全新IC和拓撲結構 突破汽車(chē)數據網(wǎng)絡(luò )瓶頸

今天的汽車(chē)設計人員面臨著(zhù)蘊含機遇的重大挑戰：客戶(hù)需要更多連接和圖形，而且顯然也愿意支付這筆費用。駕駛員和乘客自然是需要基本的操作信息，但他們也需要實(shí)時(shí)地圖、娛樂(lè )和信息。如果他們已經(jīng)習慣并且事實(shí)上已經(jīng)喜歡在家庭和辦公室環(huán)境中使用多個(gè)屏幕，那么在移動(dòng)的汽車(chē)環(huán)境中怎么會(huì )不想要這些呢?

實(shí)際情況是，對于今天的年輕一代購車(chē)者，這種連接和顯示器已經(jīng)從“可有可無(wú)”變成了“必需品”。無(wú)論您稱(chēng)之為信息娛樂(lè )系統、智能驅動(dòng)器接口、聯(lián)網(wǎng)汽車(chē)、汽車(chē)云連接，還是冠以其他任何叫法，這種趨勢都不會(huì )改變： 它正在成為除低端汽車(chē)外所有汽車(chē)的標準配件。

但我們還面臨一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。固定的家庭/辦公室環(huán)境中可管理的問(wèn)題，在汽車(chē)環(huán)境中的情況卻截然不同。支持多個(gè)屏幕不僅是計算能力的問(wèn)題。它還涉及復雜布線(xiàn)、連接器、散熱和信號完整性問(wèn)題，所有這些問(wèn)題錯綜復雜，嚴重制約汽車(chē)世界。

理論上，必須解決三個(gè)方面的問(wèn)題： 圖形處理內核、多顯示器、圖形引擎和顯示器之間的高性能互連網(wǎng)絡(luò )?？紤]在汽車(chē)上裝配儀表板、前座乘客側面顯示器、中央控制臺，可能還有平視顯示器[HUD]、后視攝像頭甚至后座監控攝像頭。最大的挑戰就是：如何有效利用單個(gè)集中設置圖形渲染和圖像處理的內核，支持四個(gè)、五個(gè)甚至更多顯示器和攝像頭?

明顯的解決方案是使用類(lèi)似HDMI的大型標準PC電纜和接口，但出于多種原因，這種方法不能奏效。首先，這些電纜的布線(xiàn)工作量極大。其次，在嘈雜的汽車(chē)環(huán)境中，信號完整性也是一大難題，特別是在遠距離情況下。另外，銅纜布線(xiàn)的成本和重量也是問(wèn)題，并且連接器本身過(guò)大，比較笨拙。在條件惡劣的汽車(chē)環(huán)境中，可靠性和性能也得不到保障。

幸運的是，有一種解決方案可以利用現有的大眾消費市場(chǎng)技術(shù)，通過(guò)調整經(jīng)濟、有效的方式，使其適用于汽車(chē)應用和環(huán)境。首先提到的是，今天的視頻子系統能夠支持3D流視頻，左眼和右眼分別都能看到圖像。

但通過(guò)使用Inova Semiconductors和ADI公司等領(lǐng)先IC供應商的專(zhuān)有技術(shù)，利用立體聲視頻格式和HDMI接口，解決帶寬問(wèn)題和物理連接問(wèn)題。

該接口主干不使用19線(xiàn)HDMI電纜，而只需要一條4線(xiàn)電纜，通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)對提供差分信號，采用“星絞型四心”結構，具有100Ω標稱(chēng)阻抗。2007年推出的1 Gbps APIX鏈路(如圖1所示)被證明高效而且可靠。

圖1： 2007年推出的APIX千兆數據鏈路

當然，用戶(hù)永遠不會(huì )對速度滿(mǎn)足，因此第二代AIPX2的速度實(shí)現了3 Gbps(如圖2所示)，它可后向兼容原始APIX1，已從去年開(kāi)始投入生產(chǎn)。

圖2： 第二代APIX提供3 Gbps帶寬。

AIPX2并非只是一個(gè)構想的概念，它目前已用于公路上行駛的汽車(chē)中。在2012年11月的電子展覽會(huì )上，Inova公司便在A(yíng)DI公司的展臺演示了這款產(chǎn)品，它通過(guò)單根4線(xiàn)屏蔽雙絞線(xiàn)電纜來(lái)傳輸兩路未壓縮高清視頻流、多聲道音頻和100MB/s以太網(wǎng)數據。本次演示內容包括標準以太網(wǎng)協(xié)議連接的視頻會(huì )議和遠程顯示器觸摸表面，以及使用HDMI連接智能電話(huà)的實(shí)時(shí)用戶(hù)界面和集成應用。

工作原理

APIX2以幀(微型數據包)為單位持續傳輸數據，并使用所謂的數據容器支持視頻、音頻和總線(xiàn)協(xié)議格式。(圖3)必要的高速時(shí)鐘由發(fā)送器件合成，并非來(lái)自圖形處理器或攝像頭的像素時(shí)鐘;這使得鏈路對于像素時(shí)鐘抖動(dòng)具有高抗擾度，從而在相對較長(cháng)的電纜上實(shí)現穩定可靠的傳輸。

圖3： APIX2幀包含兩個(gè)獨立視頻流，以及音頻和以太網(wǎng)數據。

該架構可以實(shí)現簡(jiǎn)單、廉價(jià)的顯示器“菊花鏈”連接，利用分路器與各個(gè)顯示器連接。使用接口IC(例如ADI提供的ADV7680)，系統可以提供總線(xiàn)與支持HDMI的GPU或CPU之間的連接。

APIX2的凈數據速率為2.8 Gbps(下行鏈路)和187.5 Mbps(上行鏈路);這樣可以傳輸兩個(gè)獨立視頻流、多通道數字音頻和控制數據;此外，甚至還可以使用符合標準的獨立接口(MII)來(lái)傳輸以太網(wǎng)數據。此方法支持最長(cháng)12米的電纜距離(足以滿(mǎn)足汽車(chē)需求)，因為其內部算法會(huì )不斷調整數字濾波器，從而最大程度提高吞吐量和降低比特誤差率。

另一個(gè)汽車(chē)應用無(wú)法忽略的問(wèn)題是嚴格的EMC(電磁兼容性)輻射限制。APIX2技術(shù)的持續串行流提供能量頻譜的均勻分布，整體輻射水平遠低于允許的最大值。

未來(lái)的汽車(chē)： 不同于我們的想象

關(guān)于未來(lái)的汽車(chē)，人們有過(guò)無(wú)數猜想： 靜音、飛行甚至自動(dòng)駕駛。人們在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域取得了很大進(jìn)展，例如Google就在從事這方面的工作，但這些預想家沒(méi)有想象到汽車(chē)會(huì )覆蓋如此密集的網(wǎng)絡(luò )，連接至“云”，并且安裝駕駛員顯示器和乘客信息娛樂(lè )系統。汽車(chē)正在變成既是裝配復雜儀器、大量數據和多臺顯示器的飛機駕駛艙，也是乘客甚至駕駛員的信息娛樂(lè )中心。

盡管如此，今天購車(chē)者(特別是習慣使用數字訪(fǎng)問(wèn)和連接的新購車(chē)者)的期望，使這成為市場(chǎng)的發(fā)展方向。對于汽車(chē)供應商，特別是提供這些產(chǎn)品的IC 供應商，這既是挑戰也是機遇： 挑戰是要以可接受的價(jià)格，滿(mǎn)足客戶(hù)對特性、功能和性能的期望，機遇則是為汽車(chē)增加有價(jià)值的內容，在增長(cháng)市場(chǎng)上獲得可觀(guān)的利潤和投資回報。