面向新一代汽车数据网络的稳健连接解决方案

随着自动驾驶的发展和越来越多的自动驾驶功能，车辆中的高速数据传输通道与车辆安全的相关性越来越大。这意味着车辆零部件需要全新的设计特征，并且OEM必须在架构定义和通信协议选择期间考虑物理通道属性的限制。

新一代汽车架构

A.分散与融合的架构方法

现代豪华车可以包含多达100个基于多个专有操作系统的电子控制单元(ECU)。这涵盖了简单的控制程序、复杂的实时多功能操作系统，或支持日益复杂的信息娱乐和驾驶员辅助系统等的嵌入式平台。

作为完全自动驾驶系统的“前身”，今天，高级驾驶员辅助系统(ADAS)的数量和复杂性正在不断增加，这导致基于ECU的传统架构负载已接近极限。因此，OEM需要开发新的解决方案，用以管理更高复杂性和数据吞吐量。通过将功能聚合到域并融合ECU，OEM可以优化线束的重量并降低连接复杂性。这可以减少所需组件的数量和总体成本。经典的分散架构方法和全新的融合架构方法之间的区别如图1所示。

图1：经典架构与卫星架构

B.面向服务的架构

在高速数据连接和计算性能方面，ADAS应用集成是OEM在设计车辆架构时面临的最大挑战之一。高分辨率摄像机和高性能传感器（如RADAR和LIDAR）生产并需求大量数据。在车内，数据必须由强大的计算系统处理并远距离传输。出于安全原因，ADAS集群具有冗余计算平台。高优先级ADAS数据也会传输到与ADAS系统物理分离的辅助计算平台。如果ADAS完全宕机，该数据可用于激活紧急模式，以使车辆安全停车。

图2显示了可以在新一代车辆数据网络架构中实现的不同网络技术的融合。作为主要控制单元，高速计算域需要对称、稳健、易于实施且标准化的网络技术，以及高性能的骨干连接，如以太网。

图2-网络技术

摄像机和显示器通常需要具有单向高速数据速率的非对称链路。对于这些连接，近年来已经建立了由序列化器和反序列化器芯片组构成的简易化物理层。通常，其他传感器和执行器需要更低的数据速率，因此能够使用更具成本效益且十分成熟的总线技术，如CAN(-FD)或LIN。实现不同网络技术和协议之间数据传输的网关将在这些新架构概念中发挥重要作用。

面向下一代汽车的通信技术

A.异构高速芯片格局和标准化趋势

多年来，汽车行业早已部署了以太网，目的是实现诊断并为信息娱乐系统提供支持。通过增添确定性时序功能，以太网的应用范围可显著扩大。例如，为降低成本，以太网可用作域间控制器网络的网络骨干介质，并用于代替现有串行网络（如MOST和FlexRay）。

以太网在架构设计方面具有灵活性，支持线形、星形和混合ECU连接结构。因此，它被认为是汽车应用中众多拓扑配置的首选方案。

不过，由于最初的以太网标准不是针对时间或安全关键型应用而创建的，其在汽车应用领域的适用性已成为电气与电子工程师协会(IEEE)多个工作组的焦点，他们致力于增添特别适用于汽车环境的功能。

最初用于建筑物的以太网电缆非常厚，具有双屏蔽层，而且相当不灵活。后来采用的是更轻便、更具成本效益的非屏蔽双绞线电缆，这使得以太网在汽车市场越来越具有吸引力。

100BASE-T1 BroadR-Reach推出并推广了最高数据速率可达100Mbps的100BASE-T1以太网技术。此项技术得到了OPEN联盟特别兴趣小组的进一步支持，包括不同OEM以及ECU、芯片和连接器供应商。100/1000BASE-T1的可行应用包括：连接到具有360度全景视图的后视摄像头、基于雷达和激光雷达的防撞系统以及驾驶员驾驶舱系统和信息娱乐解决方案。

2017年，IEEE成立了新的工作组，旨在将汽车以太网数据速率提高到千兆级别。NGAUTO工作组正在开发适合数据速率为2.5、5和10Gbps的全双工屏蔽差分电缆的千兆位标准(IEEE P802.3ch)。10Gbps以太网标准的最新进展包括初步通道规范的建立。

该规范根据适用的汽车级电缆以及通道分析数据（由作为该联盟的积极参与者的TE提供），将使用的通道带宽限制为4GHz（用于回波损耗和插入损耗）以及5.5GHz（用于耦合衰减）。

对于高分辨率摄像头和显示器连接，近几年OEM并没有选择部署全面覆盖式的以太网，而是选择了由发送器侧的串行器芯片和接收器侧的解串器（“SerDes”）组成的非对称点对点链路。采用APIX II、GMSL、FPD IIILink的最新一代产品可基于单根同轴电缆或差分电缆实现高达3Gbps的数据速率。2019-2020年，OEM将首次在汽车架构中应用采用此技术的下一代产品。

OEM可在一个通道上实现高达6Gbps的数据速率，或者在组合两个通道的情况下实现12Gbps的数据速率。与以太网不同，SerDes协议尚未标准化。因此，芯片供应商即将推出多种专利解决方案，这些解决方案通常彼此不兼容。许多OEM以及设备和芯片制造商已开始致力于实现标准化，其中汽车显示屏和摄像头链路是重中之重，目的是减少市场上不兼容SerDes型号的数量。

SerDes IC通常支持用于摄像头和显示屏的同轴电缆和差分电缆。与以太网相比，SerDes系统提供非对称链路，这表示一个方向（下游通道）的数据速率远高于另一个方向（上游通道）的数据速率。对于此类应用，该配置已经足够，因为摄像头会提供高速数据，但只接收具有更低数据速率的控制信号。而在另一边，显示单元为高速数据的接收器，但发送到ECU的仅为控制信号。（例如在使用触摸屏功能的情况下）

这种非对称方法降低了物理复杂性和回波损耗方面的通道要求。因此，与具有相同数据速率且基于全双工以太网的实现相比，OEM可创建更具成本效益且特定于应用的系统。为此，下一代架构可能兼具以太网和SerDes。

B.基于芯片实现和通道的系统性能

图3所示为完整的数据通信系统，其中包括物理层(PHY)内的通道和收发器芯片组（集成电路，即IC）。通道包含两个连接器（PCB连接器）和各种电缆段（具体取决于链路拓扑），这些电缆段通过中间连接器连接。系统的最大可用数据速率由芯片复杂度和通道复杂度共同决定。

图3

如想降低芯片组的成本、尺寸和功耗，可以通过简单调制（例如,具有两个幅值的脉冲幅度调制，即PAM-2）降低均衡、滤波或数字信号处理的复杂度。然而，要利用此类低复杂度方法来达到高数据速率，需要大带宽下具有低衰减和线性频率响应的宽带通道。

系统供应商经常遇到以下情况：通道仅提供有限带宽，频率响应呈非线性或通道组件引起强回声。可通过在芯片级增加实现复杂度来应对此类次优场景。

为此，整个系统开发联盟的各方必须对芯片复杂度和通道复杂度之间的权衡加以分析，以便确定平衡解决方案，优化系统，从而实现目标数据速率。例如，TE Connectivity和Fraunhofer Institute IIS根据汽车要求（例如链路长度为10-15m的拓扑、EMI性能、信号完整性和IC实现限制）进行了通道容量分析。此研究的目的是评估可用汽车通道的最大数据速率。

图4

高性能通道设计的连接器稳健性

随着ADAS系统的功能级别变得越来越复杂，摄像头和传感器数据链路的性能和可靠性变得越来越重要。

同时，高数据速率可充分利用通信链路的数据容量和芯片侧更复杂的物理层实现。随着市场需求不断推动解决方案逼近物理限制，实际系统性能已越来越接近物理极限。因此，组件开发人员的稳健性评估和对所有关键容差的考量，变得越来越重要。此外，所需带宽较大时，链路预算较低，在进行与组件选择和最大链路长度相关的架构设计时，自由度会受到限制。

图5所示为典型的汽车以太网链路示例。左侧在理想实验室条件下测得的通道性能是一个很好的例子，可证明链路性能和应用限制线之间的差距较大。

图5

但是，当考虑所有元件公差（例如，电缆和连接器阻抗）与环境影响（例如，温度影响、湿度和老化）时，差距会大大减小，如右侧曲线阵列所示。因此，必须在系统设计过程中综合考虑所有这些系统参数，以便在考虑了所有上述影响的最差情况下也能满足应用要求。

可用通道B的带宽与长度限制

为了计算通信通道上可达到的最大数据速率，使用Shannon-Hartley数据容量定义定理，如表达式(1)所示：

表达式(1)以bit/s为单位描述通道的数据容量(C)，其中高斯白噪声作为基于信号(S)和噪声(N)功率的给定频率带宽(BW)。按带宽标准化表达式(1)，得到上面表达式(2)所示的数据容量密度（C’，单位为bit/s/Hz），即可计算噪声功率分布与高斯白噪声不同的实际通道的数据容量。

随后可对信噪比进行数值计算，以获得足够小的离散频率带宽步长，从而假定其中的高斯白噪声。此计算的基础是图6所示的通道模型。总噪声功率密度(PD N_total)是所有干扰的总和。在当前的研究中考虑了外部EMI源(PD_EMI)、双工操作模式下的上游信号(PD Tx_up)和其他干扰(PD N)，例如接收器噪声。通道插入损耗函数(IL)也可以反向包括在总噪声功率密度内。

图6

通过这种方式，可以利用成形发射器信号功率密度(PD Tx_shaped)和总噪声来轻松地计算数据容量密度。成形发射器信号功率密度可以通过使用图7所示的注水算法(注水算法是通信信道均衡策略通信系统设计和实践中思想的总称。顾名思义，正如水即使在具有多个开口的容器的一部分中也能找到其液位一样，由于帕斯卡定律，通信网络中继器或接收器中的放大器系统将每个通道放大到所需的功率水平，以补偿通道损伤)来确定。

图7

从最低级别开始，该迭代方法试图通过以超过噪声功率的方式分配可用发射器(Tx)功率来确定功率密度函数。可以将该过程比拟成向池塘注水，其中噪声功率密度标记为池塘的底部。当所有可用功率耗尽时，算法完成。在此研究中，EMI辐射掩蔽用作额外约束，以确保满足汽车EMI要求。

掩蔽标记了注水算法允许的最大发射器功率密度。它是通过将汽车排放限值除以EMI出口传递函数(TFE)来计算的。图7对相关算法进行了说明。

总的可用发射器功率取决于最大驱动器电压和通道阻抗。使用3.3V CMOS技术和差分信号的100Ω阻抗或同轴电缆的50Ω阻抗进行数 据容量分析。系统开发人员必须考虑双工操作模式下的额外余量需求，以确保发送（下游）电压和接收（上游）信号的叠加不超过电源电压。

进行12.1dBm发射器平均功率的典型计算时，可得到100Ω差分对应电缆上的峰值电压为2.5V。峰值和平均(rms)功率之间的比率取决于调制格式，估计为6dB。此峰值电压仍支持相反方向上数据速率不对称且发射器功率降低的双工操作。在此示例中，为了反映需要低数据速率反向通道的现有用例，我们假设单工传输模式也存在1:20的上游和下游数据速率之比。

图7中的示例给出了2.1GHz带宽下超出噪声功率密度（蓝色曲线）的发射器总可用功率的分布，辐射掩蔽相当于上限。结果为成形发射器功率密度（红色曲线）。当可用功率耗尽时，在较低频率范围内达到-77.7dBm/Hz的最大功率密度。

现在，我们可以通过确定所分析频率带宽上的数据容量密度的积分值来计算总数据容量（示例中为2.1GHz带宽，9.7Gbit/s）。之后可以重复此迭代算法以增加带宽，得到数据容量与带宽的关系曲线，如图8所示。

图8

当所示示例通道的可实现数据速率对应的带宽增加到2.7GHz，并且随着频率增加时，容量不会再增大。主要原因是电缆的插入损耗增加，需要更高的发射器功率，而不是使用更高的频率进行数据传输。

铜介质的最大可用频率和可实现的数据速率取决于可用发射器功率，以及由电缆插入损耗以及链路长度引起的衰减。所分析的汽车电缆具有0.14mm²的绞合线，在单工操作模式下可实现10Gbit/s的数据速率，最长可达10m。

对于双工操作或长度增加10~15m的情况，则需要较大的横截面积（0.22~0.35mm²）。所分析案例的最大可用频率不超过4GHz。这需要使用更复杂的数据编码和多级脉冲幅度调制(PAM)来实现PHY芯片。

如果OEM接受减小正在测试的特定应用的通道长度，则可以将数据速率提高到约20Gbit/s。这些通道还可使用两级PAM实现复杂度较低的PHY芯片，数据速率为10到12Gbit/s。

从连接器的角度来看，限制参数是回波损耗。如果反射过高，则双工操作的数据速率会显著降低。模拟表明所使用的工作频率带宽内所需的连接器回波损耗大于15到20dB，在单工操作的情况下可放宽要求。

对于上游和下游数据使用单独链路的双路应用，这可能是一个有意义的选择。它还允许OEM使用更简单、更实惠的PHY芯片组。在这种情况下，需要能够针对一个通道支持多路的连接器。研究还表明，可实现的数据速率显著依赖于EMI要求。因此，需要耦合衰减处于-60dB范围或更优范围的完全屏蔽的电缆和连接器。通道容量分析无法体现STP与同轴电缆的偏好。不过，它体现了与电缆直径、系统成本和电子控制单元的EMI设计相关的因素，这些因素与汽车应用中两种替代方案的特定用例相对应。图9汇总了不同通道参数分析结果。

图9

结论

综上所述，可以得出结论，对于典型的汽车电缆，可用频率带宽保持在10GHz以下。根据电缆类型和链路长度，在芯片端采用适当的调制方案，单个通道上的数据速率可达到约20Gbit/s（参见图9）。

但是很明显，未来系统的性能要求会使汽车通道达到其物理限制。这意味着车载数据网络架构的设计人员需要仔细考虑适当的电缆类型、链路长度以及连接器的选择。

原文始发于微信公众号（智车Robot）：面向新一代汽车数据网络的稳健连接解决方案