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技术干货| 浅谈车载光纤通信

更新时间:2023-11-21  |  点击率:249

车载光纤通信

        随着ADAS(高阶驾驶辅助系统)、汽车智能网联、V2X和信息娱乐技术的不断发展,车载电子系统和应用数量迅速增加。不断增长的车内传输数据量对车载通信网络造成了巨大的数据带宽和安全性需求,传统的车载总线技术已经不能满足当今高速传输的要求。铜缆的广泛使用导致了严重的电磁干扰(EMI),同时也存在CAN、LIN、FlexRay等传统总线技术不太容易解决的问题。在此背景下,车载光纤通信技术逐渐受到关注和重视,除了大大提高数据传输率外,还具有抗电磁干扰、减少电缆空间和车辆质量等优点,在未来具有很大的发展潜力。IEEE 标准化组织802.3 工作组在2019年就启动了标准的研究工作,要在车内实现短距离光纤通信,这些年相继推出了802.3.cy、802.3.cz等一系列技术标准。


车载光纤通信优势

来源:滨松光子学株式会社,车载网络

        电气和自动驾驶结构大大推动了布线系统的挑战,其面临的问题主要包括电磁干扰、带宽和减重。通信速率超过100 Mb/s的铜线链路需要较重和昂贵的解决方案才能符合严格的EMC规范,所需电缆直径不断增大的重量与电动动力总成的续航距离之间存在严重的矛盾。此外,汽车应用、使用和安全对网络带宽提出了更高的要求。光网络技术得益于其固有的静电隔离、鲁棒性、低成本和低重量,从而具备了传统铜线链路难以达到的优势:

        1.  减少车辆质量:塑料光纤(POF)是目前可靠的解决方案之一,塑料光纤可以承受恶劣的环境、振动、错位、污染、湿度、宽温度范围等,POF允许快速动态弯曲、紧静态弯曲和浸泡在液体中。此外,光纤链路的使用也可以大大减轻系统的重量,有相关研究表明,与屏蔽双绞线(STP)相比,塑料光纤可将重量减少30%以上;在使用光纤后,头灯模块的质量可以从190.9g减少到81g。

        2.  减少电磁干扰:光纤内部的光信号是通过光纤传输而不是以电流的形式传输的,对电磁场具有天然的免疫性和稳定性,使用光传输线时不会产生电磁干扰威胁,电磁兼容性能会变得更好。光纤传输的优势包括在非常嘈杂的环境中,如具有高电压和非常低开关时间的电力电子设备,具有更高的电磁兼容性,因其固有的接地隔离,可以保证安全性。此外,通过光学连接电子控制单元(ECU),可以将不同系统间的噪声限制在产生它的ECU中,避免其传播到整个车辆。而这些用基于铜的网络实现类似的隔离是非常困难和昂贵的。

        3.  满足更高带宽的需求:ADAS和自动驾驶将使用许多传感器组件,并将在网络中传输和处理大量未压缩的高视觉图像数据流。在不久的将来,全自动驾驶系统需要10Gbps或更高的数据速率,对于传统铜线网络需要付出的代价更高。光纤能够传输的带宽容量更大,可以支持更多的用户同时访问,因此在高流量和高带宽使用场景下,光纤更适合网络连接,也可以降低网络的传输延迟,提高网络的响应速度。

车载光纤通信发展历程

        1997年,光纤通信系统以数字数据总线(D2B)标准的形式S次应用于车载,D2B由流量损耗阶跃折射率塑料光纤(SI-POF)和LED光源组成。

        MOST(面向媒体的系统传输)标准成立于1998年,通过阶跃折射率塑料光纤(SI-POF)作为物理介质,并采用环形拓扑结构。经过多年发展衍生出了MOST25、MOSTI50等多种不同种类的物理层传输音频、视频、语音和数据信号。

        随着通信带宽的不断增长,光纤通信技术的标准也在不断更新。IEEE1394的标准(IDB)-1394采用了VCESL激光器和硬聚合物包层二氧化硅光纤(HPCF)来匹配500Mbps左右带宽的通信系统。以太网通信标准则采用16脉冲调幅(PAM)和转发纠错(FEC)来增加SI-POF的带宽用于Gbps级车载光纤通信。下表介绍了车载光纤通信技术的发展历史和应用场景。

几种光纤通信技术的应用场景和oem厂商

车载光纤通信技术产生的内在驱动以及技术发展

参考文献:Wang W, Yu S, Cao W, et al. Review of in-vehicle optical fiber communication technology[J]. Automotive Innovation, 2022, 5(3): 272-284.

产业链发展方案

        目前车载光纤通信采取的方案还有不少有待解决的争议。主要是在光纤和光通信尤其是激光器的选型上。

首先光纤,可选光模块常用的多模光纤OM3,光纤材料是SiO2,还有一些厂家想推塑料光纤。塑料比玻璃会便宜,且耐弯曲,但是,塑料光纤产业链不成熟,想做好性能的话,初期成本不会低,毕竟光纤通信的光纤制造工艺已经到了极其成熟的地步,没有任何的前期研发成本和设备成本。塑料光纤的可靠性问题在于不耐高温,玻璃光纤的可靠性问题在于容易折断。

        另一方面,使用哪一类激光器也是争论的重点。目前有三个方案,一个是850 nm VCSEL,一个是980 nm VCSEL,一个是硅光集成方案。850 nm的优势在于高速调制产业经验,但Trumpf在2021年802.3.cz工作组中的报告显示目前850 nm激光器在可靠性上明显不如980 nm。980nm的优势在于低损耗、低色散和大功率的可靠性经验,但实际上980nm通常应用在无信号调制下,一旦要调制信号,就需要重新设计,现有的可靠性很可能要重新评估。

        850 nm和980 nm都用的是GaAs材料,导热率46W/m.k,硅的导热率150W/m.k。GaAs是化合物半导体,晶圆尺寸较小(4-6英寸),硅的晶圆有8-12英寸。因此硅光的优势在于硅的高导热系数、1310nm波段的优秀性能以及超大晶圆的低成本属性。但硅不能发光,激光器还是得用InP材料体系,也就是硅光+InP的组合,这样导热和价格依然存在问题。此外硅波导很小,对于汽车不断震动的应用环境,也未必能保持住光路稳定性。

车载光模块及光电器件可靠性要求

        上一段谈到,通信产品的可靠性对产业链选型有非常重要的影响。主要是因为车载光纤通信中对光模块的要求与数据中心、工业级应用相比更严苛。以光纤为例,由于高温振动、化学品、汽油的存在,车载光纤的工作环境极为恶劣,所以车载光纤从设计上就要考虑恶劣环境的影响。从不同行业的可靠性标准中我们也可以略窥一二,在汽车行业广泛使用的 AEC‑Q资格标准规定车内电子设备要支持‑40°C~105°C甚至更高的环境温度范围。而在通信行业标准中往往只要求芯片的环境温度在-40℃~85℃。

        另一方面,数据中心或工业场景中光模块可以定期更换,对使用寿命要求相对较短。但是车载光模块,要至少在不同的恶劣环境下工作15-20年,且不允许损坏和更换,这才能达到车规级标准。汽车行业对电子元件的可靠性设定了非常苛刻的目标,可以用一个数字来概括:10 FIT(1 FIT的定义:运行10亿小时出现一个故障),在通信行业里这一标准一般小于125 FIT。

总结

        随着智能驾驶及通感一体化等应用场景的深入发展,车载光纤通信技术迎来了较快速的发展,未来车载光纤通信技术将采用更实时的通信协议和更灵活的拓扑结构,使车载通信更快、更高效。因此,光纤通信技术将会成为汽车领域进一步发展的重要技术之一。目前,国内车载光纤通信领域虽未大量宣传报道,多家车厂以及相关企业已经开始进行相关布局,比如华为提出的“全光智能车"架构、今年光博会上光迅等企业提到的车载光通信和通感一体化,一些设备供应商也有相关产品进行跟进。总而言之,智能汽车 “光进铜退" 的趋势已经不可逆转,提前布局,才能在车载光通信产业中掌握先发优势。

广电计量光电子器件验证服务

        广电计量是完成激光发射器、探测器全套AEC-Q102车规认证的第三方检测机构,具备APD、VCSEL、PLD等批次性验证试验能力。在此基础上,广电计量现已全面开展通信用光电子器件的可靠性测试认证服务,在人才队伍上,形成以博士、专家为核心的光电器件测试分析团队,具备国内行业认可的光电子器件测试标准解读能力和试验能力,能够提供一站式光电子器件测试方案。



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