未来的技术？车内从电气数据传输到光学数据传输

光学数据传输：在数据中心已经司空见惯的事情，将彻底改变汽车行业的数据传输

多年来，以太网技术越来越多地进入汽车世界，导致车载网络架构发生了重大变化。这是由于ADAS、自动和自主驾驶以及车辆中越来越多的传感器、摄像头和屏幕所产生的数据量不断增长。自动驾驶过程中车辆使用方式的转变，也需要相应的数据量。例如，未来的车辆可以用作办公室或起居室。使用以太网技术的另一个原因是降低电缆线束的复杂性，并实现自动化生产的目标。

长期以来，我们已经看到全球大型数据中心的趋势，即传统以太网系统正在被光学数据传输所取代。这在电信领域已经取得了很大的进展。

这就提出了一个问题，即为什么传统的以太网系统正在被光学数据传输系统所取代，这些系统有何不同，以及这两种系统的优缺点和局限性所在。这些正是我们在这篇博客文章中要探讨的问题。

光学或铜缆传输技术及其物理特性

纵观传输信道的结构，可以发现各自传输技术的功能有本质区别。在电气数据传输中，电子负责各种电压值的传输，而在光学数据传输中，光子发出一种“莫尔斯信号”，在这种信号中，光源以非常高的频率开关。

从传输速度上看，电磁数据传输可以达到23万公里/秒，比光传输更高，因为光纤中的光速仅为20万公里/秒。这种想法是错误的，因为物理效应在电磁数据传输中起着很大的作用。

一个重要的因素是衰减，它在电子数据传输过程中随着传输频率的增加而不成比例地增加。此外，传输链路的长度起着一定的作用，这进一步加强了这种影响。因此，有必要限制用于电传输的数据速率超过10 Gbit/s的线路长度（例如，10 Gbit/s时不超过15米或25 Gbit/s时不超过11米）。此外，所谓的脉冲幅度调制（PAM4-PAM16）的压缩可能性用于传输更高的数据速率，以便能够在链路上发送必要的数据速率。

此外，还需要限制所谓的内联（Inline）连接的数量。目前，芯片行业正在努力寻找提高信号完整性的解决方案，以防止数据速率> 25 Gbit/s时的多路复用（Multi-Laning）。数字信号处理(DSP)的主题，如均衡器、共模扼流圈、直流阻断器，EMI滤波器和ESD安全通道，用于通过控制单元上的措施实现信号完整性。这些措施以更高的数据速率影响所需的电路板面积、EMC敏感性，从而影响成本。

在光学数据传输方面，我们很快就会发现，物理定律开辟了一个广阔的领域，并已经在数据中心得到使用。例如由于光纤线路的低衰减，在NRZ（不归零）的情况下，在至少40米上传输25 Gbit/s是可能的。这意味着可以在没有压缩的情况下进行传输。这降低了传输到控制单元的复杂性，因为在此数据速率下不需要进行DSP和PAM调制。另一个优点是，通过取消这些措施可以节省控制单元上的空间。此外，光学数据传输在电磁兼容(EMC)方面仍处于领先地位，因为塑料和玻璃都不允许暴露于电场和磁场。因此，该技术非常适合用于车内敏感区域（如电池管理系统）的电流隔离或射频天线区域。

光学数据传输是汽车的未来技术？

考虑到所有这些利弊，问题是什么时候考虑汽车数据传输的范式转变才有意义。

根据迈恩德内部专家调查，意见仍然存在很大分歧，因为目前市场上只有少数公司在处理这项技术。在调查中，将技术工作、成本和客户接受度等领域的问题与IEEE 10 Gbit/s、25 Gbit/s和50 Gbit/s数据速率水平进行了比较。

技术工作的结果是根据EMC的必要措施、限值（如插入损耗，串扰）、芯片复杂性、内联连接器的数量、最小化反射的设计工作以及达到必要的传输频率来确定的。可实现的链接长度也包括在评估中。

为了评估成本，考虑了对传输链路的财务支出的估计。这包括芯片到芯片（Chip-to-Chip）的连接，包括电路板上的所有必要措施，可以在要求的条件下为每个数据速率实现安全的数据传输。

评估的另一个重点是客户的接受度，这通过传输技术的接受度以及主机厂和一级供应商对传输技术的适用性来量化。这涉及评估必要的工作量，例如发布测试、发布费用以及将其安装在车辆中所涉及的工作量。

根据这些问题，确定平均值并将其用于各个图表。关于电气数据传输成本超过光学数据传输成本，有一个相对准确的说法，最迟在这一点上，汽车工业将朝着光学数据传输的方向发展。

实现数据速率的技术工作

这是因为在10到25 Gbit/s的范围内，实现信号质量的成本呈指数级增长。甚至可以想象，在中期内，这将超过引进新技术的成本。最迟超过25 Gbit/s时就会出现这种情况，因为从此时起，一条功能正常的铜链路需要并联2条线路（例如H-MTD线路）。

数据速率成本

引入光学数据传输的一个重要问题是客户的接受度。从调查（见图3）可以看出，光学技术仍需要更多的推广，以便为该技术在汽车领域的系列应用做好准备。假设采用25Gbit/s，创建受控系列启动的时间已经不多了，因为发布一项新技术所花费的时间比发布已知技术所花费的时间要多一点。

对各自数据速率的技术接受度

只有通过展示机械坚固性、EMC独立性、简单的电流隔离以及节省安装空间和重量等众多优点，才能实现早期接受。

铜—一种稀缺资源

范式转变的另一个关键问题是铜的资源可得性，由于需求增加，它将比预期更早变得稀缺。造成这种情况的原因是对车载电力系统的需求急剧增加，因此有必要考虑替代车载数据系统的办法。在这种情况下，光学数据传输将是最佳的解决方案，因为它不包含铜组件，因此车载网络系统不会受制于这个问题。

光学数据传输何时能在汽车中普及？

最后，还有一个问题，在汽车中使用光学数据传输的可能时间点可能是什么时候。调查也涵盖了这个问题，结果有点令人惊讶，因为在这一点上意见分歧很大。根据图4，从最早使用点的分析可以看出，数据速率越高，被调查者越依赖光学解决方案。可以假定，千兆位光纤传输将在2026年开始进行第一批系列应用，然后该技术将逐步征服市场。

光学系统何时才能成为车载网络系统中的传输介质？

结论

考虑到所有这些问题，人们很快就会得出结论，光学系统作为一种新技术的使用不会太久，因为解决所有这些问题的需求越来越大。IEEE802.3cz的标准化也将于2023年初完成。然后，开放联盟的物理层将启动，预计到2024年，千兆位光纤传输的标准化将被固定下来。

为此，MD ELEKTRONIK已经在深入研究车辆中的光学数据传输，并致力于为未来技术制定解决方案。