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引言光纖通信技術(shù)正在成為汽車行業(yè)車載網(wǎng)絡的革新性技術(shù)。隨著現(xiàn)代車輛集成更多電子組件并需要更高的數(shù)據(jù)流量,傳統(tǒng)的銅纜傳輸正在接近其極限。本文將探討光纖通信的基礎知識及其在商用車輛中的潛在應用[1]。2 B ?. E* C& r) i) F( B8 `& k
光纖通信基礎
! J0 O. R1 `( l1 O9 H8 P光纖通信系統(tǒng)使用光脈沖通過細玻璃或塑料纖維傳輸信息;鞠到y(tǒng)由以下部分組成:發(fā)射器 - 將電信號轉(zhuǎn)換為光脈沖光纜 - 引導光脈沖接收器 - 檢測光脈沖并轉(zhuǎn)換回電信號[/ol]1 A! Y- }6 I* u$ i; @
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5 w4 d9 [) U' |* B9 l% ?8 \圖1:光纖通信系統(tǒng)。
* J- N0 }/ z" o光纖本身由三個主要部分組成:纖芯 - 光傳播的中心區(qū)域包層 - 具有較低折射率的外層光學材料涂層 - 保護性外層[/ol]光通過纖芯-包層界面的全內(nèi)反射在纖芯中傳導。這是因為纖芯具有比包層更高的折射率。
0 ]! Y) ?: ]2 @- C. `光纖類型' W% Q0 E- B- y. f6 d
通信系統(tǒng)中使用的光纖主要有兩種類型:1.玻璃光纖由石英玻璃制成更高的數(shù)據(jù)傳輸率(高達10 Gbps)用于長距離傳輸更易碎,對彎曲敏感
2 f$ x" J* L$ Z2.塑料光纖(POF)由塑料材料制成更堅固和靈活安裝和維護更容易數(shù)據(jù)傳輸率較低,但足以滿足大多數(shù)車載應用需求% i! A$ |2 K/ [- y1 T
光纖在車載通信中的優(yōu)勢
$ p) L7 g% j! R' V4 ?與傳統(tǒng)銅纜相比,光纖為車載網(wǎng)絡提供了幾個優(yōu)勢:1.電磁兼容性(emc)7 z5 X* X+ E) c' D: j. \
對電磁干擾免疫不需要屏蔽消除電纜之間的串擾
' M0 S, i% W7 {$ T2 z7 w2.更高的帶寬可以傳輸比銅纜多得多的數(shù)據(jù)支持未來的高帶寬應用(例如自動駕駛)
. S7 `! [& C! T0 ^3.更輕的重量
( [% h& y( K& Z減輕車輛總重量提高燃油效率4 T* E1 b! Z* O, j% x. J. B
4.節(jié)省空間電纜直徑更小允許更緊湊的線束6 e) v& a' w2 |* ]) T
5.成本效益$ H- z: R; `: C5 u+ A2 Z
盡管初始成本可能更高,但在重量和EMC緩解方面可以長期節(jié)省成本
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5 }. C7 G) ~, _% Z. D4 \' E/ W圖2:電磁兼容性(EMC)在汽車環(huán)境中的影響。* i0 D$ m# \! n& X5 I* r* I
: q' u K" b7 {) S/ v; p; u
汽車應用中的挑戰(zhàn)+ `4 w' ]% A! B+ `
盡管有這些優(yōu)勢,在車輛中實施光纖仍然面臨一些挑戰(zhàn):1.環(huán)境條件必須承受極端溫度(-55°C到+125°C)需要抗振動和沖擊能力
* t6 l; O& h0 u' D2.連接器可靠性% T9 e6 L) l( l( @
連接器必須在惡劣條件下保持光學對準7 @3 U2 v4 J$ M: h) v/ K) X9 }" Q0 d
3.彎曲半徑限制特別是對于玻璃纖維,急劇彎曲可能導致信號損失' `, r) P' V$ F% \& {
4.與現(xiàn)有系統(tǒng)集成需要新的接口和協(xié)議
+ h7 i; y7 T# ?汽車用光纖測試, L+ {1 |, c! A) w9 ?& i
為確保在汽車應用中的可靠性,光纖組件必須經(jīng)過嚴格測試。一些關(guān)鍵測試包括:1.溫度測試熱循環(huán)高溫和低溫極限
- p1 {( g, a/ _9 m, G! j2.振動測試模擬車輛振動測試電纜和連接器完整性7 ?7 m1 d/ ?- H7 {. L G: [8 b
3.彎曲損耗測試測量由于電纜彎曲導致的信號損失對車輛安裝至為重要
/ Q+ Q0 b% i7 ^, d% O4.環(huán)境測試防塵和耐化學性濕度暴露
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) Q2 G0 e7 v! _圖3:銅纜的標準溫度值。
9 Q. g- C l6 g+ H
: l3 Z' b* I2 \0 D" {將光纖用于車載網(wǎng)絡+ I; S' y! ]! M; U3 A; Q8 V
在考慮將光纖用于車載網(wǎng)絡時,以下幾個領域顯示出潛力:1.信息娛樂系統(tǒng)音頻/視頻流傳輸?shù)母邘?li>連接主機與揚聲器、顯示器和攝像頭
. x5 i r# f8 l3 @2.高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)傳感器和處理器之間的高速、低延遲連接支持未來的自動駕駛功能
- U% g: Q8 C6 G3.車身控制模塊連接各種電子控制單元(ECU)對電動機和執(zhí)行器的電磁干擾免疫9 | r# d Z Y: h* [
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! \' U; K8 N" Z3 q圖4:商用車輛中 ECU 的基本表示7 G# I. L5 y. Z$ Z. _) k+ }" W* V
' y8 o1 O) I+ a2 Z# q! Q4.診斷系統(tǒng)
8 C: [& I+ I7 o- t- P$ S0 q' X用于車輛診斷和軟件更新的高速數(shù)據(jù)傳輸
) {0 D5 P$ R: e. Z; b' y
. ]+ I6 }+ A9 I0 j未來趨勢隨著車輛技術(shù)不斷進步,光纖將在未來扮演越來越重要的角色。未來趨勢包括:光學組件在ECU中的集成度增加開發(fā)專用于汽車的光纖連接器車載網(wǎng)絡光學協(xié)議的標準化結(jié)合銅纜和光纖的混合系統(tǒng)使用波分復用(WDM)技術(shù)來增加帶寬
3 ^. |+ ^. {' @) q# Z# W% a0 z8 E( B: b5 m9 t, _
結(jié)論光纖通信為車載網(wǎng)絡提供了顯著優(yōu)勢,特別是隨著車輛變得更加電子化。盡管在實施過程中仍然存在挑戰(zhàn),但持續(xù)的研究和開發(fā)正在解決這些問題。隨著汽車行業(yè)向電動和自動駕駛車輛發(fā)展,光纖可能成為車輛架構(gòu)的重要組成部分,為下一代汽車系統(tǒng)提供所需的高速、可靠通信。
# c& y1 F5 `2 W, e# }2 h通過了解光纖通信的基礎知識及其在車輛中的應用,工程師和設計師可以更好地為汽車行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)變做準備。' \' s- M7 z# h
參考文獻[1]P. V. V. Adhithyan, "Optic Fiber Communication in Commercial Vehicles: Testing of mechanical rigidity," M.S. thesis, Dept. Elect. Eng., Linnaeus Univ., V?xj?, Sweden, 2020.
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導體芯片設計自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設計和仿真軟件,提供成熟的設計解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機電系統(tǒng)、超透鏡的設計與仿真。我們提供特色工藝的半導體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務,廣泛服務于光通訊、光計算、光量子通信和微納光子器件領域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務。
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