高速数据传输系统 在智能网联汽车中的应用

高速数据传输系统的三大应用领域

随着先进驾驶辅助系统(ADAS)，甚至L4、L5无人驾驶的到来，高速数据传输系统的应用被大大扩展了，除了经典的信息娱乐系统应用外，还被扩展到了自动驾驶相关的安全系统以及车内数据传输的高速网络。此外，我们对连接器的要求是不但能满足严苛环境下的耐高温、抗振等条件，还要不断适应更为复杂的网络架构设计，实现更高的传输速率、更强的抗电磁干扰能力、更低廉的成本和更高的稳定性，以满足大数据的传输需求。

图1 高速数据传输系统的三大应用领域

如图1所示，高速数据传输系统的三大应用领域分别是信息娱乐系统、以自动驾驶为主要需求的汽车安全系统和车内高速网络系统（以太网）。

1.信息娱乐系统

信息娱乐系统是高速数据传输在汽车内的经典应用，随着智能网联汽车时代的来临，这个应用趋势没有减弱，反而越来越明显，点对点的高速数据传输要求变得越来越多，原因在于：未来汽车更加关注人机互动以及驾驶体验。

显示屏的数量会越来越多，如新增的全数字液晶仪表盘、扶手箱显示屏；显示屏的尺寸会越来越大，从数年前的5"到目前主流的8"、10"，再到以特斯拉为代表的12"、20"显示屏；分辨率和刷新率也会随之升高，从640×480提升到720 P、1 080 P的汽车级显示屏，乃至2020 年后，2 K屏幕会被逐渐引入到汽车中控屏，以提升客户体验。在人机互动方面，USB 2.0和蓝牙连接已经变得非常普遍，未来的应用会大大加快传输速度，并且实现大电流充电需求。USB 3.1 STD A/USB TypeC和WiFi等新一代高速连接协议会被引入，该趋势主要归功于这些协议在消费电子领域的成功。同样，消费者对车载充电功率的需求也不断提升，从5 V/0.5 A提高到现在的5 V/2 A, 乃至USBTypeC能够达成的20 V/ 5 A、100 W的充电功率。

2. ADAS安全系统

以自动驾驶和ADAS为主要需求的安全系统应用，是高速数据传输在汽车领域的新战场。这个新领域大大拓展了高速数据传输系统在汽车内的应用范围，提升了其重要性，使之成为了智能网联汽车中不可或缺的部分。

为实现自动驾驶或者ADAS，其主要的功能块分为:感知、判断、决策和执行。这些功能块由许多大大小小的传感器、ECU组成，它们每秒收集着数千兆的数据，给到中央运算器做处理和判断，以实现正确的驾驶指令。相较于传统汽车，智能汽车新增的传感器包括高清摄像头、毫米波雷达、激光雷达以及现有的超声波雷达；同时，为了实现汽车互联，也包含了很多天线模块，如4GLTE、5G、V2X、GPS和北斗等。新增的ECU包括：ADAS控制模块、雷达控制模块和新一代高速运算平台（高速网关）等。在这些模块之间，每秒钟的数据传输量少则数百兆，多则有数10 GB，而在传统汽车中，这是无法想象的数据吞吐量。为了实现如此多新增模块之间高速、稳定、可靠且低延时的数据传输，高速数据传输系统变得前所未有的重要。

3.车内高速网络（以太网）

如上文提到的，汽车传感器和数据吞吐量会呈现井喷式的增长，然而，要实现汽车的智能网联化，传感器和控制器的增加数量远远不止这些。这一发展趋势会使整车的系统架构也会发生天翻地覆的变化，其中，意义最为深远的就是以太网协议的引入，这将对未来汽车架构起到决定性的颠覆作用。

长久以来，汽车车内网络主要以LIN总线、CAN总线和FlexRay为主要协议，此类协议的速率非常低，一般不超过1 Mbits/s，但其优势在于搭建架构的成本非常低廉，连接器和线束的成本也非常低。在我们对汽车总线的速率要求并不高的时候，CAN总线等就能够满足需求。但是，随着汽车智能化和互联化，新一代汽车芯片对总线速率的要求不断提高，汽车工业需要新一代的总线协议，它既可以达到每秒上百兆甚至更高的传输速率，又能保证对线束成本和重量的有效控制。根据IEEE以及OPEN组织所构建的数据传输协议，汽车以太网总线可以很好地承担此任务。第一阶段的任务是将汽车以太网总线的速度达到100 Mbits/s，

下一个则是1 Gbits/s，在未来的3~5年甚至能实现10 Gbits/s的速度。当然，这对芯片以及传输系统（连接器+线束）而言都是非常重大的挑战。

高速数据传输系统在智能网联汽车中的选型

前文中已经阐述了高速数据传输系统在智能网联汽车中的应用范围,但如何让其落地？究竟什么样的数据传输协议、什么样的传输介质、什么类型的连接系统才是高速、可靠且经济的？下面我们一一道来。

图2 2020 年智能网联汽车系统架构设想

如图2所示，以下四大类高速、高频连接系统会承担上文所提到的高速信号传输任务，它们分别是：带屏蔽的多绞线连接系统、同轴连接系统、双绞线连接系统（以太网）和无线射频连接系统（天线）。

1.带屏蔽的多绞线连接系统

该系统主要应用于高清大尺寸显示屏和多媒体主机的连接，所传输的协议为LVDS、APIX、GMSL以及FPD Link等；消费类USB接口或者使用USB协议的各类模块之间的数据连接，如T-BOX；各个高速运算控制单元（ECU）之间的数据通信。带屏蔽的绞线有着非常明显的优点，在提供全双工、高速数据传输能力的同时还可以保持非常良好的EMI性能，表现出其高效稳定的特性。随着屏幕的增大，刷新率和分辨率的提高，该系统已经可以提供高达3 Gbits/s的传输速率。未来随着芯片以及连接器的发展，速率会进一步提升到12 Gbits/s，甚至更高。比较典型的绞线系统为屏蔽双绞线以及星绞四线组形式，其中星绞四线组比较特殊，两对双绞线不经相互隔离再进行互绞，广泛应用于欧系以及国内整车厂。

2.同轴连接系统

这是一类正在迅速增长的高速传输方式。随着芯片技术的革命，人们正在利用同轴连接系统传输模拟信号以及数字信号。智能网联汽车的大量新增功能模块，都需要使用这种低衰减的单端信号传输系统来实现。

汽车天线接收或者发射的射频信号，都需要同轴连接系统将其无损地送到信号处理单元进行处理，这些射频信号随着互联汽车的需要，变得越来越多：2G/3G/4G LTE信号、GPS/北斗导航信号、AM/FM信号、WIFI/BT信号以及V2X信号等。智能网联汽车未来需要接收发射的无线信号多达20多个，并且会越来越多。他们都通过同轴连接器和同轴线来传输。

除了上述模拟信号的传输，同轴连接系统还被用来传输数字信号。工程师们充分利用了同轴线信号传输距离更长、成本更低廉等特性，将其应用在了高清摄像头和控制单元之间的连接上。高清摄像头是实现自动驾驶或者360°全景影像功能不可或缺的传感器，整车需要配备4~8个不同功能的高清摄像头，分辨率需要达到100万像素甚至是200万像素。现在，我们只需要一根同轴线缆和相对应的连接器，就可以实现高清摄像头和控制模块之间的高速数据传输和供电功能，为整车节省成本和重量。从趋势来看，该应用在未来5年会大量增加，成为主流趋势。

3.双绞线连接系统（以太网）

如上文所描述，以太网协议会成为下一代汽车整车总线协议，它会代替CAN总线，覆盖绝大部分新增的高速总线需求。虽然在未来5年的汽车架构上来看，由于成本优势，CAN总线、LIN总线仍然会被沿用，但是，以太网毋容置疑会成为下一代的趋势。目前，CAN总线的传输速率约为1 Mbits/s左右，但是以太网可以达到100 Mbits/s，甚至1 Gbits/s的水平，可以被大量应用于信息娱乐、ADAS及车身控制等功能块的高速数据传输上，诸如：倒车影像、毫米波雷达、网关、BCM和ECU等设备上。

整车厂会选择使用双绞线（TP）来传输以太网信号，每一路信号使用一对双绞线来实现。通过选择经过验证的连接器，在保证双绞线的绞距以及相应压接规范的情况下，90%的以太网信号传输可以通过非屏蔽的双绞线（UTP）来实现，个别过于靠近强射频源的线路，可以使用带屏蔽的双绞线（STP）来保证功能。

4.车载天线（无线射频连接系统）

作为高速数据传输领域的新成员，它在智能网联汽车中所起到的作用是举足轻重的。传统汽车对于天线的需求非常有限，仅仅在于接收一些较低频率的AM/FM信号、GPS信号，以及近两年才开始普及的3G/4G LTE信号。随着汽车的智能化、网联化，我们需要汽车更多地和外部世界连接，包括车内网、局域网以及互联网，这就带来了更多的天线需求，如：V2X、5G/LTE+， WiFi、BT及双导航等。接收这些信号，就需要在汽车上布置更多的射频接收、发射装置，也就是汽车天线。

这些天线的外形、材质随着具体工程要求呈现多元化，同时，在汽车上的布置位置也是多元化的，很多天线甚至需要MIMO架构。另一方面，出于对信号接收性能以及安全相关考量，汽车天线往往会被布置在汽车的不同位置：有集中在鲨鱼鳍的整合型天线，也有分散布置在A柱、仪表板和后窗等位置的离散型天线。由于每部汽车的造型都不尽相同，而射频信号又对金属障碍物、辐照方向性有较敏感的要求，所以，几乎每一个汽车电线都需要经过数轮的调校和修改，以达到最好的增益效果。

高速数据传输系统的解决方案

图3 TE Connectivity 高速数据传输解决方案

针对上述四大类高速数据传输系统，TE Connectivity（TE）作为全球领先的汽车连接解决方案供应商，对于高速数据传输领域，也已经有了一揽子丰富的方案（见图3）。TE所提供的不单是连接器的解决方案，更是整个高速数据传输系统架构的解决方案。

1.HSD连接器平台

TE开发的HSD系列产品，专门应对整车厂商对于性能要求严苛的带屏蔽绞线类高速数据传输要求，主要应用于欧系、国内整车以及部分美系整车。在专有数据传输协议及更高级别的线材帮助下， HSD可达到3 Gbits/s的数据传输速率。然而这并不是极限，通过使用下一代传输协议，其很快就可以达到6 Gbits/s的速率。

2.HSL连接器

现在手机已喊出“充电五分钟，通话两小时”的口号，因此汽车USB充电端口的升级势在必行。TE的HSL产品可满足USB2.0 480 Mbits/s的传输速率，更重要的是，可以支持2.5 A的大电流充电需求。HSL所使用的050系列端子，专门针对汽车级的严苛要求开发，其特性可满足USB消费端口在汽车中的普及。

同时我们认为，未来USB Type-C将成为主要发展趋势，目前此方面产品正在开发过程中，届时充电功率将会达到100 W，也就是说不仅仅是手机充电，电脑充电也可顺利完成。

3.Fakra连接器系列

TE的Fakra连接器系列专门为汽车级同轴信号传输系统开发，广泛应用于美系、欧系和国内整车。新一代Fakra产品带宽可达到6 GHz，可保证高速信号传输性能的稳定。作为国际标准接口，它可被用于各类天线中继线、高清摄像头的连接等。在未来智能网联汽车的趋势下，Fakra的需求会大大增加。

4.MATE-AX小型同轴连接器系列

随着智能网联汽车I/O接口数量急剧增加，尤其是对同轴信号传输的需求呈爆发式增长，整车厂对于该接口小型化的要求变得越发迫切。TE的MATE-AX小型同轴连接器系列专门为此需求开发，该产品将频宽进一步提高到了9 GHz，以应对未来整车厂及新一代通信芯片对于下一代高速同轴连接器的需要。就尺寸而言，4合1产品的体积较现有产品缩小了70%以上，以适应智能网联汽车对于小型化连接器的需求。

5.NanoMQS连接器

MQS端子的小型化型号，被广泛应用于汽车电子的各个模块当中。经过充分验证，NanoMQS连接器可以满足汽车以太网数据传输基于100 Mbits/s的数据需求，提供了用于差分对数据传输的解决方案，通过采用坚固耐用的汽车级端子，来满足100BASE-T1以太网连接的需求。其优势是，在遵循特殊应用指南的同时，可以灵活地对标准连接器进行重新使用和配置。

6.MATEnet模块化和可扩展连接器平台

该产品亦是TE针对汽车以太网应用所开发的关键连接器系统，其传输速率更可高达 1 Gbits/s，同时向下兼容100 Mbits/s协议。MATEnet连接系统的重要优势是，TE沿用了明星产品NanoMQS端子，这种端子已经被充分验证了其在安全模块包括ECU、电喷模块中表现稳定。换言之，MATEnet可以被应用于汽车需要经受严苛环境考验的区域内。此外，TE作为Open协会的核心会员，经过与行业伙伴的战略合作，证明使用已有的高度调制的数据传输技术，MATEnet连接器有潜力以高达10 Gbits/s的传输速率运行。

总结

智能网联汽车的发展对于汽车工业的影响是深远的，而高速数据传输系统在智能网联汽车中又起到了至关重要的作用。每个整车厂都要从系统架构层面开始考虑这个问题。TE Connectivity作为全球领先的汽车连接解决方案供应商，通过提供高速、灵活、可靠的数据传输和连接解决方案，正在推动智能网联汽车的快速发展。