ADAS-车载SerDes技术探索

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“ 在当今汽车行业的迅速发展中，车载SerDes技术正扮演着越来越重要的角色。作为高速数据传输和通信的关键技术，SerDes在现代汽车中发挥着至关重要的作用，推动着智能驾驶、车联网和车辆电子系统的创新。今天我们将为您带来关于车载SerDes技术的最新动态、前沿应用案例以及技术深度解析等内容，并向您介绍SerDes技术在汽车领域中的关键应用，帮助您更好地了解它的原理、性能和优势。”



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SerDes介绍

在现在ADAS系统中，传感器的数量、种类越来越多。同时各种传感器、摄像头和控制单元需要高速、可靠的数据传输和通信，以实现实时感知、决策和操作。而各种各样的传感器通信接口又各不一样，因此给汽车的布局布线造成了巨大困扰，也造成了成本的巨大提高。在此基础上SerDes技术应运而生。

SerDes是英文Serializer(串行器)/DeSerializer(解串器)的简称，它通过将大量的数据转换为高速串行信号，实现了高带宽、长距离的信号传输，并在接收端将串行信号转换回并行数据。

以TI在相机应用的UB953以及UB954为例，其应用框架如下所示：



可以看出，在相机端串行器将多数据传输接口统一打包转换成串行信号然后再传输到同轴线上，而解串器的则将串行信号解码再恢复出来。另外，SerDes除了相机应用之外，还有屏幕传输、以太网传输等应用案例。

SerDes芯片的出现为汽车的布局布线节省了很大的成本，同时也为汽车电子系统提供了强大的数据连接能力。

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SerDes关键技术介绍

以TI的Serdes为例，其内部框架如下图所示，下面我们将介绍其中的几个关键部分。



[2.1]

数据时钟信号编码

Serdes信号传输是通过AC电容耦合，而由于电容“隔直流、阻交流”的特性。因此，在数据传输时，DC平衡非常重要，当数据流中有交替的0、1出现时，数据可以认为是交流信号，此时数据可以顺利地通过。反之，如果数据全是0或者全是1，则接收端很难得到真实的数据。典型的数据有连续的0或者1时，则会出现下述图像中情况：



除数据编码外，串行器端还需要将时钟信息一起进行编码，而较少的01变化，在解码端则很难将时钟进行恢复。

8b/10b编码等编码方式的出现则有效地解决直流均衡以及时钟恢复等上述问题。8b/10b编码的基本原理如下：

（1）原始数据：首先，将要传输的原始数据按照8位为单位进行划分。每个8位数据称为一个数据字节。

（2）字符编码：接下来，将每个数据字节映射到对应的10位编码字符。每个10位编码字符称为一个数据字符。这种映射关系是通过事先定义好的编码表来实现的。

（3）控制字符：在编码表中，除了用于表示原始数据的编码字符外，还定义了一些特殊的控制字符。这些控制字符用于传输控制信息，如帧同步、错误检测等。



（4）纠错和时钟恢复：8B/10B编码中的编码表经过设计，确保了每个数据字符中至少有两个位的跳变，以提供足够的时钟恢复边沿。同时，编码表还考虑了距离编码字符之间的最小距离，以提供一定的纠错能力。

8B/10B编码在高速串行数据通信中起到了重要的作用，提供了可靠的数据传输和时钟恢复机制。因此被广泛应用，如计算机网络、存储系统和高速串行接口等，为高速数据通信提供了可靠和高效的解决方案。

[2.2]

信号均衡

信号均衡（Signal Equalization）是一种数字通信中的技术，旨在抵消传输信道中引起的失真和衰减，以恢复原始信号的质量和准确性。在数字通信中，数字信号在信道上传输的时候，由于通信线材、PCB板材的影响导致接收端接收到的信号发生形状畸变和幅度衰减。这会导致误码率的提高和信号的可靠性下降。如下图所示：



信号均衡的目标就是通过一系列信号处理技术，对接收到的信号进行修正，使其尽可能接近原始发送信号。因此为了弥补信号在传输过程中的随时，一般在芯片设计的时候会在发送端和接收端之间引入均衡器，来抵消信号在传输过程中遭受的频率响应失真和衰减。

信号均衡通常包括以下步骤：

（1）信号采样：接收端对传输信号进行采样，将连续时间的信号转换为离散时间的信号序列。

（2）信道估计：通过特定的算法和技术，估计传输信道的频率响应和失真特性。这可以通过发送端发送的已知训练序列或接收端的自适应算法来实现。

（3）均衡器设计：基于信道估计的结果，设计均衡器来补偿信道引起的失真和衰减。均衡器可以是线性均衡器，如线性等化器，也可以是非线性均衡器，如决策反馈均衡器。

（4）信号恢复：使用均衡器对接收到的信号进行处理，尽可能恢复原始信号的形状和幅度。这包括对信号进行滤波、时钟恢复、幅度修正等操作。

通过信号均衡技术，可以有效地抵消信号传输中的失真和衰减，提高接收端的信号质量和可靠性。开关信号均衡功能的眼图仿真如下所示:



信号均衡通过估计信道特性和设计均衡器来修正传输信号中的失真和衰减。它对于高速数据通信、光纤通信、无线通信等领域非常重要，有助于提高传输距离、数据速率和系统性能。

[2.3]

脉冲调制

脉冲调制决定了信号在道上以何种方式进行传输。以美信Serdes Coax模式为例，在GMSL1/2使用的是NRZ编码，而在GMSL3上使用了PAM4编码，只是调制方式的改变，GMSL3就可以在原有线材不改变的情况下，速度提升2倍。

NRZ编码：

NRZ（Non-Return-to-Zero）编码是一种数字信号调制技术，常用于数字通信系统中。NRZ编码的原理很简单，即将二进制数据位直接映射为两个电平状态。在NRZ编码中，每个二进制位（0或1）被映射为两个固定电平状态，通常是高电平和低电平。典型的NRZ编码如下所示：



NRZ编码的特点是简单直接，每个二进制位对应一个信号电平状态，没有频率切换或电平翻转。因此，NRZ编码的频谱特性较宽，且没有直流分量，也就是信号的平均值为零。同时，NRZ编码的时钟恢复相对容易，因为信号保持在固定电平状态的时间较长。

然而，NRZ编码也存在一些潜在问题。例如，连续的相同二进制位会导致长时间的电平保持，可能引起时钟偏移问题。此外，NRZ编码对传输信道的噪声和失真较为敏感，因为信号没有变化来抵消干扰。

PAM4编码：

PAM4（Pulse Amplitude Modulation 4-Level）编码是一种高级的调制技术，常用于高速数据传输和通信系统中。PAM4编码通过在每个时钟周期内使用4个不同的脉冲幅度级别来表示多个比特数据。

在PAM4编码中，每个时钟周期被划分为四个等间隔的时间段，每个时间段对应一个脉冲幅度级别。这四个幅度级别通常用0、1、2、3来表示，分别对应两个比特位的不同组合。例如，0(0V)表示比特00，1(250mV)表示比特01，2(500mV)表示比特10，4(750)表示比特11。PAM4编码典型如下所示：



PAM4编码相比于传统的二进制编码（如NRZ）具有更高的数据传输速率，因为每个时钟周期可以传输更多的比特信息。通过在每个时钟周期内发送更多的数据，PAM4编码实现了更高的传输效率，提高了带宽利用率。

然而，PAM4编码也存在一些挑战和限制。由于使用了四个不同的幅度级别，PAM4编码在传输过程中更加容易受到噪声、失真和干扰的影响。同时，解调和时钟恢复也相对复杂，需要更复杂的接收端处理算法来恢复原始的比特数据。

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结束语

车载SerDes作为汽车电子领域的重要技术之一，正推动着车载通信和数据传输的发展。它在汽车中实现了高速数据传输、可靠性和抗干扰能力的提升，为智能驾驶、车联网和车辆电子系统的创新提供了强大支持。

我们将继续分享车载SerDes技术的前沿进展、应用案例、行业趋势等内容，帮助读者深入了解该领域的最新动态。同时，我们也欢迎您提供反馈和建议，让我们的内容更贴近您的需求和兴趣。

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