汽車(chē)正以前所未有的速度不斷演進(jìn)，而且變得更安全、更環(huán)保。網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)、信息共享、自動(dòng)駕駛和電氣化是當今推動(dòng)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的主要話(huà)題。要使汽車(chē)能夠做出復雜的決策，需要從位于車(chē)輛外部的傳感器收集大量數據，以便在內部進(jìn)行處理或顯示。因此，要實(shí)時(shí)做出決策并采取行動(dòng)，就需要超高速連接解決方案。在本文中，我們通過(guò)討論一系列傳統和當前汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )以及滿(mǎn)足關(guān)鍵技術(shù)要求的能力，來(lái)考慮它們在這種安全關(guān)鍵型應用中的市場(chǎng)潛力。

傳統連接解決方案

高級駕駛輔助系統 (ADAS) 可同時(shí)處理來(lái)自多個(gè)攝像頭的圖像信息，并通過(guò)與激光雷達、傳統雷達和超聲波傳感器等提供的其他數據相結合來(lái)進(jìn)行操作（圖 1）。

圖 1：高級駕駛員輔助系統。（來(lái)源：貿澤電子）

這些信息必須通過(guò)長(cháng)達 15 米的電纜，傳輸到分布在車(chē)輛各處的多個(gè)電子控制單元 (ECU)。傳輸這些數據的關(guān)鍵要求包括：

·       延遲：隨著(zhù)汽車(chē)的自動(dòng)駕駛能力越來(lái)越高，將無(wú)法容忍延遲和數據錯誤。來(lái)自多個(gè)傳感器和攝像頭的信號組合在一起，能夠創(chuàng )建外部環(huán)境的實(shí)時(shí) 3D 再現。即使單個(gè)傳感器數據流出現延遲和/或錯誤，也會(huì )使 ECU 難以完全解析周?chē)h(huán)境，這可能對車(chē)輛、乘員和附近的人員造成潛在的災難性后果。

·       可靠性和穩健性：車(chē)內有限的物理空間會(huì )使電磁干擾(EMI) 成為一個(gè)真正的大問(wèn)題。隨著(zhù)電子元件數量的增加，空間成為一個(gè)瓶頸，并且由于元件和電纜放置得更近，它們就更容易受到串擾的影響。

·       冗余：與飛機一樣，高度自動(dòng)化和自動(dòng)駕駛車(chē)輛需要多個(gè)故障安全系統，可以自動(dòng)圍繞故障點(diǎn)重新追溯數據，以使車(chē)輛能夠繼續正常運行或受控停止。

·       帶寬：ADAS 數據必須以超過(guò)10Gb/s的數據速率傳輸。

一些汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)已經(jīng)在業(yè)內使用了幾十年，但因為它們操作簡(jiǎn)單、可靠且成本低廉，因而會(huì )繼續部署在當今的車(chē)輛中。這些技術(shù)通常部署在低速控制應用中，包括以數十Kb/s速度運行的本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò ) (LIN)、高達 1Mb/s 的控制器局域網(wǎng) (CAN) 及其后繼的 CAN_FD（高達 12Mb/s） . FlexRay 已被一些高端汽車(chē) OEM 用于安全關(guān)鍵型應用，并支持高達 10Mb/s 的數據速率。然而，這些都無(wú)法滿(mǎn)足當前 ADAS 應用的數千兆位帶寬要求，從而基本上可以排除將這些傳統汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )解決方案作為應對全新挑戰的潛在候選技術(shù)。

汽車(chē)以太網(wǎng)

以太網(wǎng)于 1973 年開(kāi)發(fā)，并于 1985 年由電氣和電子工程師協(xié)會(huì )標準化為 IEEE802.3，后來(lái)成為近乎通用的局域網(wǎng)數據通信協(xié)議。以太網(wǎng)信號可以通過(guò)同軸電纜、光纖和非屏蔽雙絞線(xiàn)電纜傳輸，速度從最初的 10Mb/s提高到目前的 1000Gb/s 以上。隨著(zhù)計算技術(shù)開(kāi)始滲透到汽車(chē)應用，業(yè)界已經(jīng)研究將可信的以太網(wǎng)協(xié)議作為數據連接解決方案。 2016 年，IEEE 在 IEE802.3bw 中發(fā)布了第一個(gè)汽車(chē)以太網(wǎng)標準 100Base-T1。雖然有相似之處（兩個(gè)版本都使用非屏蔽雙絞線(xiàn)電纜，兩根銅線(xiàn)沿電纜長(cháng)度絞合在一起，以減少電磁輻射和串擾），但還是有一些區別。 

圖 2：TE Connectivity 的汽車(chē)以太網(wǎng)連接器

100Base-TX 使用兩對纜線(xiàn)，一對在一個(gè)方向上傳輸發(fā)射信號，另一對在相反方向上傳輸接收信號。汽車(chē)以太網(wǎng)僅使用單對線(xiàn) (SPE) 進(jìn)行傳輸和接收，從而使電纜更輕且更便宜。 100Base-TX 標準規定的最大電纜長(cháng)度為 100 米，而汽車(chē)以太網(wǎng)規定的最大電纜長(cháng)度僅為 15 米，這個(gè)距離更適合汽車(chē)的尺寸和規模。另一個(gè)區別是用于減少 EMI 和串擾的編碼方案。以太網(wǎng)標準的 100Mb/s IEEE802.3bw 版本已在汽車(chē)應用中廣泛采用。但是，這種速率不足以同時(shí)將來(lái)自多個(gè)傳感器和高清攝像頭流的數據傳輸到 ECU，然后再傳輸到顯示器。 IEEE 802.3bp 或 1000Base-T1 允許通過(guò)雙絞線(xiàn)實(shí)現千兆速率，但它的工作頻率為 600 MHz，其缺點(diǎn)是電纜更容易受到串擾，從而使管理電磁噪聲的任務(wù)進(jìn)一步復雜化。 2020 年，IEEE 出臺了 802.3ch，它可以在長(cháng)達 15 米的電纜上以 2.5Gb/s、5Gb/s和 10Gb/s的標準速率實(shí)現多千兆以太網(wǎng)。雖然未來(lái)版本的以太網(wǎng)可能具有更高數據速率，而且就目前而言，汽車(chē)以太網(wǎng)貌似是傳統汽車(chē)連接解決方案所執行功能的絕佳替代品，但它無(wú)法滿(mǎn)足 ADAS 系統和高分辨率顯示器所需的帶寬。

串行鏈接

將高分辨率相機連接到顯示器不需要像以太網(wǎng)這樣完全對稱(chēng)的數據連接。不對稱(chēng)“SerDes”系統在發(fā)送端使用串行器 IC，在接收器端使用解串器 IC，目前汽車(chē) OEM 普遍使用它來(lái)傳輸高速視頻和傳感器數據。早期的解決方案包括 APIX III (Inova)、GMSL(Maxim Integrated)和 FPD III-Link (Texas Instruments)，它們通過(guò)單根同軸或差分電纜提供高達 3 Gbps 的數據速率，該技術(shù)的第二代提高到一個(gè)通道上實(shí)現高達 6 Gbps 的數據速率（或使用兩個(gè)組合通道達到 12 Gbps）。與汽車(chē)以太網(wǎng)相比，SerDes 系統使用非對稱(chēng)鏈路，這意味著(zhù)一個(gè)方向（下行鏈路）的數據速率遠高于另一個(gè)方向（上行鏈路）。對于視頻和傳感器應用，這已經(jīng)足夠了，因為攝像頭是高速數據的主要來(lái)源，但僅以低得多的速率接收控制信號。顯示單元也接收高速數據，但只是偶爾向 ECU 發(fā)送控制數據，例如當手指放在觸摸屏上時(shí)的情況。這種非對稱(chēng)方法簡(jiǎn)化了物理復雜性并降低了通道要求，允許汽車(chē) OEM 定制一個(gè)比使用全雙工、基于對稱(chēng)以太網(wǎng)相同速率方案更具成本效益的系統。為了滿(mǎn)足汽車(chē)串行鏈路單個(gè)統一高速物理層接口的需求，移動(dòng)工業(yè)處理器接口 (MIPII) 聯(lián)盟成員著(zhù)手開(kāi)發(fā) MIPI 汽車(chē) SerDes 解決方案 (MASS)，并最終在2020 年 9 月發(fā)布A-PHY v1.0，這是第一個(gè)與供應商無(wú)關(guān)、用于汽車(chē)應用的高速、長(cháng)距離、物理層 SerDes 解決方案，該解決方案也被 IEEE 采用。該標準有一個(gè)路線(xiàn)圖，最終實(shí)現高達 32 Gbps 的數據速率，使其能夠很好地滿(mǎn)足未來(lái)汽車(chē)中不斷增加的更多電子系統帶寬要求。

結論

隨著(zhù)汽車(chē)走向完全自動(dòng)駕駛，ADAS 系統的數量以及它們傳輸和處理數據的速率將會(huì )急劇增加。傳統的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )解決方案速度太慢，無(wú)法成為能夠應對日益增長(cháng)連接挑戰的可行解決方案。雖然汽車(chē)以太網(wǎng)正在逐步提供所需的數據速率，但它在與高分辨率顯示器一起使用時(shí)，在提供所需的帶寬方面存在不足。目前，非對稱(chēng)串行鏈路為數千兆位數據通信提供了最佳解決方案，最近為該技術(shù)而建立的 APHY v1.0 行業(yè)標準也展示了證明其面向未來(lái)應用的路線(xiàn)圖。