汽車正以前所未有的速度不斷演進，而且變得更安全、更環保。網絡互聯、信息共享、自動駕駛和電氣化是當今推動汽車行業發展的主要話題。要使汽車能夠做出復雜的決策，需要從位于車輛外部的傳感器收集大量數據，以便在內部進行處理或顯示。因此，要實時做出決策并采取行動，就需要超高速連接解決方案。在本文中，我們通過討論一系列傳統和當前汽車網絡以及滿足關鍵技術要求的能力，來考慮它們在這種安全關鍵型應用中的市場潛力。

傳統連接解決方案

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

圖 1：高級駕駛員輔助系統。（來源：貿澤電子）

這些信息必須通過長達 15 米的電纜，傳輸到分布在車輛各處的多個電子控制單元 (ECU)。傳輸這些數據的關鍵要求包括：

·       延遲：隨著汽車的自動駕駛能力越來越高，將無法容忍延遲和數據錯誤。來自多個傳感器和攝像頭的信號組合在一起，能夠創建外部環境的實時 3D 再現。即使單個傳感器數據流出現延遲和/或錯誤，也會使 ECU 難以完全解析周圍環境，這可能對車輛、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：車內有限的物理空間會使電磁干擾(EMI) 成為一個真正的大問題。隨著電子元件數量的增加，空間成為一個瓶頸，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，高度自動化和自動駕駛車輛需要多個故障安全系統，可以自動圍繞故障點重新追溯數據，以使車輛能夠繼續正常運行或受控停止。

·       帶寬：ADAS 數據必須以超過10Gb/s的數據速率傳輸。

一些汽車網絡技術已經在業內使用了幾十年，但因為它們操作簡單、可靠且成本低廉，因而會繼續部署在當今的車輛中。這些技術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網絡 (LIN)、高達 1Mb/s 的控制器局域網 (CAN) 及其后繼的 CAN_FD（高達 12Mb/s） . FlexRay 已被一些高端汽車 OEM 用于安全關鍵型應用，并支持高達 10Mb/s 的數據速率。然而，這些都無法滿足當前 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網絡解決方案作為應對全新挑戰的潛在候選技術。

汽車以太網

以太網于 1973 年開發，并于 1985 年由電氣和電子工程師協會標準化為 IEEE802.3，后來成為近乎通用的局域網數據通信協議。以太網信號可以通過同軸電纜、光纖和非屏蔽雙絞線電纜傳輸，速度從最初的 10Mb/s提高到目前的 1000Gb/s 以上。隨著計算技術開始滲透到汽車應用，業界已經研究將可信的以太網協議作為數據連接解決方案。 2016 年，IEEE 在 IEE802.3bw 中發布了第一個汽車以太網標準 100Base-T1。雖然有相似之處（兩個版本都使用非屏蔽雙絞線電纜，兩根銅線沿電纜長度絞合在一起，以減少電磁輻射和串擾），但還是有一些區別。 

圖 2：TE Connectivity 的汽車以太網連接器

100Base-TX 使用兩對纜線，一對在一個方向上傳輸發射信號，另一對在相反方向上傳輸接收信號。汽車以太網僅使用單對線 (SPE) 進行傳輸和接收，從而使電纜更輕且更便宜。 100Base-TX 標準規定的最大電纜長度為 100 米，而汽車以太網規定的最大電纜長度僅為 15 米，這個距離更適合汽車的尺寸和規模。另一個區別是用于減少 EMI 和串擾的編碼方案。以太網標準的 100Mb/s IEEE802.3bw 版本已在汽車應用中廣泛采用。但是，這種速率不足以同時將來自多個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 允許通過雙絞線實現千兆速率，但它的工作頻率為 600 MHz，其缺點是電纜更容易受到串擾，從而使管理電磁噪聲的任務進一步復雜化。 2020 年，IEEE 出臺了 802.3ch，它可以在長達 15 米的電纜上以 2.5Gb/s、5Gb/s和 10Gb/s的標準速率實現多千兆以太網。雖然未來版本的以太網可能具有更高數據速率，而且就目前而言，汽車以太網貌似是傳統汽車連接解決方案所執行功能的絕佳替代品，但它無法滿足 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這樣完全對稱的數據連接。不對稱“SerDes”系統在發送端使用串行器 IC，在接收器端使用解串器 IC，目前汽車 OEM 普遍使用它來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)，它們通過單根同軸或差分電纜提供高達 3 Gbps 的數據速率，該技術的第二代提高到一個通道上實現高達 6 Gbps 的數據速率（或使用兩個組合通道達到 12 Gbps）。與汽車以太網相比，SerDes 系統使用非對稱鏈路，這意味著一個方向（下行鏈路）的數據速率遠高于另一個方向（上行鏈路）。對于視頻和傳感器應用，這已經足夠了，因為攝像頭是高速數據的主要來源，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 發送控制數據，例如當手指放在觸摸屏上時的情況。這種非對稱方法簡化了物理復雜性并降低了通道要求，允許汽車 OEM 定制一個比使用全雙工、基于對稱以太網相同速率方案更具成本效益的系統。為了滿足汽車串行鏈路單個統一高速物理層接口的需求，移動工業處理器接口 (MIPII) 聯盟成員著手開發 MIPI 汽車 SerDes 解決方案 (MASS)，并最終在2020 年 9 月發布A-PHY v1.0，這是第一個與供應商無關、用于汽車應用的高速、長距離、物理層 SerDes 解決方案，該解決方案也被 IEEE 采用。該標準有一個路線圖，最終實現高達 32 Gbps 的數據速率，使其能夠很好地滿足未來汽車中不斷增加的更多電子系統帶寬要求。

結論

隨著汽車走向完全自動駕駛，ADAS 系統的數量以及它們傳輸和處理數據的速率將會急劇增加。傳統的汽車網絡解決方案速度太慢，無法成為能夠應對日益增長連接挑戰的可行解決方案。雖然汽車以太網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，在提供所需的帶寬方面存在不足。目前，非對稱串行鏈路為數千兆位數據通信提供了最佳解決方案，最近為該技術而建立的 APHY v1.0 行業標準也展示了證明其面向未來應用的路線圖。