汽車網(wǎng)絡(luò)：車載以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道

張啟帆，許喆寧

（羅森伯格亞太電子有限公司，北京 101300）

車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天，已有諸如CAN（FD），LIN，F(xiàn)lexRay，MOST等成熟的PHY層協(xié)議，也有基于LVDS／USB技術(shù)被廣泛應(yīng)用的鏈路傳輸型式。但是，隨著時間的遷移，相關(guān)的協(xié)議和技術(shù)已逐漸不能滿足當(dāng)前的傳輸需求。基于種種情況和現(xiàn)狀，汽車工程師們也在思考，是否可以引入一種廣泛用于各領(lǐng)域的協(xié)議，這種協(xié)議支持較高的速率傳輸，又對于鏈路連接形式有歸一性，使整車鏈接種類降低，成本降低，同時能將汽車輕松簡便扁平化地連接世界。最終，于20世紀(jì)70年代誕生的以太網(wǎng)以其各種相適應(yīng)的特性而入選。

1 汽車以太網(wǎng)的發(fā)展

汽車以太網(wǎng)相關(guān)的組織，首當(dāng)其沖的是IEEE802.3，該工作小組幾乎是伴隨著以太網(wǎng)一同誕生的，是以太網(wǎng)研究性指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的主要發(fā)布機構(gòu)。

對于汽車以太網(wǎng)，IEEE802.3又細(xì)分為不同的小組：①百兆汽車以太網(wǎng)（100BASE-T1）——IEEE802.3bw；②千兆汽車以太網(wǎng)（1000BASE-T1）——IEEE802.3bp；③多G汽車以太網(wǎng)（Multi-Gig Automotive Ethernet）——IEEE802.3ch。近年提出的十兆汽車以太網(wǎng)（10BASE-T1S）——IEEE802.3cg，是作為代替CAN（FD）和LIN的一個選擇。

汽車以太網(wǎng)應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)推動聯(lián)盟是2011年11月在OPEN SIG基礎(chǔ)上發(fā)展而來的OPEN聯(lián)盟。OPEN聯(lián)盟現(xiàn)已有將近400個成員單位，它主要發(fā)布眾多關(guān)于汽車以太網(wǎng)的實際應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其中百兆汽車以太網(wǎng)完整方案OABR（BroadR-Reach）最早發(fā)布，芯片也已完全量產(chǎn)。

因為以太網(wǎng)的實時響應(yīng)性相較于CAN（FD），LIN等網(wǎng)絡(luò)來說較差 （即便具備QoS機制），所以IEEE還成立了關(guān)于提高汽車以太網(wǎng)實時響應(yīng)性的工作小組，最初歸屬于IEEE802.3后轉(zhuǎn)至IEEE802.1，發(fā)展階段如圖1所示。

2 汽車以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通道研究

想要將以太網(wǎng)合理運用到車載網(wǎng)絡(luò)中，需要考慮許多因素。OPEN聯(lián)盟對于物理層的傳輸提出了一系列相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，從適用于百兆汽車以太網(wǎng)的TC2 1.0正式版到適用于千兆汽車以太網(wǎng)的TC9（UTP非屏蔽絞線對）2.0正式版，以及在2019年7月已正式發(fā)布的TC9（STP屏蔽絞線對）版本。TC9相較于TC2的要求更為嚴(yán)苛。如圖2所示。

針對信號傳輸（SCC——Standalone Communication Channel）本身，以下重要參數(shù)需要關(guān)注。

圖1 汽車以太網(wǎng)發(fā)展階段

2.1 特性阻抗 （CIDM）

特性阻抗不是直流電阻，存在于長線傳輸中。特性阻抗的穩(wěn)定與否決定了傳輸效果的好壞，如果傳輸路徑上的特性阻抗發(fā)生變化，信號就會在阻抗不連續(xù)的結(jié)點產(chǎn)生反射。

在差分系統(tǒng)中，特性阻抗可以通過以下公式計算：

從公式中可以看出，影響線纜或其他組件特性阻抗的因素包含：①s：差分對之間的距離；②d：差分對的外徑；③εr：整體介電常數(shù)。汽車以太網(wǎng)PHY層鏈路的特性阻抗是100Ω。

2.2 傳輸延遲 （Propagation Delay）

傳輸延遲是指相位延遲，即差分系統(tǒng)中兩差分路徑由于不等長造成的信號延遲現(xiàn)象。是系統(tǒng)集成時進(jìn)行補償設(shè)置的重要判斷參數(shù)。

2.3 回波損耗 （Return Loss）

圖2 TC2和TC9

回波損耗 （S11）又稱為反射損耗，是鏈路由于阻抗不匹配所產(chǎn)生的反射，通常用-dB單位表示。如圖3所示，連接器內(nèi)部由于有不規(guī)則的鎖止結(jié)構(gòu)，使得阻抗不匹配造成的反射更易發(fā)生在此處 （圖示紅色部分），回波損耗是評價連接器的重要參數(shù)?；夭〒p耗的絕對值越大，信號傳輸效果越好。

圖3 阻抗不匹配造成的反射更易發(fā)生在紅色塊部分

2.4 插入損耗 （Insertion Loss）

插入損耗 （S21）是指發(fā)射端和接收端之間，引入其他器件導(dǎo)致的信號衰減量，通常用dB表示。如圖4所示，發(fā)射端和接收端的主要引入器件是線纜 （整個鏈接中更長），因此插入損耗主要發(fā)生在整個線纜之間 （紅色部分），由長度和線纜自身材料特性影響，是評價線纜的重要參數(shù)。插入損耗的絕對值越小，信號傳輸效果越好。

圖4 插入損耗主要發(fā)生在整個線纜之間 （紅色）

2.5 縱向轉(zhuǎn)換損耗 （LCL）

縱向轉(zhuǎn)換損耗 （Sdc11）指通訊線纜發(fā)射端或接收端的差模信號與共模信號的轉(zhuǎn)換能力 （圖5），用來衡量連接系統(tǒng)平衡性的好壞，通常用dB表示。縱向轉(zhuǎn)換損耗的絕對值越大，連接器的平衡性越好，抑制差模與共模轉(zhuǎn)換的能力越強。

圖5 縱向轉(zhuǎn)換損耗

2.6 縱向轉(zhuǎn)換傳輸損耗 （LCTL）

縱向轉(zhuǎn)換傳輸損耗 （Sdc21）指通訊線纜發(fā)射端與接收端之間的差模信號與共模信號的轉(zhuǎn)換能力，用來衡量連接系統(tǒng)平衡性的好壞，通常用dB表示。縱向轉(zhuǎn)換傳輸損耗的絕對值越大，線纜的平衡性越好，抑制差模與共模轉(zhuǎn)換的能力越強。

影響平衡性的主要因素：差分系統(tǒng)兩路徑的等長程度；路徑距離參考平面的等距程度。等長或等距的程度越高，則平衡性越好，平衡越穩(wěn)定。

這些參數(shù)極大影響了以太網(wǎng)傳輸?shù)男阅堋?/p>

針對EMC性能 （WCC--Whole Communication Channel，包含ES），TC9則給出了諸多不同種類串?dāng)_的約束值和測試設(shè)置方法。

3 數(shù)據(jù)通道方案

羅森伯格為汽車以太網(wǎng)所提供的連接方案，綜合考慮了電性能 （如射頻傳輸、EMC、電接觸等）、機械性能 （如拉拔力、coding效率、對配解鎖力、耐磨性等）和生產(chǎn)組裝（壓接技術(shù)、自動裝配等）的要求；所使用的雙絞線主要供應(yīng)商是Gebauer&Griller和Leoni，他們?yōu)檎麄€連接總成提供了良好的保障。

羅森伯格針對汽車以太網(wǎng)開發(fā)了兩款數(shù)據(jù)連接器，分別為非屏蔽形式的MTDR連接器和屏蔽形式的H-MTD連接器（圖6），兩者都同時支持百兆汽車以太網(wǎng)和千兆汽車以太網(wǎng)。H-MTD甚至預(yù)計支持汽車行業(yè)所有基于差分結(jié)構(gòu)的傳輸協(xié)議。

圖6 MTD連接器和H-MTD連接器

MTDR連接器適配非屏蔽雙絞線 （UTP），傳輸頻率最高1GHz；H-MTD連接器同時支持非屏蔽雙絞線 （UTP）、屏蔽雙絞線 （STP）和屏蔽平行線 （SPP），設(shè)計傳輸頻率最高可達(dá)15GHz。MTDR連接器是目前市場上最小的汽車以太網(wǎng)專用連接器，PCB連接器優(yōu)化的接觸pin保證了高平衡低串?dāng)_的良好EMC性能。對于MTDR非屏蔽的先天要求，羅森伯格通過運用蜂窩狀的間置結(jié)構(gòu)，最大程度實現(xiàn)了最小的近端串?dāng)_。同時，多孔MTDR連接器每個孔位都對應(yīng)了不同的coding，確保機械防錯和顏色防錯功能的同步實現(xiàn)。

在線束端，典型的傳統(tǒng)連接器連接方式如圖7所示。

圖7 典型的傳統(tǒng)連接器連接方式

受絞合的影響，壓接端子后的絞合線纜，很難完成分別插入端子至塑殼中這個操作過程；即便2個平行端子克服困難插入塑殼中，端子也會因為尾端的絞合線纜，始終對塑殼有向外拖拽的應(yīng)力?；谝陨蟽牲c，大多數(shù)主機廠都會要求絞合線纜在端子末端放開一段長度不絞。這段不受控制的非絞合線纜對于汽車以太網(wǎng)的應(yīng)用來說是致命的。汽車行進(jìn)過程中的震動，致使這段非絞合線纜一同震動，由于兩個線纜之間的距離不斷變動 （上文提到過影響特性阻抗的其中一個因素就是差分對之間的距離），導(dǎo)致特性阻抗不斷變化，極易發(fā)生超標(biāo)準(zhǔn)的情形，也就極易造成較大的信號反射。

羅森伯格深諳這一點，因此在設(shè)計過程中，未絞合的過度位置被設(shè)計得很短并被固定包裹在連接器子殼體中，線纜絕緣外皮被緊固在護套中，且縮短包裹尺寸并對端子前端有輕微緩沖。如圖8所示。

圖8 羅森伯格設(shè)計的連接器連接方式

H-MTD連接器 （圖9）是360°全屏蔽系統(tǒng)，增加了集成類型，支持的線纜類型更多，適用汽車以太網(wǎng)需求及未來需要的更高傳輸速率，已成為新的世界多應(yīng)用連接器標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有全球認(rèn)可的主機廠見圖10。

圖9 H-MTD連接器

圖10 全球認(rèn)可的主機廠

4 結(jié)語

隨著車載數(shù)字化應(yīng)用的再發(fā)展和多G以太網(wǎng)研究的深入，適用于更高頻率的車載硬件需要盡早提上日程，對于不同頻率，H-MTD連接器已適配不同型式、不同工作頻率的供應(yīng)商線纜。而汽車以太網(wǎng)自身也將向著是繼續(xù)提高PAM等級以及提高現(xiàn)有帶寬兩個方向討論發(fā)展。一味地提高PAM會造成傳輸鏈路更加脆弱，但提高帶寬依靠的是硬件的提升，也會催生出所有未做長遠(yuǎn)打算的廠商未來不得不面臨的問題--新的選型設(shè)計、新的成本考量。

未來，羅森伯格將在新型高速網(wǎng)聯(lián)傳輸中增加更大的研發(fā)投入。同時嘗試與更多不同領(lǐng)域的汽車以太網(wǎng)產(chǎn)品廠商合作、交流，全力貢獻(xiàn)于汽車以太網(wǎng)在車載網(wǎng)絡(luò)中的高速發(fā)展，相信伴隨著車載以太網(wǎng)與自動駕駛、車載智能天線等領(lǐng)域的深度融合，車載高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也會越來越好，越走越寬。