汽車音頻總線（A2B）與車載以太網(wǎng)

近年來，隨著汽車采用新的信息娛樂技術(shù)和先進的駕駛輔助系統(tǒng)（攝像頭、雷達、激光雷達等），以及采用多種傳感器測量不同數(shù)據(jù)（穩(wěn)定性、速度、加速度等），汽車內(nèi)部的電子系統(tǒng)數(shù)量增加，復雜性也達到了新高度。

我們可以用高帶寬和低帶寬類技術(shù)來簡單分類。通常，傳感器需要低帶寬。汽車上最常用的加速度計的輸出數(shù)據(jù)速率(ODR)只有幾千赫茲。至于信息娛樂系統(tǒng)，普通音頻和視頻數(shù)據(jù)要求的速率一般為幾Mbps以上。

然而，高清多攝像頭系統(tǒng)的采用才真正令標準得到提高，這種系統(tǒng)適用于停車輔助系統(tǒng)、360°視覺系統(tǒng)（也稱為鳥瞰系統(tǒng)或環(huán)視系統(tǒng)）、雷達（基于RF微波）和激光雷達（基于紅外激光），能夠幫助增強駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)。這些系統(tǒng)能夠共存是推動自動駕駛汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，但對任何通信總線來說都是一個巨大的挑戰(zhàn)。

汽車中使用的傳統(tǒng)總線包括：

局域互連網(wǎng)絡(LIN)：速度最高20kbps，主要用于要求低成本、速度/帶寬比不太重要的子系統(tǒng)中。

控制器局域網(wǎng)(CAN)：傳輸速度最高1Mbps，比如用于在電子控制單元(ECU)和啟停系統(tǒng)、駐車輔助系統(tǒng)和電子駐車制動器的傳感器之間通信。

FlexRay：速度比CAN快（最高10Mbps），價格更高昂。最開始被用于線控（線控駕駛、線控轉(zhuǎn)向）系統(tǒng)，能用于適配多種網(wǎng)絡拓撲。

面向媒體的系統(tǒng)傳輸(MOST)：速度最高150Mbps，專用于傳輸音頻、視頻、語音和數(shù)據(jù)信號。定義ISO/OSI模型的全部7個層，從物理層直到應用層，是一個專有的解決方案。

隨著網(wǎng)絡技術(shù)不斷發(fā)展，另一方面變得越加重要。許多不同子系統(tǒng)使用的各種總線都包含非常復雜（且昂貴）的電纜。對于汽車應用，尺寸和重量是新的挑戰(zhàn)，因為要滿足新的環(huán)境法規(guī)就意味著需要開發(fā)能夠（例如）降低CO2排放量的新系統(tǒng)。在這種情況下，就不太容易滿足高帶寬、低延遲，確定性、耐用且便宜的通信總線需求了。 汽車音頻總線（A2B）

汽車音頻系統(tǒng)的電纜在總電纜重量中占了很大比重，這是因為模擬線路要求從音頻源到端（揚聲器）都采用價格高昂的屏蔽電纜。此外，主動降噪(ANC)和路噪消減(RNC)系統(tǒng)需要在車內(nèi)安裝多個麥克風，這為音頻網(wǎng)絡增加了許多輸入節(jié)點。圖1非常詳細地展示了傳統(tǒng)汽車音頻系統(tǒng)的實際布線。

圖1：傳統(tǒng)的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜

汽車音頻總線（A2B）是ADI推出的一項創(chuàng)新技術(shù)，支持串聯(lián)拓撲，即單個主機最多連接10個菊花鏈形式的從機。A2B針對音頻應用進行優(yōu)化，速度為50Mbps。通過使用非屏蔽雙絞線(UTP)，大幅簡化連接，線束的總重量減少高達75%。節(jié)點之間的距離可達15米，最大網(wǎng)絡長度為40米。同樣的UTP傳輸電源（幻象供電）最高可達300mA，非常適合數(shù)字麥克風。

若在主節(jié)點提供的供電功率分配不足時，可以由本地電源為從機節(jié)點供電。總線支持雙向通信，主機至從機、從機至主機，最多可32個通道下行和上行（12、16、24位）。最重要的是，可以保證延時最多2個時鐘周期，為ANC/RNC這樣的延時敏感型應用提供確定性。A2B總線可以傳輸I2C消息，支持在從機節(jié)點上遠距離配置ADC/DAC等外設(shè)。

簡化A2B網(wǎng)絡配置的工具是SigmaStudio，這是一種圖形化設(shè)計環(huán)境，支持SigmaDSP和SHARC DSP等系列。A2B收發(fā)器（AD2428，AD2427，and AD2426）提供I2S和PDM接口。I2S接口通常用于連接ADC和DAC，數(shù)字麥克風則通常使用PDM。

汽車應用的一個重要問題是電磁兼容性（EMC/EMI）。A2B通過了最嚴格的汽車EMC和EMI測試（僅使用雙線UTP電纜）。RNC應用要求加速度計和麥克風分布在汽車內(nèi)部周圍。使用模擬鏈路的成本非常高昂，因為需要額外部署電路（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、電纜和連接器。A2B技術(shù)采用新型音頻源和傳感器，簡化了這個架構(gòu)。

圖2：被A2B技術(shù)簡化過的車內(nèi)音頻系統(tǒng)線纜

車載以太網(wǎng)

以太網(wǎng)是非常流行的網(wǎng)絡技術(shù)，擁有龐大的生態(tài)系統(tǒng)。然而，到目前為止，它在汽車領(lǐng)域的應用非常有限，僅限于診斷、車載信息娛樂系統(tǒng)和高帶寬傳感器連接等。

雖然在雷達和激光雷達等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)且對帶寬產(chǎn)生巨大需求時，以太網(wǎng)可能能夠滿足這些帶寬需求，但仍有幾個方面限制了它在汽車上的應用。用于100-Base-TX的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜都是基于兩個差分線對，通過變壓器進行隔離，對于汽車應用而言太過昂貴。此外，5類電纜不能滿足汽車EMI標準，因此，100-Base-TX以太網(wǎng)除了進行診斷和固件更新，并不能用于車內(nèi)通信。

對于車對車(V2V)或車對萬物(V2X)通信，車內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸必須支持同步、流量控制和固定延遲。以太網(wǎng)無法提供這類支持，除非采用新協(xié)議棧。

我們先考慮一下物理層。為了滿足關(guān)于重量、EMI和成本的要求，電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)制定了一項新標準，即802.3bw，也被稱為100-Base-T1。IEEE802.3bw是基于雙向UTP電纜的100Mbps標準，滿足嚴格的汽車電磁輻射標準。它利用疊加、特定編碼和加擾等原理降低EMI。

使用非屏蔽雙線電纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的5類電纜時，成本和重量都更低。以太網(wǎng)供電(PoE)等技術(shù)在傳輸數(shù)據(jù)的同時供電，共用相同的電纜。但是，PoE提供電源至少要用到兩個線對，與減少電纜數(shù)量的要求背道而馳。

所以IEEE制定出802.3bu標準，也被稱為數(shù)據(jù)線供電(PoDL)。PoDL可以通過一個線對提供電源，這從一定程度上增加了收發(fā)器原理圖的復雜性。

圖3：基本的PoDL架構(gòu)：通過同樣的差分通道傳輸數(shù)據(jù)和提供電源

如前所述，為了支持汽車應用，以太網(wǎng)需要額外的軟件技術(shù)來支持時間確定性。這可以通過音頻視頻橋接協(xié)議(AVB)來實現(xiàn)，AVB協(xié)議由IEEE 802.1開發(fā)，該組織負責ISO/OSI模型的第二層。

AVB是一種提供時間同步和流量控制的軟件技術(shù)。利用這些基本概念，以太網(wǎng)可以可靠地提供音頻和視頻內(nèi)容。在AVB的推動下，IEEE定義了一系列協(xié)議，即時間敏感網(wǎng)絡(TSN)，它們主要關(guān)注工業(yè)和汽車市場，提供支持實時支持的以太網(wǎng)。

綜上所述，IEEE 802.3bw加上TSN可以取代傳統(tǒng)總線，成為合適的車內(nèi)確定性通信解決方案。此外，100-Base-T1正在演變成新的1000-Base-T1標準，速度可以達到1Gbps。但是，這樣的系統(tǒng)相當復雜，而且這些技術(shù)還不夠成熟，不適合在汽車市場中廣泛部署。

可能的場景 車載市場已開始采用A2B來進行音頻傳輸。涉及從不同總線子系統(tǒng)/節(jié)點傳輸數(shù)據(jù)的需求下，以太網(wǎng)還遠遠沒有達到批量實施的水平。

圖4：多域架構(gòu)

A2B技術(shù)對簡化ANC、免提系統(tǒng)、電動汽車(EV)警示音系統(tǒng)、緊急呼叫(eCall)系統(tǒng)等應用都大有裨益。此外，未來可能能夠直接將數(shù)字傳感器提供的信息傳輸至A2B，以進一步簡化RNC系統(tǒng)的架構(gòu)。 自動駕駛推動著總線性能不斷提高，未來有望實現(xiàn)千兆網(wǎng)絡連接。那么，在接下來的幾年里，會出現(xiàn)什么樣的場景？

A2B是一種易于實現(xiàn)的技術(shù)，通過同一對UTP電纜傳輸電能和數(shù)據(jù)，并對延時提供確定性支持。采用現(xiàn)有的100-Base-T1（未來是1000-Base-T1）技術(shù)的以太網(wǎng)將會是一種融合技術(shù)，可以聚合多條數(shù)據(jù)總線，但增加供電(PoDL)和軟件確定性(TSN)的復雜度會提高。

很可能，基于A2B的音頻傳輸和傳感器混合解決方案，以及依靠高速Gb以太網(wǎng)連接激光雷達和雷達等主干網(wǎng)絡，能夠滿足汽車行業(yè)大部分的中期需求。