详解智能座舱通信技术

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一、介绍



如上图，是中央计算-区域控制架构下的智能座舱硬件平台框架图，其中，智能座舱控制器CDC挂载在以太网交换机上，与其他车控域VDC，自驾域ADC，网联设备5G+V2X等通过以太网实现数据交互。而智能座舱域的外部硬件设备还包含有连接子系统，音频子系统，摄像头子系统，显示子系统，存储子系统，功能安全子系统等。作为CDC的无线连接子模块，Wi-Fi/BT 模块位于CDC内部。这些子系统共同组成了智能座舱域的硬件平台。
二、有线连接技术

2.1 车载CAN总线

CAN（Controller Area Network）控制器局域网，是BOSCH为了解决车辆增加的信号传输首先提出，也是ISO国际标准化的串行通信协议。

CAN的特点：

多主控制：类似广播式，在总线空闲时，所有单元都可以向总线发送报文，通过逐位仲裁来识别报文ID（标识符）的优先级，优先级高的获得发送权。

系统的柔软性：与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其他单元的软硬件及应用层都不需要改变。

远程数据请求：可通过发送“遥控帧”请求其他单元发送数据。

错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能：所有单元都可以检测错误，检测出的错误会立即通知其他所有的单元，正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送，强制结束发送的单元会不断反复地重新发送直到成功发送为止。

故障封闭：CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误还是持续的数据错误（如单元内部故障、驱动器故障、断线等），由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

连接：总线上连接的单元数量受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加，提高通信速度，可连接的单元数减少。

CAN BUS多用于工控和汽车领域，它结构简单，可靠性高。可以采用两根线进行传输，具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强、成本低等优点。在分布式的汽车电子电气架构中，CAN总线是用来进行ECU之间互联的主要通讯总线。来看一个CAN总线在汽车上的应用例子：



2.2 车载以太网

车载以太网的大规模应用，实际上是随着汽车的电动化，智能化发展而来的。在分布式的EEA时代，各ECU之间需要相互传输的信号量极少，使用CAN总线即可实现互联。当汽车进入智能化时代，EEA架构向中央计算-区域控制方向演进。由于汽车内使用的传感器越来越多，传输的数据量越来越大，所需带宽也越来越多，因此需要有新的网络互联技术来支撑这一变化。

为了满足中央计算机与区域控制器之间的互联要求，车载以太网被认为是一个合适的解决方案。



如上图所示，各个域控制器之间采用ETH车载以太网进行连接，而域控制器内部则还是采用星型架构。为了保证ETH传输的可靠，还要求多个域控制器之间的ETH进行互联，组成以太环网。由于ECU演进的程度不统一，它们所采用的互联技术，可能有CAN，CAN-FD，LIN，FlexRay等各种总线。而对于Camera, 显示屏等多媒体设备来说，所传输的数据量特别大，还需要采用特殊的串行-解串器进行连接。

上图所展示的还是集成式域控制器架构。整车电子电气架构按功能进行划分，分为车身域，ADAS域，信息娱乐域，底盘域，动力域等，各域控制器之间依赖中央网关进行互联。而对于中央集成-区域控制架构来说，以上的各域控制器将集中到一个中央计算机内部。各个ECU，仍然使用CAN，LIN，FlexRay等技术。它们按汽车物理区域的划分，分别挂载到不同位置的Zone区域控制器下。此时Zone起到了一个中继节点的作用，提供了以太网到其他总线的转发功能。如下图所示：



车载以太网的要点：

1. AVB

以太网音视频桥接技术（Ethernet Audio/Video Bridging，又称“Ethernet AVB”，以下简称AVB）是一项新的IEEE802标准，其在传统以太网络的基础上，通过保障带宽（Bandwidth），限制延迟(Latency）和精确时钟同步（Time synchronization），以支持各种基于音频、视频的网络多媒体应用。AVB关注于增强传统以太网的实时音视频性能，同时又保持了100%向后兼容传统以太网，是极具发展潜力的下一代网络音视频实时传输技术。



车载以太网标准分两部分，一部分是最底层的 PHY 标准， 另一部分是链路层标准。
车载以太网 PHY 标准主要是制定单对双绞线标准，传统以太网与车载以太网最大不同是传统以太网需要 2-4 对线，车载以太网只需要一对。



2. TSN

TSN是时间敏感网络（Time-Sensitive Network）的英文缩写，是IEEE 802.1 TSN工作组开发的一系列数据链路层协议规范的统称，用于指导和开发低延迟、低抖动，并具有传输时间确定性的以太网局域网，是传统以太网在汽车等特定应用环境下的增强功能实现。

进入21世纪以后，随着以太网的普及，基于以太网的多媒体应用需求与日俱增，于是2006年IEEE成立了AVB工作组，制定了一系列新的802.11技术标准，对现有以太网进行功能扩充，包括带宽保持、限制延时和精确时钟同步，提供了高质量、低延时、时间同步的音视频局域网解决方案。

随着工业4.0概念的提出和车联网时代的到来，工业和汽车对实时以太网技术的需求迅速增长，在2012年，AVB工作组更名为TSN工作组，在继承AVB已有的技术基础上，进一步针对实时通信的应用场景，制定并提出了更多可行的技术标准，籍此在未来的工业和汽车等领域继续引领以太网技术的发展。

TSN的特点：

时钟同步

IEEE1588 协议，又称 PTP（ precise time protocol，精确时钟协议），可以达到亚微秒级别时间同步精度，于 2002 年发布 version 1，2008 年发布 version 2。它的主要原理是通过一个同步信号周期性地对网络中所有节点的时钟进行同步校正，可以使基于以太网的分布式系统达到精确同步，IEEE1588PTP 时钟同步技术也可以应用于任何组播网络中。

低延时

汽车控制数据可以分为三种，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。Scheduled Traffic， 如底盘控制数据，必须按照严格的时间要求送达。Best-effort Traffic，如娱乐系统数据，没有强制要求，可以灵活掌握。汽车行业一般要求底盘系统延迟不超过 5 毫秒，最好是 2.5 毫秒或 1 毫秒，这也是车载以太网与通用以太网最大不同之处，要求低延迟。低延迟的核心标准是 IEEE802.1Qbv 时间感知队列。



通过时间感知整形器(TAS 即 Time Aware Shaper)使 TSN 交换 机能够来控制队列流量（queued traffic），以太网帧被标识并指派给基于优先级的 VLAN Tag，每个队列在一个时间表中定义， 然后这些数据队列报文的在预定时间窗口在出口执行传输。其它队列将被锁定在规定时间窗口里。因此消除了周期性数据被非周期性数据所影响的结果。这意味着每个交换机的延迟是确定的，可知的。而在 TSN 网络的数据报文延时被得到保障。

高可靠性

TSN 中保证高可靠性主要依靠 802.1CB 标准。这也是无人驾 驶必须用 TSN 的主要原因，也只有 TSN 能让整个系统达到功能 安全的最高等级 ASIL D 级。对于ASIL D级别的设计来说，一般需要冗余备份系统。802.1CB 协议为两套系统间的冗余备份提供了交互机制。



对于非常重要的数据，802.1CB 会多发送一个数据备份， 这个备份会沿着最远离主数据路径交集的路径传输。如果两个数据都接收到，在接收端把冗余帧消除，如果只接收到一帧数据，那么就进入冗余后备模式。

3. 带宽

车载以太网线束受车内EMC等的影响，目前(2023)，通过以太网线缆传输的数据带宽仍然只有1Gbps；在中央计算平台内部的以太网交换机可以提供10Gbps的传输带宽。更大的带宽仍然需要等待技术的进一步发展。

因此，采用车载以太网仍然不能全部替代车内的传感器传输线缆，尤其是用来传输摄像头，显示屏的高速音视频传输接口。在汽车产业上，针对这类数据传输需求(高带宽，低时延，节点多)，仍然只能采用点到点式的星型结构进行互联，其采用的通信接口也正是下面所讨论到的高速音视频传输接口。
2.3 高速视频传输 (FPD-Link)

为了满足智能网联汽车对多传感器的需求，需要有高速视频传输总线来将这些传感器连接到中央计算机上。这些传感器一般为视觉摄像头或者大型液晶显示屏等。它们对通信的要求是，高带宽，低时延。通信连接类型一般是点到点的方式。例如用于高级自动辅助驾驶ADAS系统的摄像头，一般为5M的 Camera Sensor，它所需要的传输带宽高达 2.5Gbps，而这样的摄像头全车需要10多个。目前的车载以太网技术根本承载不了这样的带宽需求，因此只能考虑专用点到点的连接方式。

如下图所示，摄像头和显示屏，都通过专用的高速视频传输接口连接到中央计算平台上。其中智能座舱域控制器需要连接的是座舱内部摄像头(输入)和座舱内的显示屏(输出)。其中可能会使用到不同类型的传输接口以及线缆。



车载高速音视频传输接口还有另外一个特殊的需求，即长距离传输和车内电磁兼容性设计EMC(Electro Magnetic Compatibility)。相比起个人消费类电子设备，车载传感器所使用的连接接口工作环境可谓恶劣。首先是要考虑3-10米的传输距离。一个摄像头或者一个显示屏，与车载中央计算平台的物理距离，短则1至3米，长则可达10米，一般的数据接口根本无法满足这样长的传输距离。另一方面，车内工作环境复杂，温度高，电磁干扰大，数据传输距离增加会带来信号的衰减。因此，需要有专门的数据传输技术来满足车内高速音视频传输的需求。

FPD-Link

摄像头或者显示屏上传输的视频信号，一般都是RGB、YUV、或者raw data等图像格式的数据。按图像的数据特点来看，每个像素都由多个bit组成。在最初的图像传输接口中，采用高速并行接口来传输数据。但这样带来的问题是接插件的针数多，尺寸大，传输线缆的重量，成本都会很高；线束的安装成本也很高，长距离传输的误码率相当高，导致传输带宽受限。

因此，采用串行传输是代替这种并行传输的有效解决方法。通过把发送端的多条并行数据（包括视频和控制、语音等数据）转换成单条的串行数据，在接收端再把串行的数据转换恢复成并行视频格式和低速控制信号，就能有效解决上文所提的 “高带宽，低时延，长距离” 传输的问题 。

首先要解释一下并行传输转换为串行传输的原理。要想实现长距离的高速传输，LVDS是一种可行的技术，即低压差分信号(Low-Voltage Differential Signaling)。它是一种低功耗，低误码率，低串扰和低辐射的差分信号传输技术。它通常需要通过一对信号线，以极低的电压摆幅高速差动来传输数据。



FPD-Link是基于LVDS物理层之上的一种通信标准。它的英文全称是Flat Panel Display Link，是美国国家半导体公司(后被德州仪器TI公司收购)于1996年提出的。FPD-Link I代芯片组将宽并行的RGB总线串行化为4或5对LVDS信号。如下图所示：21根并行信号线串行化为4对LVDS信号，其中3对数据线，1对时钟线。



到了FPD-Link III的时代，TI 停止使用 LVDS 模式，而改为CML模式。它通过一对屏蔽双绞线(STP)或者一根同轴电缆(Coax)即可传输高速串行信号。它可以实现在10米的距离上传输6Gbps的数据。通过增加一对串行和解串器，在传输线上可以实现高速正向通道和低速反向通道。



正向传输通道用于以最小的延迟将串行化视频、音频或其他数据发送到端点设备。为了实现这一点， 串行器必须重新格式化其传入的数据并嵌入数据时钟，以便可以使用更少的导体将其输出。通过利用专有的回声消除技术，FPD-Link 串行器/解串器还允许通过一个物理导体进行全双工通信。

当高速数据沿正向方向从串行器传输到解串器时，低速数据也同时传输回到串行器，而无需时分复用。FPD-Link 串行器和解串器设备通过在链路的每一端连续抵消其自己的传输信号来自动建立该双向通道。反向通道通常以比正向通道数据低得多的速度运行，以便于在两侧实现适当的分离，并且可以包含有关同步设备的信息、触摸中断、控制信号、状态信息等。使用同步反向通道通信， 还可以在链路上沿正向或反向方向启用 I2C 访问或 GPIO 传输。为了补偿通道插入损耗（该损耗可能很大，具体取决于运行速度以及所用电缆的类型或长度）FPD-Link 解串器利用多种均衡技术来恢复高频信号成分并减轻码间串扰、反射或外部噪声产生的影响。

自适应均衡器

高速视频信号从串行器传输到解串器的过程中经过PCB走线、连接器和线束，这些传输介质都会衰减信号幅度，增加信号噪声，而且频率越高，被影响的程度越大。如下图所示，串行器的输出数据的眼图为左边第一幅图所示，比较清晰、干净。经过传输线以后，眼图闭合，如中间第二幅图所示。为了补偿传输介质对信号的恶化，FPD Link 器件提供了Equalizer均衡器模块。这个模块放大补偿输入信号，且对信号高频部分补偿得更多，以此来部分抵消传输通道对信号的影响。通过Equalizer之后，输入信号的眼图重新张开，如右边第三幅图所示。

由于FPD Link需要适应不同类型不同长度的线束，所以均衡器的高频增益值分多个等级，芯片会自动检测输入信号的质量，自适应地设置最佳的均衡值，这个自适应模块叫AEQ。该模块在解串器每次上电时做一次自适应补偿，所以即便线束存在老化、温漂、线束个体差异等实际差异时，AEQ 都能够自动选择出最佳的补偿等级。另外，技术人员也可以读取上电以后的AEQ 的补偿值，如果明显高于正常值，可以判断当前传输通道可能存在短路、松动、弯曲等异常情况。

AEQ内还集成有CDR（Clock Data Recovery） 电路，集成的锁相环电路锁定输入数据Incoming Data并输出降噪以后的较干净的同频率时钟Recovered Clock；同时这个干净时钟做为新的采样时钟，在Sampler上对输入数据重新采样并输出，从而达到滤除输入数据抖动、降低码间串扰、减少通道间串扰和恢复数据眼图的功能。



2.4 高速视频传输(GMSL)

为了解决未来汽车系统所面临的问题，美信(Maxim)推出了全新下一代GMSL技术，即吉比特多媒体串行链路(GMSL)串行器和解串器，用来支持未来ADAS和信息娱乐系统要求的宽带、互联复杂度和数据完整性的要求。

GMSL技术可以支持4K的数据传输流，采用同轴电缆或双绞线介质时，支持长达15米的传输距离，该产品满足业界最为严苛的EMC。支持视频的汇聚与分割，同时还集成了诊断功能，可以实时监测链路传输性能。

美信的GMSL可以支持如下多种用法：

1. 支持Video和以太网：



通过GMSL技术，可以整合高清视频和高速以太网数据传输，简化了车内的布局布线，使系统设计更为简单。

2. 支持多路Video：



针对多传感器融合，由于具备视频切割功能，所以可以使用一个串行器整合多路视频数据，然后分别送入不同的显示器。

3. 支持Camera 4通道聚合



在环视系统中，由于具有视频汇聚功能，通过GMSL四通道解串器，可以同时支持四个摄像头的传输，大大节约系统布线的困扰以及FPGA的设计成本。

串行器和解串器IC均内置扩频功能，以改善链路的电磁兼容(EMI)性，无需外部扩频时钟。串行器和解串器系列产品的互操作性允许链路两侧使用不同接口。除驱动高分辨率中央/后排显示屏和仪表盘外，GMSL SerDes也能胜任百万像素级摄像系统设计。

与FPD-Link类似，GMSL同样支持前向高速数据传输，反向低速控制信号传输等功能。因此在车载高速音视频传输接口中，通常都会选择FPD-Link或者GMSL互为供应链备份。
2.5 高速视频传输(MIPI A-Phy)

MIPI A-phy是MIPI联盟制定的，用于汽车行业的串行解串器规范。2015年中期，MIPI联盟确定了对统一的车载连接规范的需求，该规范可以满足汽车行业对高带宽，低时延，重量轻，功耗低的需求。到2020年6月，MIPI联盟宣布已经完成MIPI A-Phy V1.0的开发，这是一个用于汽车应用的长距离SerDes物理层接口。

MIPI联盟制定的其他规范，例如C-Phy，D-Phy，M-Phy，已经在消费电子类领域广泛应用；但这几个规范都只能在短距离应用，最多传输15cm。而A-Phy的设计则是为了满足跨越整个车辆距离的高速数据传输。它最大传输距离能达到15米；通过使用STP线缆，增加传输通道，A-Phy的传输速率可以超过16Gbps，甚至达到48Gbps；

采用A-Phy可以直接承载MIPI的CSI-2(用于Camera)和DSI-2(用于Display)协议，它可以分2步进行应用。

1. 采用A-Phy技术设计桥接芯片，类似于FPD-Link或者GMSL，可以为客户提供额外的其他选择。



2. 直接在Camera，Display显示屏，以及SOC主芯片内部集成A-Phy，消除桥接芯片。



上图说明了配备A-phy的Camera和配备A-phy的ECU或汽车芯片之间最简单的直接连接。消除每个端点的桥接芯片将降低成本，电缆重量，功耗和等待时间，并提高可靠性。

可以看到，A-phy不是直接跨越式的替换现有的方案，而是通过兼容性的替代现有的SerDes桥接芯片，最后实现完全不用桥接芯片的最终方案。这样的好处是平稳过渡，有利于A-phy的接受和推广。

A-phy的关键技术优势包括：

非对称优化架构。A-PHY从头开始设计，用于从摄像机/传感器到ECU以及ECU到显示器的高速非对称传输，同时为命令和控制提供并发的低速双向通信。与其他/对称架构相比，优化的非对称架构可简化设计并降低成本。

简化系统集成并降低成本：对使用MIPI CSI-2和DSI-2的设备的原生支持，最终消除了对桥接IC的需求

远距离：15米连接距离；

高性能：5档速度(2,4,8 和16Gbps)，未来48Gbps甚至更高；

端到端的功能安全：APHY+CSI2/DSI2可以支持ASILB~ASILD的功能安全；

高可靠性：超低的误码率PER,10^-19，可在车辆使用寿命内提供空前的性能

移动协议重用。在数十亿智能手机和物联网设备中成功部署后，MIPI协议已被充分证明可直接用于汽车。

纯硬件协议层。就像在使用D-PHY / C-PHY分层的移动应用程序中一样，A-PHY与CSI-2 / DSI-2协议层紧密耦合，因此基本上在仅具有硬件的协议层下运行，而无需软件干预。该体系结构与其他接口相比，后者具有更高的灵活性，并利用软件层来实现这种灵活性。

针对布线，成本和重量的优化架构。由于A-PHY的优化的非对称架构和硬件协议分层，A-PHY的实现可以满足优化的布线，成本和重量要求。随着电子组件及其接口电缆的数量在实现自主的道路上增加，这一点变得越来越重要。

其他协议的灵活链路层支持。MIPI Alliance希望与其他将其本机协议应用于汽车的组织合作。这包括VESA，它正在调整其DisplayPort协议规范以供汽车使用。为了适应这些不断发展的规范，A-PHY包括一个通用数据链路层，该层可容纳不同的协议适应层，并计划支持VESA的车载DisplayPort协议。

高EMC抗扰性。MIPI已投入大量资金来分析和测量恶劣的汽车通道，并得出结论，基于窄带干扰消除器（NBIC）和重传方案（RTS）的体系结构可提供最强大的性能，特别是对于需要更长数据速率的应用距离。

A-phy 协议：





2.6 高速视频传输(ASA)

ASA(Automotive Serdes Alliance)是汽车Serdes联盟的简称。它是由包括70多家公司联合组建的，成立于2019年5月。它的创始公司包括BMW，Continental，Broadcom and NXP等。在2020年12月，ASA发布了1.0 Spec。它是一个针对汽车内部非对称连接(例如，Camera，Display，Sensor等) 的串行-解串通信技术，称为ASA Motion Link。它的特性包括如下：

Downlink line rates up to 16Gbps (up to 64Gbps under development)

Uplink rates greater than 100Mbps

Up to 15m Coaxial and 10m SDP channels

Includes Application Stream Encapsulation Protocol (ASEPs) for Video, I2C, Ethernet L2 (GPIO, I2S, embedded DP, SPI, HDI under development)

ASA的roadmap:

1. Gen1：支持Camera和Sensor的连接：采用ASA Serdes承载CSI



2. Gen2：支持Display的连接：采用ASA Serdes承载eDP或者HDMI



三、USB

USB是汽车座舱内部通用的数据连接通道。在座舱内方便的地方设置USB 接口，可以方便驾驶员，车内乘客进行充电，连接手机，U盘，卡拉OK等应用。

使用USB插口，首先要考虑数据带宽，其次要考虑插口类型，最后要考虑是否符合车规标准要求。
3.1 带宽

USB-IF组织发布了全新的USB4 v2.0规范，带来了新一代的USB 80Gbps接口，还有全新的命名体系。

首先说回到UBS4 2.0或者说USB 80Gbps，其最主要的变化在于带宽再次翻番来到了80Gbps，这得益于新的基于PAM3信号编码机制的物理层架构，同时还有新定义的80Gbps有源数据线。在特定应用场景中，比如8K超高清显示，USB 80Gbps还可以配置为非对称编码异步传输模式，一个方向可以高达120Gbps，从而足够承载DP 2.0/2.1 UHBR20信号，另一个方向则是40Gbps。

同时USB 80Gbps升级了数据和显示协议，可以更好地利用带宽，其中数据传输支持20Gbps的高带宽，显示传输则和DP 2.0、PCIe 4.0相互打通，共享PHY物理层，从而一个接口搞定高速数据、显示。当然了，USB 80Gbps依然保持向下兼容，而且只有USB Type-C一种接口形式。

在接口的命名规则方面，USB接口将统一以传输带宽命名，USB4 v2.0对应USB 80Gbps，USB4对应USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2对应20Gbps，USB 3.2 Gen2对应USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1对应USB 5Gbps……更古老的USB 2.0、USB 1.0保持不变，因为它们的速度太慢了，还停留在Mbps数量级。如果改叫USB 480Mbps，不但麻烦还容易引起误会。



3.2 接口

USB Type-C是一种USB接口外形标准，拥有比Type-A及Type-B均小的体积，既可以应用于PC（主设备）又可以应用于外部设备（从设备，如手机）的接口类型 。USB Type-C有4对TX/RX分线，2对USBD+/D-，一对SBU，2个CC，另外还有4个VBUS和4个地线。

4* Tx/Rx ：一共4对高速信号差分线。可以传输4-lane DP信号，或者4-lane的USB 10Gbps信号；USB10Gbps信号只需要2对差分信号线(Tx+/Tx- and Rx+/Rx-) 即可传输；其他2对差分信号线是为了支持正反插而设计的。

2*D+/D-：2对USB D+/D-信号线。可以用来连接USB2.0，或者USB1.0，支持正反插。当选择使用DP+USB2.0模式时，可以支持ARVR；

2*CC：用于Power Delivery模块(简称PD)的通讯。CC线首先用来判断设备插入的方向，正插(CC1)或者反插(CC2)。

2*SBU：其他辅助用途。例如，在用于DP模式时，SBU作为DP协议中的AUX_P/AUX_N差分线，负责传输设备的DPCD，EDID等信息。

4*VBus and4*GND：用于供电。VBus提供默认的5V@500mA供电能力。但是如果需要进行快充，则额外的USB电力传输需要使用特殊的供电模块。

3.3 供电

2021年5月25日，USB-IF协会推出了USB PD3.1最新快充标准规范，其中更新了有关供电能力的章节。USB PD3.1规范将原来的USB PD3.0内容归到标准功率范围（Standard Power Range，简称SPR）里面，最大功率保持100W不变；同时增加了扩展功率范围（Extended Power Range，简称EPR），最大功率由100W扩展到240W。









从具体的实现案例来看，目前的PD芯片可以支持单口或者双口供电，并且可以实现双口动态功率调节。也就是说，假设总功率为100W，每个VBus可以分配为65W/35W。

当需要达到100W的充电功率时，一般电压会为20V，电流达到5A。15W的充电功率，电压为5V，电流为3A。
3.4 DP ALT Mode

DP ALT mode 允许通过一根电缆，使用标准的Type-C接口，承载USB2.0, USB 10Gbps, DP, VBus等信号，如下图所示应用实例：



Type-C的管脚定义如下：



在USB-IF组织发布的USB/DP ALT mode V1.0规范中，采用同一个Type-C接口，可以承载如下的信号组合：

USB 10Gbps 4lane (正反插) + USB2.0+VBus：这就是USB 10Gbps的常规连接方式；

DP 4Lane+USB2.0+VBus：这时，高速的4对lane全部给DP使用，同时支持USB2.0和供电，Aux_CH用于DP交互和信号传输质量的协商，CC用于检测识别插入：

DP 2Lane+USB3 2Lane+USB2.0+VBus：这时，2对高速差分线给DP使用，2对给USB 10Gbps使用，同时还支持USB2.0和VBus供电。

Virtual Link(非标准模式)：这种模式非USB-IF组织定义的DP ALT mode 范畴，是部分公司定义的私有协议，可用于VR应用。在这种模式下，4对高速差分线全部给DP使用，2对 USB D+/D-将被用于USB 10Gbps，当作Tx+/Tx- 和 Rx+/Rx-来使用。

如何触发DP ALT Mode

Type-C Alt Mode 大致配置流程如下：

USB 连接 通过CC侦测到；

VBUS 引脚 提供默认电源配置 5V@500mA；

VBUS 所需的额外USB电力传输可以进行协商，Battery Charge 1.2（BC 1.2）或USB PD 都可以选择；

使用 结构化 供应商定义报文（VDM） 需要USB PD 来发送来协商 Alt Mode 握手；

USB 枚举；

如果 DP Alt Mode 协商已经完成，继续进行DP link training来建立DP连接；

USB和DP通道准备就绪进行Type-C 数据和视频信号传输；

3.5 车规

在智能座舱环境下，USB Type-C接口和线缆还需要满足车规的标准。这里车规的含义，包括环境温度和接插件的稳固程度。除了暴露给用户可见的Type-C接口与消费类电子相似之外，其他与车内零部件连接的接插件和线缆都要满足车规的标准，以应对恶劣的车内环境，以及更长的使用周期限制。



一般来说，车内使用的USB接口与线缆，需要考虑如下几个因素：

传输距离：通常来说，USB 10Gbps信号线传输长度在1米到5米之间。如果超过2米，一般都要在Sink端增加Redriver芯片，否则信号眼图将会闭合，无法传输；

工作温度：接插件和线缆的工作温度要满足AEC-Q100 Grade2的标准，也就是达到-40°~+105°；

电磁屏蔽：由于车内电磁屏蔽的要求，线缆需要带屏蔽层才能保证较好的EMC电磁兼容性；

稳固程度：由于汽车运行环境存在颠簸，所以一般消费级的连接器无法应用在车内，需要考虑专用的接插器件，保证连接的稳固；

3.6 Redriver

中继器，有一个接收器和一个发射器，在接收器端，它通过它的均衡器（EQ）扮演着一个信号调节的角色。本质上讲，接收器为输入频道损耗提供补偿，如果不这么做，会导致额外的时钟抖动。经过均衡后的信号便会被发射器中继。发射器同样可以选择去加重（DE）或者预加重（PE），DE 是信号低频分量的衰减，而PE 则是高频分量的增强。这两个技术都可以预补偿中继器发射端的输出信号损耗。



当信号经过被动式的媒介比如PCB走线时，它会线性衰减。无论线路输入端信号幅度如何，PCB线路都会使它衰减一定比率。一个完善的中继器应当恰恰相反，无论其输入端的幅值如何，将信号放大一定比率。这样的中继器便是线性中继器，他的作用就是移除PCB走线的影响。

四、短距无线连接


随着汽车智能化的发展与新型电子电气架构的演进，传统车内有线通信技术存在着诸多痛点：

线束长度增加：由于智能化与自动化的发展，车内传感器和执行器均大幅增加。采用有线技术连接，则线束长度，重量，成本会带来更大影响；

线束安装困难：线束安装强依赖于人工，线束安装的成本占人工成本的50%；基于有线连接的车载部件难以灵活升级，更增加了后期的维护与升级成本；

接插件数量多：由于线束连接，导致车内接插件数量显著增加。由于车内电磁干扰等影响，一定场景下有接插件失效的危险；

因此，为了满足车辆生产制造过程中的成本控制，灵活部署，降低重量等需求，并且在座舱娱乐系统中方便用户体验，以车内短距无线连接代替部分有线连接，完成数据传输和控制功能成为发展重点。当前，电池管理系统，车载信息娱乐系统，无钥匙进入，胎压监测等车载应用出现了无线化的需求。车载应用功能对短距无线通信技术提出了“低时延，高可靠，精同步，高并发，高安全，低功耗”的要求。下面将介绍用于智能座舱的车内短距无线通信技术，而用于车云一体化和车联网的5G+V2X通信模块则暂不涉及。

4.1 Wi-Fi


Wi-Fi是IEEE 发布的802.11协议家族，其发展历程和技术原理纷繁复杂，在此不多做介绍。目前在车内座舱环境中，为了引入对用户设备无线连接的支持，以及车机手机互联的需要，智能座舱域控制器中需要增加Wi-Fi模块的支持。

802.11协议发展历程





Wi-Fi 带宽计算：

整机速率 = 空间流数量 * 1/(Symbol+GI) * 编码方式 * 码率 * 有效子载波数量

空间流数量

空间流，即Wi-Fi AP与Station之间建立的空间数据流。2*2代表有2条数据流。8*8就代表有8条空间数据流。对于发送方来说，有几条空间流，就需要有几根天线。

Symbol与GI

Symbol就是时域上的传输信号，相邻的两个Symbol之间需要有一定的空隙（GI），以避免Symbol之间的干扰。不同Wi-Fi标准下的间隙也有不同，一般来说传输速率较快时GI需要适当增大。

编码方式 (bit数/Symbol)

编码方式就是调制技术，即1个Symbol里面能承载的bit数量。从Wi-Fi 1到Wi-Fi 6，每次调制技术的提升，都能至少给每条空间流速率带来20%以上的提升。

码率

理论上应该是按照编码方式无损传输，但现实没有这么美好。传输时需要加入一些用于纠错的信息码，用冗余换取高可靠度。码率就是排除纠错码之后实际真实传输的数据码占理论值的比例。

有效子载波数量

载波类似于频域上的Symbol，一个子载波承载一个Symbol，不同调制方式及不同频宽下的子载波数量不一样。

下表给出了Wi-Fi速率的计算表格：



对于Wi-Fi6 8*8的配置来说，最大可支持空间8流，因此802.11ax在8*8的条件下，最大带宽为 1.2Gbps * 8 = 9.6Gbps；

注意，如果AP和手机建立连接，而手机只支持2*2，那么单个手机与AP的连接也只有2流，其最大速率只有2.4Gbps；有些Wi-Fi 模组支持双频并发(DBS with dual mac)，此时代表在2.4GHz 和 5G Hz两个频段上并发传输，速率标记为2*2+2*2，实际最高带宽可接近3Gbps。

4.2 BT


蓝牙 (BlueTooth) 技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口（Radio Air Interface），将通信技术与计算机技术进一步结合起来，使各种3C设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离范围内实现相互通信或操作。简单的说，蓝牙技术是一种利用低功率无线电在各种3C设备间彼此传输数据的技术。蓝牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，使用IEEE802.15协议。

蓝牙规范可分为两个层次：

Core Specification（核心规范）：用于规定蓝牙设备必须实现的通用功能和协议层次。它由软件和硬件模块组成，两个模块之间的信息和数据通过主机控制接口（HCI）的解释才能进行传递。这个是必选。

Profiles（蓝牙应用规范）：它从应用场景的角度为蓝牙技术的使用制定了不同的规范。这也是和大众日常生活接触最多的一部分。蓝牙支持很多Profiles，它是可选的。

Core Specification 包含2种技术：BR和LE，这两种技术，都包括了搜索，管理，连接等机制，但它们之间是独立发展的，因此BT设备最好能同时支持BR和LE，这样在设备进行互联时，可以根据实际需要，确保最大的兼容

1.Basic Rate (BR)

BR也称为经典蓝牙技术，它包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC层和PHY层扩展（简称AMP）。对于EDR来说，最高传输速率可以达到2.1Mbps；对于AMP来说，它借用了Wi-Fi的PHY层和MAC层，因此最高速率可以达到54Mbps。由于EDR采用的是BT自身的PHY层，而AMP采用的是Wi-Fi的MAC与PHY，因此EDR和AMP是需要交替使用的(Alternate mode)。简单的说就是两个BT设备先在EDR上完成了点对点的连接，然后再协商是否都迁移到AMP上去，以实现更高的传输速率。

2.Low Energy (LE)

LE的重点是低功耗。它主要通过几个低功耗组件来实现蓝牙设备的发现，管理，连接等功能。

GATT：表示服务器属性和客户端属性，描述了属性服务器中使用的服务层次，特点和属性。BLE设备使用它作为蓝牙低功耗应用规范的服务发现。

ATT：实现了属性客户端和服务器之间的点对点协议。ATT客户端给ATT服务器发送请求命令，ATT服务器端向ATT客户端发送回复和通知。

SMP：用于生成对等协议的加密密钥和身份密钥。SMP管理加密密钥和身份密钥的存储，它通过生成和解析设备的地址来识别蓝牙设备。

L2CAP：管理连接间隔，例如10ms同步一次。它对LL进行一次简单封装，LL只关心数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还对连接间隔进行管理。

蓝牙常用的一些Profile：

1.A2DP：

全称为 Advances Audio Distribution Profile ，高质量音频分发规范，定义了如何将立体声(Stereo)质量的音频通过流媒体的方式从媒体源传输到接收器上，A2DP使用Asynchronous Connectionless Link（ACL，蓝牙异步传输）信道传输高质量音频内容，它依赖于Generic Audio/Video Distribution Profile（GAVDP，通用音频/视频分发规范）。A2DP必须支持低复杂度及Sub-bandCodec（SBC，低带宽编解码）。A2DP有两种应用场景分别是播放和录音。

播放场景是具有蓝牙功能的播放器通过A2DP向蓝牙耳机或蓝牙立体声扬声器传送高质量音频。

录音场景是具有蓝牙功能的麦克风通过A2DP向蓝牙录音器传送高质量音频。

2.AVRCP(Audio/Vedio Remote control profile)

音视频远程控制规范，它可以控制音视频流的协议，进行暂停，播放，停止，音量控制等。AVRCP协议定义了2个角色：

Target：被控制的目标设备，接收命令并按命令响应，例如电视，手机等；

Controller：远程控制端设备，发送控制命令到Target端，例如遥控器等；

3. HFP (Hands-Free Profile)

免提通话规范。定义了蓝牙音频网关设备如何通过蓝牙免提设备拨打和接听电话。HFP包括两个角色：Audio Gateway（AG，音频网关）和Hands-Free Unit（HF，免提设备）。

AG 是音频输入和输出的设备，典型的AG设备是手机。

HF是执行音频网关的远程音频输入输出设备，如耳机或者车载音响系统。

和HFP相关的规范有Headset Profile(HSP，耳机规范)，Phonebook Access Profile(PBAP，电话簿访问规范)。

蓝牙的发展历程



4.3 UWB

UWB(Ultra Wide Band, 超宽带)技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。使用UWB技术可在非常宽的带宽上传输信号，美国联邦通信委员会（FCC）对UWB技术的规定为：在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。

UWB的特点很多，其中一个特点是定位精确。

“冲激脉冲具有很高的定位精度。采用UWB技术，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。UWB技术具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，而GPS(全球定位系统)只能工作在GPS定位卫星的可视范围之内。与GPS提供绝对地理位置不同，超宽带无线电定位器可以给出相对位置，其定位精度可达厘米级，此外，超宽带无线电定位器在价格上更为便宜。”



在智能座舱上，目前UWB有3个应用方向：

1.无钥匙进入系统



2. 汽车迎宾系统

由于UWB具有定位精确的特性，因此可以在较远的地方就能感知到携带UWB钥匙的乘客靠近。此时可以启动相对应的迎宾系统，给用户以更佳的体验感受。

3. 车内儿童检测

欧洲NCAP计划从2023年1月起增加对车内儿童存在检测的评分，各项规定非常细致。美国正在立法要求所有新车预装儿童存在检测功能，预计在2025年全面实施。据说国内相关规范也在评估制订中。

“将儿童单独留在停放的车内，即使只有几分钟，也可能导致中暑和死亡，尤其是当汽车暴露在阳光下时。儿童无法自行下车，再加上对高温的耐受性较低，因此要求儿童不得留在车内无人看管。温度可以在短短15分钟内达到临界水平，让窗户半开着几乎不能减少威胁。与车祸相比，儿童死于车辆相关中暑的情况较少发生，但这些完全可以避免的死亡的性质值得特别关注，因为解决车内儿童体温过高问题的技术已经存在。”以上文字来自欧洲NCAP关于儿童存在检测的测试与评估标准的直接翻译。

用于车内儿童检测的技术，直接传感器方式有摄像头，毫米波雷达，UWB雷达等几种方式。



UWB雷达发射UWB脉冲信号，并接收该脉冲信号经障碍物反射后的回波，通过对回波扰动的分析来判断UWB雷达附近是否存在物体（或人）。具体来讲，UWB雷达通过接收到的CIR（Channel Impulse Response信道脉冲响应）来探测周围物体及其运动。可以通过它来检测儿童的呼吸，心跳等。

相比摄像头，UWB雷达没有隐私风险，可以穿透毯子，后向安全座椅等。相比毫米波雷达，它的成本相对较低，且没有无线电合规的风险。

根据2021年11月我国工信部颁布的《汽车雷达无线电管理暂行规定》：24G毫米波雷达已经禁止在新车上使用；77G毫米波雷达主要用于自适应巡航、防撞、盲点探测等应用；60G毫米波虽是目前舱内雷达使用的主要频段，但工信部本次规定尚未包含对60GHz频段的说明。

4.4 星闪SparkLink


星闪无线短距通信技术SparkLink，主要由星闪联盟制定和发布。针对包括汽车领域在内的关键应用场景及其需求，定义了从接入层到基础应用层的端到端标准体系。

星闪技术提供SLB（SparkLink Basic，星闪基础接入技术）和SLE（Sparklink Low Energy，星闪低功耗接入技术）两种无线通信接口。

一方面，SLB支持20s的单向时延、99.999%的传输可靠性和1s的同步精度，主要用于承载以车载主动降噪、无线投屏、工业机械运动控制等为代表的业务场景，其显著特征是低时延、高可靠、精同步和高并发等。



另一方面，SLE支持250s的双向交互、低至-110dBm的接收机灵敏度和多达256个用户的并发接入，主要用于承载包括耳机音频传输、无线电池管理系统、工业数据采集在内的具备低功耗要求的业务场景。



在汽车领域，星闪技术的主要应用场景有：

车载主动降噪

无钥匙进入

车载免提通话

车机手机互联

无线电池管理系统

营运车辆全景环视

无线氛围灯

文章来源：智能座舱研究