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技術干貨| 淺談車載光纖通信

點擊次數:284 更新時間:2023-11-21

車載光纖通信

        隨著ADAS(高階駕駛輔助系統)、汽車智能網聯、V2X和信息娛樂技術的不斷發展,車載電子系統和應用數量迅速增加。不斷增長的車內傳輸數據量對車載通信網絡造成了巨大的數據帶寬和安全性需求,傳統的車載總線技術已經不能滿足當今高速傳輸的要求。銅纜的廣泛使用導致了嚴重的電磁干擾(EMI),同時也存在CAN、LIN、FlexRay等傳統總線技術不太容易解決的問題。在此背景下,車載光纖通信技術逐漸受到關注和重視,除了大大提高數據傳輸率外,還具有抗電磁干擾、減少電纜空間和車輛質量等優點,在未來具有很大的發展潛力。IEEE 標準化組織802.3 工作組在2019年就啟動了標準的研究工作,要在車內實現短距離光纖通信,這些年相繼推出了802.3.cy、802.3.cz等一系列技術標準。


車載光纖通信優勢

來源:濱松光子學株式會社,車載網絡

        電氣和自動駕駛結構大大推動了布線系統的挑戰,其面臨的問題主要包括電磁干擾、帶寬和減重。通信速率超過100 Mb/s的銅線鏈路需要較重和昂貴的解決方案才能符合嚴格的EMC規范,所需電纜直徑不斷增大的重量與電動動力總成的續航距離之間存在嚴重的矛盾。此外,汽車應用、使用和安全對網絡帶寬提出了更高的要求。光網絡技術得益于其固有的靜電隔離、魯棒性、低成本和低重量,從而具備了傳統銅線鏈路難以達到的優勢:

        1.  減少車輛質量:塑料光纖(POF)是目前可靠的解決方案之一,塑料光纖可以承受惡劣的環境、振動、錯位、污染、濕度、寬溫度范圍等,POF允許快速動態彎曲、緊靜態彎曲和浸泡在液體中。此外,光纖鏈路的使用也可以大大減輕系統的重量,有相關研究表明,與屏蔽雙絞線(STP)相比,塑料光纖可將重量減少30%以上;在使用光纖后,頭燈模塊的質量可以從190.9g減少到81g。

        2.  減少電磁干擾:光纖內部的光信號是通過光纖傳輸而不是以電流的形式傳輸的,對電磁場具有天然的免疫性和穩定性,使用光傳輸線時不會產生電磁干擾威脅,電磁兼容性能會變得更好。光纖傳輸的優勢包括在非常嘈雜的環境中,如具有高電壓和非常低開關時間的電力電子設備,具有更高的電磁兼容性,因其固有的接地隔離,可以保證安全性。此外,通過光學連接電子控制單元(ECU),可以將不同系統間的噪聲限制在產生它的ECU中,避免其傳播到整個車輛。而這些用基于銅的網絡實現類似的隔離是非常困難和昂貴的。

        3.  滿足更高帶寬的需求:ADAS和自動駕駛將使用許多傳感器組件,并將在網絡中傳輸和處理大量未壓縮的高視覺圖像數據流。在不久的將來,全自動駕駛系統需要10Gbps或更高的數據速率,對于傳統銅線網絡需要付出的代價更高。光纖能夠傳輸的帶寬容量更大,可以支持更多的用戶同時訪問,因此在高流量和高帶寬使用場景下,光纖更適合網絡連接,也可以降低網絡的傳輸延遲,提高網絡的響應速度。

車載光纖通信發展歷程

        1997年,光纖通信系統以數字數據總線(D2B)標準的形式S次應用于車載,D2B由流量損耗階躍折射率塑料光纖(SI-POF)和LED光源組成。

        MOST(面向媒體的系統傳輸)標準成立于1998年,通過階躍折射率塑料光纖(SI-POF)作為物理介質,并采用環形拓撲結構。經過多年發展衍生出了MOST25、MOSTI50等多種不同種類的物理層傳輸音頻、視頻、語音和數據信號。

        隨著通信帶寬的不斷增長,光纖通信技術的標準也在不斷更新。IEEE1394的標準(IDB)-1394采用了VCESL激光器和硬聚合物包層二氧化硅光纖(HPCF)來匹配500Mbps左右帶寬的通信系統。以太網通信標準則采用16脈沖調幅(PAM)和轉發糾錯(FEC)來增加SI-POF的帶寬用于Gbps級車載光纖通信。下表介紹了車載光纖通信技術的發展歷史和應用場景。

幾種光纖通信技術的應用場景和oem廠商

車載光纖通信技術產生的內在驅動以及技術發展

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

產業鏈發展方案

        目前車載光纖通信采取的方案還有不少有待解決的爭議。主要是在光纖和光通信尤其是激光器的選型上。

首先光纖,可選光模塊常用的多模光纖OM3,光纖材料是SiO2,還有一些廠家想推塑料光纖。塑料比玻璃會便宜,且耐彎曲,但是,塑料光纖產業鏈不成熟,想做好性能的話,初期成本不會低,畢竟光纖通信的光纖制造工藝已經到了極其成熟的地步,沒有任何的前期研發成本和設備成本。塑料光纖的可靠性問題在于不耐高溫,玻璃光纖的可靠性問題在于容易折斷。

        另一方面,使用哪一類激光器也是爭論的重點。目前有三個方案,一個是850 nm VCSEL,一個是980 nm VCSEL,一個是硅光集成方案。850 nm的優勢在于高速調制產業經驗,但Trumpf在2021年802.3.cz工作組中的報告顯示目前850 nm激光器在可靠性上明顯不如980 nm。980nm的優勢在于低損耗、低色散和大功率的可靠性經驗,但實際上980nm通常應用在無信號調制下,一旦要調制信號,就需要重新設計,現有的可靠性很可能要重新評估。

        850 nm和980 nm都用的是GaAs材料,導熱率46W/m.k,硅的導熱率150W/m.k。GaAs是化合物半導體,晶圓尺寸較?。?-6英寸),硅的晶圓有8-12英寸。因此硅光的優勢在于硅的高導熱系數、1310nm波段的優秀性能以及超大晶圓的低成本屬性。但硅不能發光,激光器還是得用InP材料體系,也就是硅光+InP的組合,這樣導熱和價格依然存在問題。此外硅波導很小,對于汽車不斷震動的應用環境,也未必能保持住光路穩定性。

車載光模塊及光電器件可靠性要求

        上一段談到,通信產品的可靠性對產業鏈選型有非常重要的影響。主要是因為車載光纖通信中對光模塊的要求與數據中心、工業級應用相比更嚴苛。以光纖為例,由于高溫振動、化學品、汽油的存在,車載光纖的工作環境極為惡劣,所以車載光纖從設計上就要考慮惡劣環境的影響。從不同行業的可靠性標準中我們也可以略窺一二,在汽車行業廣泛使用的 AEC?Q資格標準規定車內電子設備要支持?40°C~105°C甚至更高的環境溫度范圍。而在通信行業標準中往往只要求芯片的環境溫度在-40℃~85℃。

        另一方面,數據中心或工業場景中光模塊可以定期更換,對使用壽命要求相對較短。但是車載光模塊,要至少在不同的惡劣環境下工作15-20年,且不允許損壞和更換,這才能達到車規級標準。汽車行業對電子元件的可靠性設定了非??量痰哪繕?,可以用一個數字來概括:10 FIT(1 FIT的定義:運行10億小時出現一個故障),在通信行業里這一標準一般小于125 FIT。

總結

        隨著智能駕駛及通感一體化等應用場景的深入發展,車載光纖通信技術迎來了較快速的發展,未來車載光纖通信技術將采用更實時的通信協議和更靈活的拓撲結構,使車載通信更快、更高效。因此,光纖通信技術將會成為汽車領域進一步發展的重要技術之一。目前,國內車載光纖通信領域雖未大量宣傳報道,多家車廠以及相關企業已經開始進行相關布局,比如華為提出的“全光智能車"架構、今年光博會上光迅等企業提到的車載光通信和通感一體化,一些設備供應商也有相關產品進行跟進??偠灾?,智能汽車 “光進銅退" 的趨勢已經不可逆轉,提前布局,才能在車載光通信產業中掌握先發優勢。

廣電計量光電子器件驗證服務

        廣電計量是完成激光發射器、探測器全套AEC-Q102車規認證的第三方檢測機構,具備APD、VCSEL、PLD等批次性驗證試驗能力。在此基礎上,廣電計量現已全面開展通信用光電子器件的可靠性測試認證服務,在人才隊伍上,形成以博士、專家為核心的光電器件測試分析團隊,具備國內行業認可的光電子器件測試標準解讀能力和試驗能力,能夠提供一站式光電子器件測試方案。



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