詳解智能座艙關鍵通信技術

一、介紹

智能座艙控制器CDC掛載在以太網交換機上，與其他車控域VDC，自駕域ADC，網聯設備5G+V2X等通過以太網實現數據交互。而智能座艙域的外部硬件設備還包含有連接子系統，音頻子系統，攝像頭子系統，顯示子系統，存儲子系統，功能安全子系統等。作為CDC的無線連接子模塊，Wi-Fi/BT 模塊位于CDC內部。這些子系統共同組成了智能座艙域的硬件平臺。

如上圖，是中央計算-區域控制架構下的智能座艙硬件平臺框架圖

二、有線連接技術

2.1 車載CAN總線

CAN（Controller Area Network）控制器局域網，是BOSCH為了解決車輛增加的信號傳輸首先提出，也是ISO國際標準化的串行通信協議。

CAN的特點：

多主控制：類似廣播式，在總線空閑時，所有單元都可以向總線發送報文，通過逐位仲裁來識別報文ID（標識符）的優先級，優先級高的獲得發送權。

系統的柔軟性：與總線相連的單元沒有類似于“地址”的信息，因此在總線上增加單元時，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應用層都不需要改變。

遠程數據請求：可通過發送“遙控幀”請求其他單元發送數據。

錯誤檢測功能、錯誤通知功能、錯誤恢復功能：所有單元都可以檢測錯誤，檢測出的錯誤會立即通知其他所有的單元，正在發送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結束當前的發送，強制結束發送的單元會不斷反復地重新發送直到成功發送為止。

故障封閉：CAN可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數據錯誤還是持續的數據錯誤（如單元內部故障、驅動器故障、斷線等），由此功能，當總線上發生持續數據錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。

連接：總線上連接的單元數量受總線上的時間延遲及電氣負載的限制。降低通信速度，可連接的單元數增加，提高通信速度，可連接的單元數減少。

CAN BUS多用于工控和汽車領域，它結構簡單，可靠性高。可以采用兩根線進行傳輸，具有實時性強、傳輸距離較遠、抗電磁干擾能力強、成本低等優點。在分布式的汽車電子電氣架構中，CAN總線是用來進行ECU之間互聯的主要通訊總線。來看一個CAN總線在汽車上的應用例子：

2.2 車載以太網

車載以太網的大規模應用，實際上是隨著汽車的電動化，智能化發展而來的。在分布式的EEA時代，各ECU之間需要相互傳輸的信號量極少，使用CAN總線即可實現互聯。當汽車進入智能化時代，EEA架構向中央計算-區域控制方向演進。由于汽車內使用的傳感器越來越多，傳輸的數據量越來越大，所需帶寬也越來越多，因此需要有新的網絡互聯技術來支撐這一變化。

為了滿足中央計算機與區域控制器之間的互聯要求，車載以太網被認為是一個合適的解決方案。

如上圖所示，各個域控制器之間采用ETH車載以太網進行連接，而域控制器內部則還是采用星型架構。為了保證ETH傳輸的可靠，還要求多個域控制器之間的ETH進行互聯，組成以太環網。由于ECU演進的程度不統一，它們所采用的互聯技術，可能有CAN，CAN-FD，LIN，FlexRay等各種總線。而對于Camera, 顯示屏等多媒體設備來說，所傳輸的數據量特別大，還需要采用特殊的串行-解串器進行連接。

上圖所展示的還是集成式域控制器架構。整車電子電氣架構按功能進行劃分，分為車身域，ADAS域，信息娛樂域，底盤域，動力域等，各域控制器之間依賴中央網關進行互聯。而對于中央集成-區域控制架構來說，以上的各域控制器將集中到一個中央計算機內部。各個ECU，仍然使用CAN，LIN，FlexRay等技術。它們按汽車物理區域的劃分，分別掛載到不同位置的Zone區域控制器下。此時Zone起到了一個中繼節點的作用，提供了以太網到其他總線的轉發功能。如下圖所示：

車載以太網的要點：

1. AVB

以太網音視頻橋接技術（Ethernet Audio/Video Bridging，又稱“Ethernet AVB”，以下簡稱AVB）是一項新的IEEE802標準，其在傳統以太網絡的基礎上，通過保障帶寬（Bandwidth），限制延遲(Latency）和精確時鐘同步（Time synchronization），以支持各種基于音頻、視頻的網絡多媒體應用。AVB關注于增強傳統以太網的實時音視頻性能，同時又保持了100%向后兼容傳統以太網，是極具發展潛力的下一代網絡音視頻實時傳輸技術。

車載以太網標準分兩部分，一部分是最底層的 PHY 標準，另一部分是鏈路層標準。

車載以太網 PHY 標準主要是制定單對雙絞線標準，傳統以太網與車載以太網最大不同是傳統以太網需要 2-4 對線，車載以太網只需要一對。

2. TSN

TSN是時間敏感網絡（Time-Sensitive Network）的英文縮寫，是IEEE 802.1 TSN工作組開發的一系列數據鏈路層協議規范的統稱，用于指導和開發低延遲、低抖動，并具有傳輸時間確定性的以太網局域網，是傳統以太網在汽車等特定應用環境下的增強功能實現。

進入21世紀以后，隨著以太網的普及，基于以太網的多媒體應用需求與日俱增，于是2006年IEEE成立了AVB工作組，制定了一系列新的802.11技術標準，對現有以太網進行功能擴充，包括帶寬保持、限制延時和精確時鐘同步，提供了高質量、低延時、時間同步的音視頻局域網解決方案。

隨著工業4.0概念的提出和車聯網時代的到來，工業和汽車對實時以太網技術的需求迅速增長，在2012年，AVB工作組更名為TSN工作組，在繼承AVB已有的技術基礎上，進一步針對實時通信的應用場景，制定并提出了更多可行的技術標準，籍此在未來的工業和汽車等領域繼續引領以太網技術的發展。

TSN的特點：

時鐘同步

IEEE1588 協議，又稱 PTP（ precise time protocol，精確時鐘協議），可以達到亞微秒級別時間同步精度，于 2002 年發布 version 1，2008 年發布 version 2。它的主要原理是通過一個同步信號周期性地對網絡中所有節點的時鐘進行同步校正，可以使基于以太網的分布式系統達到精確同步，IEEE1588PTP 時鐘同步技術也可以應用于任何組播網絡中。

低延時

汽車控制數據可以分為三種，Scheduled Traffic、Reserved Traffic、Best-effort Traffic。Scheduled Traffic，如底盤控制數據，必須按照嚴格的時間要求送達。Best-effort Traffic，如娛樂系統數據，沒有強制要求，可以靈活掌握。汽車行業一般要求底盤系統延遲不超過 5 毫秒，最好是 2.5 毫秒或 1 毫秒，這也是車載以太網與通用以太網最大不同之處，要求低延遲。低延遲的核心標準是 IEEE802.1Qbv 時間感知隊列。

通過時間感知整形器(TAS 即 Time Aware Shaper)使 TSN 交換機能夠來控制隊列流量（queued traffic），以太網幀被標識并指派給基于優先級的 VLAN Tag，每個隊列在一個時間表中定義，然后這些數據隊列報文的在預定時間窗口在出口執行傳輸。其它隊列將被鎖定在規定時間窗口里。因此消除了周期性數據被非周期性數據所影響的結果。這意味著每個交換機的延遲是確定的，可知的。而在 TSN 網絡的數據報文延時被得到保障。

高可靠性

TSN 中保證高可靠性主要依靠 802.1CB 標準。這也是無人駕駛必須用 TSN 的主要原因，也只有 TSN 能讓整個系統達到功能安全的最高等級 ASIL D 級。對于ASIL D級別的設計來說，一般需要冗余備份系統。802.1CB 協議為兩套系統間的冗余備份提供了交互機制。

對于非常重要的數據，802.1CB 會多發送一個數據備份，這個備份會沿著最遠離主數據路徑交集的路徑傳輸。如果兩個數據都接收到，在接收端把冗余幀消除，如果只接收到一幀數據，那么就進入冗余后備模式。

3. 帶寬

車載以太網線束受車內EMC等的影響，目前(2023)，通過以太網線纜傳輸的數據帶寬仍然只有1Gbps；在中央計算平臺內部的以太網交換機可以提供10Gbps的傳輸帶寬。更大的帶寬仍然需要等待技術的進一步發展。

因此，采用車載以太網仍然不能全部替代車內的傳感器傳輸線纜，尤其是用來傳輸攝像頭，顯示屏的高速音視頻傳輸接口。在汽車產業上，針對這類數據傳輸需求(高帶寬，低時延，節點多)，仍然只能采用點到點式的星型結構進行互聯，其采用的通信接口也正是下面所討論到的高速音視頻傳輸接口。

2.3 高速視頻傳輸 (FPD-Link)

為了滿足智能網聯汽車對多傳感器的需求，需要有高速視頻傳輸總線來將這些傳感器連接到中央計算機上。這些傳感器一般為視覺攝像頭或者大型液晶顯示屏等。它們對通信的要求是，高帶寬，低時延。通信連接類型一般是點到點的方式。例如用于高級自動輔助駕駛ADAS系統的攝像頭，一般為5M的 Camera Sensor，它所需要的傳輸帶寬高達 2.5Gbps，而這樣的攝像頭全車需要10多個。目前的車載以太網技術根本承載不了這樣的帶寬需求，因此只能考慮專用點到點的連接方式。

如下圖所示，攝像頭和顯示屏，都通過專用的高速視頻傳輸接口連接到中央計算平臺上。其中智能座艙域控制器需要連接的是座艙內部攝像頭(輸入)和座艙內的顯示屏(輸出)。其中可能會使用到不同類型的傳輸接口以及線纜。

車載高速音視頻傳輸接口還有另外一個特殊的需求，即長距離傳輸和車內電磁兼容性設計EMC(Electro Magnetic Compatibility)。相比起個人消費類電子設備，車載傳感器所使用的連接接口工作環境可謂惡劣。首先是要考慮3-10米的傳輸距離。一個攝像頭或者一個顯示屏，與車載中央計算平臺的物理距離，短則1至3米，長則可達10米，一般的數據接口根本無法滿足這樣長的傳輸距離。另一方面，車內工作環境復雜，溫度高，電磁干擾大，數據傳輸距離增加會帶來信號的衰減。因此，需要有專門的數據傳輸技術來滿足車內高速音視頻傳輸的需求。

FPD-Link

攝像頭或者顯示屏上傳輸的視頻信號，一般都是RGB、YUV、或者raw data等圖像格式的數據。按圖像的數據特點來看，每個像素都由多個bit組成。在最初的圖像傳輸接口中，采用高速并行接口來傳輸數據。但這樣帶來的問題是接插件的針數多，尺寸大，傳輸線纜的重量，成本都會很高；線束的安裝成本也很高，長距離傳輸的誤碼率相當高，導致傳輸帶寬受限。

因此，采用串行傳輸是代替這種并行傳輸的有效解決方法。通過把發送端的多條并行數據（包括視頻和控制、語音等數據）轉換成單條的串行數據，在接收端再把串行的數據轉換恢復成并行視頻格式和低速控制信號，就能有效解決上文所提的 “高帶寬，低時延，長距離” 傳輸的問題。

首先要解釋一下并行傳輸轉換為串行傳輸的原理。要想實現長距離的高速傳輸，LVDS是一種可行的技術，即低壓差分信號(Low-Voltage Differential Signaling)。它是一種低功耗，低誤碼率，低串擾和低輻射的差分信號傳輸技術。它通常需要通過一對信號線，以極低的電壓擺幅高速差動來傳輸數據。

FPD-Link是基于LVDS物理層之上的一種通信標準。它的英文全稱是Flat Panel Display Link，是美國國家半導體公司(后被德州儀器TI公司收購)于1996年提出的。FPD-Link I代芯片組將寬并行的RGB總線串行化為4或5對LVDS信號。如下圖所示：21根并行信號線串行化為4對LVDS信號，其中3對數據線，1對時鐘線。

到了FPD-Link III的時代，TI 停止使用 LVDS 模式，而改為CML模式。它通過一對屏蔽雙絞線(STP)或者一根同軸電纜(Coax)即可傳輸高速串行信號。它可以實現在10米的距離上傳輸6Gbps的數據。通過增加一對串行和解串器，在傳輸線上可以實現高速正向通道和低速反向通道。

正向傳輸通道用于以最小的延遲將串行化視頻、音頻或其他數據發送到端點設備。為了實現這一點，串行器必須重新格式化其傳入的數據并嵌入數據時鐘，以便可以使用更少的導體將其輸出。通過利用專有的回聲消除技術，FPD-Link 串行器/解串器還允許通過一個物理導體進行全雙工通信。

當高速數據沿正向方向從串行器傳輸到解串器時，低速數據也同時傳輸回到串行器，而無需時分復用。FPD-Link 串行器和解串器設備通過在鏈路的每一端連續抵消其自己的傳輸信號來自動建立該雙向通道。反向通道通常以比正向通道數據低得多的速度運行，以便于在兩側實現適當的分離，并且可以包含有關同步設備的信息、觸摸中斷、控制信號、狀態信息等。使用同步反向通道通信，還可以在鏈路上沿正向或反向方向啟用 I2C 訪問或 GPIO 傳輸。為了補償通道插入損耗（該損耗可能很大，具體取決于運行速度以及所用電纜的類型或長度）FPD-Link 解串器利用多種均衡技術來恢復高頻信號成分并減輕碼間串擾、反射或外部噪聲產生的影響。

自適應均衡器

高速視頻信號從串行器傳輸到解串器的過程中經過PCB走線、連接器和線束，這些傳輸介質都會衰減信號幅度，增加信號噪聲，而且頻率越高，被影響的程度越大。如下圖所示，串行器的輸出數據的眼圖為左邊第一幅圖所示，比較清晰、干凈。經過傳輸線以后，眼圖閉合，如中間第二幅圖所示。為了補償傳輸介質對信號的惡化，FPD Link 器件提供了Equalizer均衡器模塊。這個模塊放大補償輸入信號，且對信號高頻部分補償得更多，以此來部分抵消傳輸通道對信號的影響。通過Equalizer之后，輸入信號的眼圖重新張開，如右邊第三幅圖所示。

由于FPD Link需要適應不同類型不同長度的線束，所以均衡器的高頻增益值分多個等級，芯片會自動檢測輸入信號的質量，自適應地設置最佳的均衡值，這個自適應模塊叫AEQ。該模塊在解串器每次上電時做一次自適應補償，所以即便線束存在老化、溫漂、線束個體差異等實際差異時，AEQ 都能夠自動選擇出最佳的補償等級。另外，技術人員也可以讀取上電以后的AEQ 的補償值，如果明顯高于正常值，可以判斷當前傳輸通道可能存在短路、松動、彎曲等異常情況。

AEQ內還集成有CDR（Clock Data Recovery）電路，集成的鎖相環電路鎖定輸入數據Incoming Data并輸出降噪以后的較干凈的同頻率時鐘Recovered Clock；同時這個干凈時鐘做為新的采樣時鐘，在Sampler上對輸入數據重新采樣并輸出，從而達到濾除輸入數據抖動、降低碼間串擾、減少通道間串擾和恢復數據眼圖的功能。

2.4 高速視頻傳輸(GMSL)

為了解決未來汽車系統所面臨的問題，美信(Maxim)推出了全新下一代GMSL技術，即吉比特多媒體串行鏈路(GMSL)串行器和解串器，用來支持未來ADAS和信息娛樂系統要求的寬帶、互聯復雜度和數據完整性的要求。

GMSL技術可以支持4K的數據傳輸流，采用同軸電纜或雙絞線介質時，支持長達15米的傳輸距離，該產品滿足業界最為嚴苛的EMC。支持視頻的匯聚與分割，同時還集成了診斷功能，可以實時監測鏈路傳輸性能。

美信的GMSL可以支持如下多種用法：

1. 支持Video和以太網：

通過GMSL技術，可以整合高清視頻和高速以太網數據傳輸，簡化了車內的布局布線，使系統設計更為簡單。

2. 支持多路Video：

針對多傳感器融合，由于具備視頻切割功能，所以可以使用一個串行器整合多路視頻數據，然后分別送入不同的顯示器。

3. 支持Camera 4通道聚合

在環視系統中，由于具有視頻匯聚功能，通過GMSL四通道解串器，可以同時支持四個攝像頭的傳輸，大大節約系統布線的困擾以及FPGA的設計成本。

串行器和解串器IC均內置擴頻功能，以改善鏈路的電磁兼容(EMI)性，無需外部擴頻時鐘。串行器和解串器系列產品的互操作性允許鏈路兩側使用不同接口。除驅動高分辨率中央/后排顯示屏和儀表盤外，GMSL SerDes也能勝任百萬像素級攝像系統設計。

與FPD-Link類似，GMSL同樣支持前向高速數據傳輸，反向低速控制信號傳輸等功能。因此在車載高速音視頻傳輸接口中，通常都會選擇FPD-Link或者GMSL互為供應鏈備份。

2.5 高速視頻傳輸(MIPI A-Phy)

MIPI A-phy是MIPI聯盟制定的，用于汽車行業的串行解串器規范。2015年中期，MIPI聯盟確定了對統一的車載連接規范的需求，該規范可以滿足汽車行業對高帶寬，低時延，重量輕，功耗低的需求。到2020年6月，MIPI聯盟宣布已經完成MIPI A-Phy V1.0的開發，這是一個用于汽車應用的長距離SerDes物理層接口。

MIPI聯盟制定的其他規范，例如C-Phy，D-Phy，M-Phy，已經在消費電子類領域廣泛應用；但這幾個規范都只能在短距離應用，最多傳輸15cm。而A-Phy的設計則是為了滿足跨越整個車輛距離的高速數據傳輸。它最大傳輸距離能達到15米；通過使用STP線纜，增加傳輸通道，A-Phy的傳輸速率可以超過16Gbps，甚至達到48Gbps；

采用A-Phy可以直接承載MIPI的CSI-2(用于Camera)和DSI-2(用于Display)協議，它可以分2步進行應用。

1. 采用A-Phy技術設計橋接芯片，類似于FPD-Link或者GMSL，可以為客戶提供額外的其他選擇。

2. 直接在Camera，Display顯示屏，以及SOC主芯片內部集成A-Phy，消除橋接芯片。

上圖說明了配備A-phy的Camera和配備A-phy的ECU或汽車芯片之間最簡單的直接連接。消除每個端點的橋接芯片將降低成本，電纜重量，功耗和等待時間，并提高可靠性。

可以看到，A-phy不是直接跨越式的替換現有的方案，而是通過兼容性的替代現有的SerDes橋接芯片，最后實現完全不用橋接芯片的最終方案。這樣的好處是平穩過渡，有利于A-phy的接受和推廣。

A-phy的關鍵技術優勢包括：

非對稱優化架構。A-PHY從頭開始設計，用于從攝像機/傳感器到ECU以及ECU到顯示器的高速非對稱傳輸，同時為命令和控制提供并發的低速雙向通信。與其他/對稱架構相比，優化的非對稱架構可簡化設計并降低成本。

簡化系統集成并降低成本：對使用MIPI CSI-2和DSI-2的設備的原生支持，最終消除了對橋接IC的需求

遠距離：15米連接距離；

高性能：5檔速度(2,4,8 和16Gbps)，未來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：超低的誤碼率PER,10^-19，可在車輛使用壽命內提供空前的性能

移動協議重用。在數十億智能手機和物聯網設備中成功部署后，MIPI協議已被充分證明可直接用于汽車。

純硬件協議層。就像在使用D-PHY / C-PHY分層的移動應用程序中一樣，A-PHY與CSI-2 / DSI-2協議層緊密耦合，因此基本上在僅具有硬件的協議層下運行，而無需軟件干預。該體系結構與其他接口相比，后者具有更高的靈活性，并利用軟件層來實現這種靈活性。

針對布線，成本和重量的優化架構。由于A-PHY的優化的非對稱架構和硬件協議分層，A-PHY的實現可以滿足優化的布線，成本和重量要求。隨著電子組件及其接口電纜的數量在實現自主的道路上增加，這一點變得越來越重要。

其他協議的靈活鏈路層支持。MIPI Alliance希望與其他將其本機協議應用于汽車的組織合作。這包括VESA，它正在調整其DisplayPort協議規范以供汽車使用。為了適應這些不斷發展的規范，A-PHY包括一個通用數據鏈路層，該層可容納不同的協議適應層，并計劃支持VESA的車載DisplayPort協議。

高EMC抗擾性。MIPI已投入大量資金來分析和測量惡劣的汽車通道，并得出結論，基于窄帶干擾消除器（NBIC）和重傳方案（RTS）的體系結構可提供最強大的性能，特別是對于需要更長數據速率的應用距離。

A-phy 協議：

2.6 高速視頻傳輸(ASA)

ASA(Automotive Serdes Alliance)是汽車Serdes聯盟的簡稱。它是由包括70多家公司聯合組建的，成立于2019年5月。它的創始公司包括BMW，Continental，Broadcom and NXP等。在2020年12月，ASA發布了1.0 Spec。它是一個針對汽車內部非對稱連接(例如，Camera，Display，Sensor等) 的串行-解串通信技術，稱為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的連接：采用ASA Serdes承載CSI

2. Gen2：支持Display的連接：采用ASA Serdes承載eDP或者HDMI

三、USB

USB是汽車座艙內部通用的數據連接通道。在座艙內方便的地方設置USB 接口，可以方便駕駛員，車內乘客進行充電，連接手機，U盤，卡拉OK等應用。

使用USB插口，首先要考慮數據帶寬，其次要考慮插口類型，最后要考慮是否符合車規標準要求。

3.1 帶寬

USB-IF組織發布了全新的USB4 v2.0規范，帶來了新一代的USB 80Gbps接口，還有全新的命名體系。

首先說回到UBS4 2.0或者說USB 80Gbps，其最主要的變化在于帶寬再次翻番來到了80Gbps，這得益于新的基于PAM3信號編碼機制的物理層架構，同時還有新定義的80Gbps有源數據線。在特定應用場景中，比如8K超高清顯示，USB 80Gbps還可以配置為非對稱編碼異步傳輸模式，一個方向可以高達120Gbps，從而足夠承載DP 2.0/2.1 UHBR20信號，另一個方向則是40Gbps。

同時USB 80Gbps升級了數據和顯示協議，可以更好地利用帶寬，其中數據傳輸支持20Gbps的高帶寬，顯示傳輸則和DP 2.0、PCIe 4.0相互打通，共享PHY物理層，從而一個接口搞定高速數據、顯示。當然了，USB 80Gbps依然保持向下兼容，而且只有USB Type-C一種接口形式。

在接口的命名規則方面，USB接口將統一以傳輸帶寬命名，USB4 v2.0對應USB 80Gbps，USB4對應USB 40Gbps，USB 3.2 Gen2x2對應20Gbps，USB 3.2 Gen2對應USB 10Gbps，USB 3.2 Gen1對應USB 5Gbps……更古老的USB 2.0、USB 1.0保持不變，因為它們的速度太慢了，還停留在Mbps數量級。如果改叫USB 480Mbps，不但麻煩還容易引起誤會。

3.2 接口

USB Type-C是一種USB接口外形標準，擁有比Type-A及Type-B均小的體積，既可以應用于PC（主設備）又可以應用于外部設備（從設備，如手機）的接口類型。USB Type-C有4對TX/RX分線，2對USBD+/D-，一對SBU，2個CC，另外還有4個VBUS和4個地線。

4* Tx/Rx ：一共4對高速信號差分線。可以傳輸4-lane DP信號，或者4-lane的USB 10Gbps信號；USB10Gbps信號只需要2對差分信號線(Tx+/Tx- and Rx+/Rx-) 即可傳輸；其他2對差分信號線是為了支持正反插而設計的。

2*D+/D-：2對USB D+/D-信號線。可以用來連接USB2.0，或者USB1.0，支持正反插。當選擇使用DP+USB2.0模式時，可以支持ARVR；

2*CC：用于Power Delivery模塊(簡稱PD)的通訊。CC線首先用來判斷設備插入的方向，正插(CC1)或者反插(CC2)。

2*SBU：其他輔助用途。例如，在用于DP模式時，SBU作為DP協議中的AUX_P/AUX_N差分線，負責傳輸設備的DPCD，EDID等信息。

4*VBus and4*GND：用于供電。VBus提供默認的5V@500mA供電能力。但是如果需要進行快充，則額外的USB電力傳輸需要使用特殊的供電模塊。

3.3 供電

2021年5月25日，USB-IF協會推出了USB PD3.1最新快充標準規范，其中更新了有關供電能力的章節。USB PD3.1規范將原來的USB PD3.0內容歸到標準功率范圍（Standard Power Range，簡稱SPR）里面，最大功率保持100W不變；同時增加了擴展功率范圍（Extended Power Range，簡稱EPR），最大功率由100W擴展到240W。

從具體的實現案例來看，目前的PD芯片可以支持單口或者雙口供電，并且可以實現雙口動態功率調節。也就是說，假設總功率為100W，每個VBus可以分配為65W/35W。

當需要達到100W的充電功率時，一般電壓會為20V，電流達到5A。15W的充電功率，電壓為5V，電流為3A。

3.4 DP ALT Mode

DP ALT mode 允許通過一根電纜，使用標準的Type-C接口，承載USB2.0, USB 10Gbps, DP, VBus等信號，如下圖所示應用實例：

Type-C的管腳定義如下：

在USB-IF組織發布的USB/DP ALT mode V1.0規范中，采用同一個Type-C接口，可以承載如下的信號組合：

USB 10Gbps 4lane (正反插) + USB2.0+VBus：這就是USB 10Gbps的常規連接方式；

DP 4Lane+USB2.0+VBus：這時，高速的4對lane全部給DP使用，同時支持USB2.0和供電，Aux_CH用于DP交互和信號傳輸質量的協商，CC用于檢測識別插入：

DP 2Lane+USB3 2Lane+USB2.0+VBus：這時，2對高速差分線給DP使用，2對給USB 10Gbps使用，同時還支持USB2.0和VBus供電。

Virtual Link(非標準模式)：這種模式非USB-IF組織定義的DP ALT mode 范疇，是部分公司定義的私有協議，可用于VR應用。在這種模式下，4對高速差分線全部給DP使用，2對 USB D+/D-將被用于USB 10Gbps，當作Tx+/Tx- 和 Rx+/Rx-來使用。

如何觸發DP ALT Mode

Type-C Alt Mode 大致配置流程如下：

USB 連接通過CC偵測到；

VBUS 引腳提供默認電源配置 5V@500mA；

VBUS 所需的額外USB電力傳輸可以進行協商，Battery Charge 1.2（BC 1.2）或USB PD 都可以選擇；

使用結構化供應商定義報文（VDM）需要USB PD 來發送來協商 Alt Mode 握手；

USB 枚舉；

如果 DP Alt Mode 協商已經完成，繼續進行DP link training來建立DP連接；

USB和DP通道準備就緒進行Type-C 數據和視頻信號傳輸；

3.5 車規

在智能座艙環境下，USB Type-C接口和線纜還需要滿足車規的標準。這里車規的含義，包括環境溫度和接插件的穩固程度。除了暴露給用戶可見的Type-C接口與消費類電子相似之外，其他與車內零部件連接的接插件和線纜都要滿足車規的標準，以應對惡劣的車內環境，以及更長的使用周期限制。

一般來說，車內使用的USB接口與線纜，需要考慮如下幾個因素：

傳輸距離：通常來說，USB 10Gbps信號線傳輸長度在1米到5米之間。如果超過2米，一般都要在Sink端增加Redriver芯片，否則信號眼圖將會閉合，無法傳輸；

工作溫度：接插件和線纜的工作溫度要滿足AEC-Q100 Grade2的標準，也就是達到-40°~+105°；

電磁屏蔽：由于車內電磁屏蔽的要求，線纜需要帶屏蔽層才能保證較好的EMC電磁兼容性；

穩固程度：由于汽車運行環境存在顛簸，所以一般消費級的連接器無法應用在車內，需要考慮專用的接插器件，保證連接的穩固；

3.6 Redriver

中繼器，有一個接收器和一個發射器，在接收器端，它通過它的均衡器（EQ）扮演著一個信號調節的角色。本質上講，接收器為輸入頻道損耗提供補償，如果不這么做，會導致額外的時鐘抖動。經過均衡后的信號便會被發射器中繼。發射器同樣可以選擇去加重（DE）或者預加重（PE），DE 是信號低頻分量的衰減，而PE 則是高頻分量的增強。這兩個技術都可以預補償中繼器發射端的輸出信號損耗。

當信號經過被動式的媒介比如PCB走線時，它會線性衰減。無論線路輸入端信號幅度如何，PCB線路都會使它衰減一定比率。一個完善的中繼器應當恰恰相反，無論其輸入端的幅值如何，將信號放大一定比率。這樣的中繼器便是線性中繼器，他的作用就是移除PCB走線的影響。

四、短距無線連接

隨著汽車智能化的發展與新型電子電氣架構的演進，傳統車內有線通信技術存在著諸多痛點：

線束長度增加：由于智能化與自動化的發展，車內傳感器和執行器均大幅增加。采用有線技術連接，則線束長度，重量，成本會帶來更大影響；

線束安裝困難：線束安裝強依賴于人工，線束安裝的成本占人工成本的50%；基于有線連接的車載部件難以靈活升級，更增加了后期的維護與升級成本；

接插件數量多：由于線束連接，導致車內接插件數量顯著增加。由于車內電磁干擾等影響，一定場景下有接插件失效的危險；

因此，為了滿足車輛生產制造過程中的成本控制，靈活部署，降低重量等需求，并且在座艙娛樂系統中方便用戶體驗，以車內短距無線連接代替部分有線連接，完成數據傳輸和控制功能成為發展重點。當前，電池管理系統，車載信息娛樂系統，無鑰匙進入，胎壓監測等車載應用出現了無線化的需求。車載應用功能對短距無線通信技術提出了“低時延，高可靠，精同步，高并發，高安全，低功耗”的要求。下面將介紹用于智能座艙的車內短距無線通信技術，而用于車云一體化和車聯網的5G+V2X通信模塊則暫不涉及。

4.1 Wi-Fi

Wi-Fi是IEEE 發布的802.11協議家族，其發展歷程和技術原理紛繁復雜，在此不多做介紹。目前在車內座艙環境中，為了引入對用戶設備無線連接的支持，以及車機手機互聯的需要，智能座艙域控制器中需要增加Wi-Fi模塊的支持。

802.11協議發展歷程

Wi-Fi 帶寬計算：

整機速率 = 空間流數量 * 1/(Symbol+GI) * 編碼方式 * 碼率 * 有效子載波數量

空間流數量

空間流，即Wi-Fi AP與Station之間建立的空間數據流。2*2代表有2條數據流。8*8就代表有8條空間數據流。對于發送方來說，有幾條空間流，就需要有幾根天線。

Symbol與GI

Symbol就是時域上的傳輸信號，相鄰的兩個Symbol之間需要有一定的空隙（GI），以避免Symbol之間的干擾。不同Wi-Fi標準下的間隙也有不同，一般來說傳輸速率較快時GI需要適當增大。

編碼方式 (bit數/Symbol)

編碼方式就是調制技術，即1個Symbol里面能承載的bit數量。從Wi-Fi 1到Wi-Fi 6，每次調制技術的提升，都能至少給每條空間流速率帶來20%以上的提升。

碼率

理論上應該是按照編碼方式無損傳輸，但現實沒有這么美好。傳輸時需要加入一些用于糾錯的信息碼，用冗余換取高可靠度。碼率就是排除糾錯碼之后實際真實傳輸的數據碼占理論值的比例。

有效子載波數量

載波類似于頻域上的Symbol，一個子載波承載一個Symbol，不同調制方式及不同頻寬下的子載波數量不一樣。

下表給出了Wi-Fi速率的計算表格：

對于Wi-Fi6 8*8的配置來說，最大可支持空間8流，因此802.11ax在8*8的條件下，最大帶寬為 1.2Gbps * 8 = 9.6Gbps；

注意，如果AP和手機建立連接，而手機只支持2*2，那么單個手機與AP的連接也只有2流，其最大速率只有2.4Gbps；有些Wi-Fi 模組支持雙頻并發(DBS with dual mac)，此時代表在2.4GHz 和 5G Hz兩個頻段上并發傳輸，速率標記為2*2+2*2，實際最高帶寬可接近3Gbps。

4.2 BT

藍牙 (BlueTooth) 技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，它以低成本的近距離無線連接為基礎，為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface），將通信技術與計算機技術進一步結合起來，使各種3C設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下，能在近距離范圍內實現相互通信或操作。簡單的說，藍牙技術是一種利用低功率無線電在各種3C設備間彼此傳輸數據的技術。藍牙工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業、科學、醫學）頻段，使用IEEE802.15協議。

藍牙規范可分為兩個層次：

Core Specification（核心規范）：用于規定藍牙設備必須實現的通用功能和協議層次。它由軟件和硬件模塊組成，兩個模塊之間的信息和數據通過主機控制接口（HCI）的解釋才能進行傳遞。這個是必選。

Profiles（藍牙應用規范）：它從應用場景的角度為藍牙技術的使用制定了不同的規范。這也是和大眾日常生活接觸最多的一部分。藍牙支持很多Profiles，它是可選的。

Core Specification 包含2種技術：BR和LE，這兩種技術，都包括了搜索，管理，連接等機制，但它們之間是獨立發展的，因此BT設備最好能同時支持BR和LE，這樣在設備進行互聯時，可以根據實際需要，確保最大的兼容

1.Basic Rate (BR)

BR也稱為經典藍牙技術，它包括可選（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技術，以及交替使用的（Alternate）的MAC層和PHY層擴展（簡稱AMP）。對于EDR來說，最高傳輸速率可以達到2.1Mbps；對于AMP來說，它借用了Wi-Fi的PHY層和MAC層，因此最高速率可以達到54Mbps。由于EDR采用的是BT自身的PHY層，而AMP采用的是Wi-Fi的MAC與PHY，因此EDR和AMP是需要交替使用的(Alternate mode)。簡單的說就是兩個BT設備先在EDR上完成了點對點的連接，然后再協商是否都遷移到AMP上去，以實現更高的傳輸速率。

2.Low Energy (LE)

LE的重點是低功耗。它主要通過幾個低功耗組件來實現藍牙設備的發現，管理，連接等功能。

GATT：表示服務器屬性和客戶端屬性，描述了屬性服務器中使用的服務層次，特點和屬性。BLE設備使用它作為藍牙低功耗應用規范的服務發現。

ATT：實現了屬性客戶端和服務器之間的點對點協議。ATT客戶端給ATT服務器發送請求命令，ATT服務器端向ATT客戶端發送回復和通知。

SMP：用于生成對等協議的加密密鑰和身份密鑰。SMP管理加密密鑰和身份密鑰的存儲，它通過生成和解析設備的地址來識別藍牙設備。

L2CAP：管理連接間隔，例如10ms同步一次。它對LL進行一次簡單封裝，LL只關心數據本身，L2CAP就要區分是加密通道還是普通通道，同時還對連接間隔進行管理。

藍牙常用的一些Profile：

1.A2DP：

全稱為 Advances Audio Distribution Profile ，高質量音頻分發規范，定義了如何將立體聲(Stereo)質量的音頻通過流媒體的方式從媒體源傳輸到接收器上，A2DP使用Asynchronous Connectionless Link（ACL，藍牙異步傳輸）信道傳輸高質量音頻內容，它依賴于Generic Audio/Video Distribution Profile（GAVDP，通用音頻/視頻分發規范）。A2DP必須支持低復雜度及Sub-bandCodec（SBC，低帶寬編解碼）。A2DP有兩種應用場景分別是播放和錄音。

播放場景是具有藍牙功能的播放器通過A2DP向藍牙耳機或藍牙立體聲揚聲器傳送高質量音頻。

錄音場景是具有藍牙功能的麥克風通過A2DP向藍牙錄音器傳送高質量音頻。

2.AVRCP(Audio/Vedio Remote control profile)

音視頻遠程控制規范，它可以控制音視頻流的協議，進行暫停，播放，停止，音量控制等。AVRCP協議定義了2個角色：

Target：被控制的目標設備，接收命令并按命令響應，例如電視，手機等；

Controller：遠程控制端設備，發送控制命令到Target端，例如遙控器等；

3. HFP (Hands-Free Profile)

免提通話規范。定義了藍牙音頻網關設備如何通過藍牙免提設備撥打和接聽電話。HFP包括兩個角色：Audio Gateway（AG，音頻網關）和Hands-Free Unit（HF，免提設備）。

AG 是音頻輸入和輸出的設備，典型的AG設備是手機。

HF是執行音頻網關的遠程音頻輸入輸出設備，如耳機或者車載音響系統。

和HFP相關的規范有Headset Profile(HSP，耳機規范)，Phonebook Access Profile(PBAP，電話簿訪問規范)。

藍牙的發展歷程

4.3 UWB

UWB(Ultra Wide Band, 超寬帶)技術是一種使用1GHz以上頻率帶寬的無線載波通信技術。它不采用正弦載波，而是利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據，因此其所占的頻譜范圍很大，盡管使用無線通信，但其數據傳輸速率可以達到幾百兆比特每秒以上。使用UWB技術可在非常寬的帶寬上傳輸信號，美國聯邦通信委員會（FCC）對UWB技術的規定為：在3.1~10.6GHz頻段中占用500MHz以上的帶寬。

UWB的特點很多，其中一個特點是定位精確。

“沖激脈沖具有很高的定位精度。采用UWB技術，很容易將定位與通信合一，而常規無線電難以做到這一點。UWB技術具有極強的穿透能力，可在室內和地下進行精確定位，而GPS(全球定位系統)只能工作在GPS定位衛星的可視范圍之內。與GPS提供絕對地理位置不同，超寬帶無線電定位器可以給出相對位置，其定位精度可達厘米級，此外，超寬帶無線電定位器在價格上更為便宜。”

在智能座艙上，目前UWB有3個應用方向：

1.無鑰匙進入系統

2. 汽車迎賓系統

由于UWB具有定位精確的特性，因此可以在較遠的地方就能感知到攜帶UWB鑰匙的乘客靠近。此時可以啟動相對應的迎賓系統，給用戶以更佳的體驗感受。

3. 車內兒童檢測

歐洲NCAP計劃從2023年1月起增加對車內兒童存在檢測的評分，各項規定非常細致。美國正在立法要求所有新車預裝兒童存在檢測功能，預計在2025年全面實施。據說國內相關規范也在評估制訂中。

“將兒童單獨留在停放的車內，即使只有幾分鐘，也可能導致中暑和死亡，尤其是當汽車暴露在陽光下時。兒童無法自行下車，再加上對高溫的耐受性較低，因此要求兒童不得留在車內無人看管。溫度可以在短短15分鐘內達到臨界水平，讓窗戶半開著幾乎不能減少威脅。與車禍相比，兒童死于車輛相關中暑的情況較少發生，但這些完全可以避免的死亡的性質值得特別關注，因為解決車內兒童體溫過高問題的技術已經存在。”以上文字來自歐洲NCAP關于兒童存在檢測的測試與評估標準的直接翻譯。

用于車內兒童檢測的技術，直接傳感器方式有攝像頭，毫米波雷達，UWB雷達等幾種方式。