如今的汽車可以感知周圍的世界，并根據感知的結果采取行動。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。年復一年，它們在這方面不斷進步。

但是，如果沒有準確無誤的數據連接，汽車就無法做到上述任何事情。數據連接是汽車的“神經系統”，負責將遍布汽車各個位置的各種傳感器和執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雜，以及軟件定義汽車的大勢所趨，對數據連接的帶寬要求正在快速增長，且超出了傳統車載網絡性能的適用范圍。

我們在其它領域（如數據中心、辦公和家居領域）曾經經歷過數據的爆炸式增長。由它們帶來的幾十年的經驗和教訓為定義汽車的數據網絡這一全新挑戰提供了借鑒。但是，車規級的產品或技術有其獨特需求，以最安全、成本最優的解決方案來滿足這些需求的探索將為更偉大的創新奠定基礎。

一種新型網絡

A new type of network

車載網絡架構正面臨著前所未有的壓力。傳統的點對點模擬連接正逐漸讓位于數字連接。高分辨率雷達和攝像頭需要更高的帶寬和速度。在汽車內部，電子控制單元 (ECU)之間的數據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。

為了適應這些新興的要求，數據連接技術必須解決車載應用的一些特殊挑戰：

電磁干擾 (EMI)

Electromagnetic interference

車輛內部的物理空間有限，增加了發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，導致在設計數據網絡時，必須既要抵抗其它組件可能發出的電磁“噪聲”，又要避免自身發出噪聲。

延遲敏感性

Latency sensitivity

如果其中一個傳感器發送的數據存在延遲，可能會導致難以將數據與其它傳感器的數據進行融合，以獲得車輛周圍環境的實時圖像，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。數據網絡解決方案應該能夠繞過故障節點，確保車輛繼續安全行駛，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，業界已經有多種數據連接網絡技術被開發出來，并以前所未有的方式滿足數據連接的需求。

汽車以太網

Automotive Ethernet

在 IT 領域，以太網有著悠久且極其成功的歷史。以太網發明于 1973 年，1985 年電氣與電子工程師協會 (IEEE) 將其標準化，隨后它開始主導應用于商業領域的局域網，并抵御了所有其它同類技術（如令牌環網）的競爭。數十年來，以太網已經被證明是一種通用且具有靈活性的標準網絡，推動著通信領域的進步。不同版本的以太網分別依靠同軸電纜、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。經過數十年的應用，人們對以太網的了解已經非常充分，并且做出了很好的改進。

隨著車載網絡開始連接更多車內計算資源，以太網的應用成為自然而然的選擇，于是在2016 年，IEEE發布了第一個汽車以太網標準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，但在汽車版本上仍然存在著關鍵的差異。

這兩個標準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，可以產生較少的電磁輻射和串擾，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。發送信號和接收信號都在一組雙絞線上傳導，而不是像 100Base-TX 一樣采用不同的兩組雙絞線。

在 100Base-TX 標準中，還規定最大長度為 100 米，這一長度為后續以太網標準所遵循。汽車以太網的規定最大長度僅為 15 米。顯然，汽車應用在車內網絡組件之間不需要很長的距離，而長度越短，布線越輕。

另一個關鍵差異在于電纜兩端的收發器所完成的編碼。

100Base-TX 標準采用的是多階基帶編碼 (MLT-3)技術，該技術通過循環采用三個電壓電平，在電線上對位進行編碼，而汽車以太網采用三級脈沖幅度調制 (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。結合其它編碼技術，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擾。

汽車以太網的后續發展

Subsequent developments in automotive Ethernet

IEEE 802.3bw 標準的 100M bit/s 可以滿足許多基本的汽車應用，因此在今天得到了廣泛的應用。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據匯聚到公共電纜上，更高的速度將是必然要求。

在 IEEE 802.3bw 定稿后不久，IEEE 正式批準了 802.3bp標準，或稱 1000Base-T1，后者可以通過屏蔽或非屏蔽雙絞線實現千兆級別的速度。這一標準與前身標準有著許多共同之處，但頻率高出近 10 倍，達到 600 MHz。這意味著電纜更容易受到串擾影響，因此，工程師在設計系統時，需要特別注意控制整個車輛的電磁噪聲，嚴格進行測試并在需要時進行屏蔽。該標準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 標準，同樣在15 米距離內，能夠支持2.5G bit/s、5G bit/s 和 10G bit/s 等標準速率的千兆以太網。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。

以太網的一個關鍵優勢是，它是一種靈活性較強的網絡，可以輕松重新配置。如果出現故障，以太網路由器可以通過不同路線來發送數據。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。

在車載網絡中，同樣重要的是使用銅導線作為傳輸介質的以太網隨數據信號傳輸電力的能力，這一特性稱為數據線供電(PoDL)。數據線供電最高可支持 500 mA 的電力，足以滿足某些傳感器的需求，如優化的衛星架構式攝像頭。這樣一來，汽車制造商僅需布設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，架構更簡化。

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

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品進入生產階段。同時，安波福正在為各種特殊應用開發相應的組件。

汽車同軸電纜的應用

Automotive coaxial cable applications

同軸電纜很早就用于數據網絡連接。同軸電纜的中心包含一條絕緣線，周圍覆蓋著導電材料構成的屏蔽層，是最初用于以太網的電纜，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，在汽車上的應用也會根據參數選用特定的電纜。

同軸電纜具有堅固性和抗干擾性，使得它們在汽車應用領域廣受歡迎。20多年來，大多數汽車OEM 一直采用的全球接口標準，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計功能適應6GHz 頻率下的應用，速度高達 8Gbit/s。

最新的汽車同軸電纜應用包括車輛中的數字攝像頭系統。利用同軸電纜的高帶寬能力，可以通過單根電纜實現視頻信號和攝像頭電力傳輸。

隨著應用從簡單的備用攝像頭升級到復雜的環視視覺系統，FAKRA 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當中，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備端的密度。在汽車行業，有兩種微型同軸電纜定義接口，安波福正在開發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準化組織 (ISO) 和美國汽車研究委員會 (USCAR) 標準的制定，確保我們的產品適用于任何全球應用。

微型同軸電纜系統的另一個特點是，它們支持遠超當前汽車產品的帶寬。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 的應用，這意味著帶寬可以達到 20Gbit/s 以上。

未來的汽車計算系統將包括大量同軸電纜，用于在更復雜的車載計算平臺之間傳輸數據。

高速外設互聯總線 (PCI-E)

High Speed Peripheral Interconnect Bus

另一種正在考慮用于部分汽車應用場景的技術是高速外設互聯總線 (PCI Express)。PCI Express 創建于2003年，是一種總線接口，主要用于將外圍設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，但它不需要收發器，因此可以節省成本。

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 (Smart Vehicle Architecture) 中。

其它網絡技術

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用。光纖線路使用光脈沖，通過玻璃或塑料纖維傳輸數據，這意味著它們不會產生電磁輻射，也不易遭受其它來源的干擾。但是，通過光纖數據線無法傳輸電力，這意味著組件需要另外的電力傳輸。光纖往往比較昂貴，需要收發器將電信號轉換為光脈沖。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的狹窄區域是個棘手的問題。

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

雖然汽車以太網等越來越多的數據連接方案不斷出現，但一些多年來一直在汽車上應用的傳統技術在低數據速率的簡單應用場景中可能會被繼續沿用。比如局域互聯網絡 (LIN)，它只需要相對經濟的芯片組和連接器。其它一些相對經濟的方案還有控制器局域網 (CAN)（運行速度可達 1M bit/s）、可變數據速率 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的應用中采用，但是它比較昂貴，預計會逐步被淘汰。

行業最近推出了一個低速汽車以太網方案：10Base-T1S，以滿足這些應用的需求，雖然大多數網絡技術是對稱性的，但有一些車載應用需求是不對稱的，只需要單向高帶寬，如攝像頭或高分辨率顯示屏。已被廣泛應用的非對稱技術包括平板顯示鏈路 (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，能夠在 15米標準、具有絕緣護套的非屏蔽雙絞線上，以極低的延遲實現高達4G bit/s 的以太網通道傳輸，在屏蔽雙絞線上最高達到 8G bit/s，因此發展勢頭迅猛。像以太網一樣，由于 HDBaseT 使用脈沖幅度調制，因此其物理層的復雜程度低于其它技術，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系統，這一特有的優勢為安波福賦予了獨特的視角來看待數據連接的重要作用。這一獨特視角也使我們設計出了下一代電子電氣架構(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，在減輕車輛重量的同時，為進一步創新奠定基礎。

而汽車以太網、微型同軸電纜和 PCI Express 的出現，為制造符合以上標準的車輛提供了廣闊的前景。

審核編輯 ：李倩