試圖通過以超過噪聲功率的方式分配可用發(fā)射器(Tx)功率來確定功率密度函數(shù)?？梢詫⒃撨^程比擬成向池塘注水，其中噪聲功率密度標(biāo)記為池塘的底部。當(dāng)所有可用功率耗盡時，算法完成。在此研究中，EMI輻射掩蔽用作額外約束，以確保滿足汽車EMI要求。 掩蔽標(biāo)記了注水算法允許的最大發(fā)射器功率密度。它是通過將汽車排放限值除以EMI出口傳遞函數(shù)(TFE)來計算的。圖7對相關(guān)算法進(jìn)行了說明。 總的可用發(fā)射器功率取決于最大驅(qū)動器電壓和通道阻抗。使用3.3V CMOS技術(shù)和差分信號的100Ω阻抗或同軸電纜的50Ω阻抗進(jìn)行數(shù) 據(jù)容量分析。系統(tǒng)開發(fā)人員必須考慮雙工操作模式下的額外余量需求，以確保發(fā)送（下游）電壓和接收（上游）信號的疊加不超過電源電壓。 進(jìn)行12.1dBm發(fā)射器平均功率的典型計算時，可得到100Ω差分對應(yīng)電纜上的峰值電壓為2.5V。峰值和平均(rms)功率之間的比率取決于調(diào)制格式，估計為6dB。此峰值電壓仍支持相反方向上數(shù)據(jù)速率不對稱且發(fā)射器功率降低的雙工操作。在此示例中，為了反映需要低數(shù)據(jù)速率反向通道的現(xiàn)有用例，我們假設(shè)單工傳輸模式也存在1:20的上游和下游數(shù)據(jù)速率之比。 圖7中的示例給出了2.1GHz帶寬下超出噪聲功率密度（藍(lán)色曲線）的發(fā)射器總可用功率的分布，輻射掩蔽相當(dāng)于上限。結(jié)果為成形發(fā)射器功率密度（紅色曲線）。當(dāng)可用功率耗盡時，在較低頻率范圍內(nèi)達(dá)到-77.7dBm/Hz的最大功率密度。 現(xiàn)在，我們可以通過確定所分析頻率帶寬上的數(shù)據(jù)容量密度的積分值來計算總數(shù)據(jù)容量（示例中為2.1GHz帶寬，9.7Gbit/s）。之后可以重復(fù)此迭代算法以增加帶寬，得到數(shù)據(jù)容量與帶寬的關(guān)系曲線，如圖8所示。

圖8 當(dāng)所示示例通道的可實現(xiàn)數(shù)據(jù)速率對應(yīng)的帶寬增加到2.7GHz，并且隨著頻率增加時，容量不會再增大。主要原因是電纜的插入損耗增加，需要更高的發(fā)射器功率，而不是使用更高的頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 銅介質(zhì)的最大可用頻率和可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率取決于可用發(fā)射器功率，以及由電纜插入損耗以及鏈路長度引起的衰減。所分析的汽車電纜具有0.14mm2的絞合線，在單工操作模式下可實現(xiàn)10Gbit/s的數(shù)據(jù)速率，最長可達(dá)10m。 對于雙工操作或長度增加10~15m的情況，則需要較大的橫截面積（0.22~0.35mm2）。所分析案例的最大可用頻率不超過4GHz。這需要使用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)編碼和多級脈沖幅度調(diào)制(PAM)來實現(xiàn)PHY芯片。 如果OEM接受減小正在測試的特定應(yīng)用的通道長度，則可以將數(shù)據(jù)速率提高到約20Gbit/s。這些通道還可使用兩級PAM實現(xiàn)復(fù)雜度較低的PHY芯片，數(shù)據(jù)速率為10到12Gbit/s。 從連接器的角度來看，限制參數(shù)是回波損耗。如果反射過高，則雙工操作的數(shù)據(jù)速率會顯著降低。模擬表明所使用的工作頻率帶寬內(nèi)所需的連接器回波損耗大于15到20dB，在單工操作的情況下可放寬要求。 對于上游和下游數(shù)據(jù)使用單獨(dú)鏈路的雙路應(yīng)用，這可能是一個有意義的選擇。它還允許OEM使用更簡單、更實惠的PHY芯片組。在這種情況下，需要能夠針對一個通道支持多路的連接器。研究還表明，可實現(xiàn)的數(shù)據(jù)速率顯著依賴于EMI要求。因此，需要耦合衰減處于-60dB范圍或更優(yōu)范圍的完全屏蔽的電纜和連接器。通道容量分析無法體現(xiàn)STP與同軸電纜的偏好。不過，它體現(xiàn)了與電纜直徑、系統(tǒng)成本和電子控制單元的EMI設(shè)計相關(guān)的因素，這些因素與汽車應(yīng)用中兩種替代方案的特定用例相對應(yīng)。圖9匯總了不同通道參數(shù)分析結(jié)果。

圖9

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結(jié)論 綜上所述，可以得出結(jié)論，對于典型的汽車電纜，可用頻率帶寬保持在10GHz以下。根據(jù)電纜類型和鏈路長度，在芯片端采用適當(dāng)?shù)恼{(diào)制方案，單個通道上的數(shù)據(jù)速率可達(dá)到約20Gbit/s（參見圖9）。 但是很明顯，未來系統(tǒng)的性能要求會使汽車通道達(dá)到其物理限制。這意味著車載數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計人員需要仔細(xì)考慮適當(dāng)?shù)碾娎|類型、鏈路長度以及連接器的選擇。