光纤取代铜缆？光通信迈进汽车领域
发布日期：2023-10-10
来源：光电产业网
作者：苏州市光电产业商会
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电子发烧友网报道（文/梁浩斌）今年以来，AI带来的服务器需求激增，带火了光通信产业链，800G光模块成为香饽饽。以往光通信主要应用在电信和数通市场，不过随着汽车智能化进程的加速，在新的算力需求下，光通信也开始迈进汽车领域。在过去，汽车通信技术中最常见的是CAN总线，最初是由德国汽车Tier1巨头博世在1986年推出，旨在改进当时汽车电子电气系统中的通信需求。CAN总线使用两根不同的信号线（CAN_H和CAN_L）组成差分信号传输线路，采用分布式控制的方式，能够连接汽车上各个部位的ECU电子控制单元，同时允许多个节点同时发送和接收数据。为了满足实时性，CAN总线的数据传输响应能达到毫秒级，但速率一般最高1Mbps，这在以往的汽车电子电气系统需求中能够轻松满足需求。但在汽车智能化的趋势下，包括智能驾驶、智能座舱等应用场景中，产生海量数据，比如摄像头、雷达等传感器数据，以及娱乐系统等，都需要更高带宽和更低延时的数据传输。特别是在智能驾驶的需求下，高清摄像头、多线激光雷达等大量传感器的数据需要连接到自动驾驶域控制器进行数据分析处理，在安全性的考虑上，也需要这些海量数据需要具有实时性。从数据传输带宽需求来看，激光雷达单个的需求约在20Mb-1000Mb/s，雷达约0.1Mb-15Mb/s，每颗摄像头带宽需求在500Mb-3500Mb/s之间，传感器的数据总带宽需求高达3Gb-40Gb/s。所以CAN总线通信已经满足不了需求，如今逐渐演变成CAN FD甚至是往以太网发展。CAN FD的传输速率可以高达8Mbps，相比以太网而言，CAN FD转换的成本更低，不过从速率来看，以太网完全碾压CAN FD，可以达到1Gbit/s。以太网通过交换机进行通信，所有终端节点都需要通过交换机才能互相进行连接通信，所有信息都要经过交换机进行转发，所以以太网实际不能说是“总线”，已经属于是网络结构，覆盖整车的通信网络。虽然相比CAN总线和CAN FD，以太网的容错率较低，安全性、可靠性、稳定性、实时性都不如CAN总线，但毕竟其通信速率优势太大，已经在智能汽车上用在雷达、摄像头等对数据传输速率需求更高的应用上。随着智能汽车的发展，以太网或许能够不断提高稳定性和可靠性，逐步取代更多的CAN应用。在车载通信需求升级后，传输速率的提高，包括CAN FD和以太网在内都面临新的问题。比如以太网在通过传统非屏蔽铜双绞线作为传输媒介时，由于运行的频率较高，并且在车内较小的空间中，电子部件较为密集，所以线缆还要面对EMI电磁干扰、机械干扰等问题。而采用光通信，传输媒介从铜转为光纤后，能够拥有更强的EMC电磁兼容性。首先在铜线加工的过程中，两根非屏蔽铜双绞线的长度或者阻抗可能会存在差异，这种情况下差分信号经过铜双绞线进行传输时会产生时间偏差或信号幅度偏差，从而形成非必要的共模干涉，产生电磁干扰对车内其他的电子部件产生影响。而使用光纤作为传输媒介后，因为光传输的特性，不会对电磁兼容性造成影响，所以从这个角度来看，光纤很适合用于车载高速通信。另一方面，光纤通信由于不存在电磁兼容性的问题，相比采用铜的非屏蔽双绞线通信时，物理层芯片和连接器等方面需要进行昂贵的EMC设计，所以实际上使用光纤时，物理层芯片上更加简单，能够节省开发调试的成本，降低开发周期，整体成本可以更低。因此有不少厂商已经开始尝试推出通过光纤连接的车载通信架构，比如赫千科技的高速光纤TSN集中式架构以10G TSN Switch作为核心单元，扩展出10G Fiber、10G electronic、1G POF以及100/1000Base-T1等网络接口。TSN交换单元支持IEEE802.1 AS，IEEE802.1Qav，IEEE802.1Qbv的TSN协议，以及二层交换机相关标准协议。TSN交换单元还支持多路GMSL摄像头/以太网摄像头/激光雷达/4D毫米波雷达等传感器的接入，传感器采集的图像或点云数据通过以太网1722封包后由10G TSN Switch进行转发，传送至终端网关进行图像帧缓存、缩放、混合等处理，最终输出至显示接口。高速光纤TSN集中式架构主要应用包括ADAS系统、自动驾驶系统、360°环视系统、车载信息娱乐系统、BMS系统和集中式计算架构，最高传输带宽可以高达25Gbps。鹏瞰科技基于光纤传输技术推出了新一代工业控制网络总线架构PonCAN（TS-PON技术），融合无源光纤通信高速数据传输、超低时延和高可靠性控制功能，具有高安全性、易于布线和全网同步的特性。TS-PON架构的传输速率可以达到10Gbps，时延达到微秒级水平，能够应用在汽车、工业、机器人等领域。其中在汽车应用中，TS-PON未来将有望加速车载域架构往区架构的转变。随着汽车智能化对于车载通信的需求不断提高，不断有更多新的通信架构以及传输形式将导入汽车领域。而车载通信的创新与发展，也将会随之迎来一个新的爆发时期。
