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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(luò)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(chǔ)知識(shí)及其在商用車輛中的潛在應(yīng)用[1]。5 [: L% ~1 E. ^9 D( v: a4 M* J9 Q
光纖通信基礎(chǔ)
& `+ F9 Y' k/ ^3 D3 b. @光纖通信系統(tǒng)使用光脈沖通過細(xì)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(hào)轉(zhuǎn)換為光脈沖光纜 - 引導(dǎo)光脈沖接收器 - 檢測(cè)光脈沖并轉(zhuǎn)換回電信號(hào)[/ol]
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圖1:光纖通信系統(tǒng)。
8 Q# V+ p0 P0 j+ J3 j! G8 a光纖本身由三個(gè)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(xué)材料涂層 - 保護(hù)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(dǎo)。這是因?yàn)槔w芯具有比包層更高的折射率。
, U4 G- n2 z( b# d8 W' }, V$ b( t光纖類型
$ p! }% q# m \- e8 z5 N: Q% |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(dá)10 Gbps)用于長(zhǎng)距離傳輸更易碎,對(duì)彎曲敏感) ]+ g7 d- v3 n
2.塑料光纖(POF)由塑料材料制成更堅(jiān)固和靈活安裝和維護(hù)更容易數(shù)據(jù)傳輸率較低,但足以滿足大多數(shù)車載應(yīng)用需求
1 |( ]( m3 o& W光纖在車載通信中的優(yōu)勢(shì)
' p$ h$ l0 f2 Z7 D# C與傳統(tǒng)銅纜相比,光纖為車載網(wǎng)絡(luò)提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì):1.電磁兼容性(emc)1 u: D+ ?+ i, `9 e' z
對(duì)電磁干擾免疫不需要屏蔽消除電纜之間的串?dāng)_4 O& u4 O- |! D
2.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(yīng)用(例如自動(dòng)駕駛)* Q0 I$ o; c& h* t" V, q9 p
3.更輕的重量! N3 O# q s* _! `2 U& d
減輕車輛總重量提高燃油效率
( d( Q8 F* G8 h! k: Q5 e4.節(jié)省空間電纜直徑更小允許更緊湊的線束
: b3 C) @% u, ~: k$ v' D! g5.成本效益
$ d* x L1 T# x: p5 S' c, N; L盡管初始成本可能更高,但在重量和EMC緩解方面可以長(zhǎng)期節(jié)省成本
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圖2:電磁兼容性(EMC)在汽車環(huán)境中的影響。
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汽車應(yīng)用中的挑戰(zhàn)7 I; n# I. Z8 D+ m% p
盡管有這些優(yōu)勢(shì),在車輛中實(shí)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(dòng)和沖擊能力
; P8 e& |+ I0 g* U& l+ y0 {2.連接器可靠性9 c4 S& K. W! u; G$ ^: C/ Q
連接器必須在惡劣條件下保持光學(xué)對(duì)準(zhǔn)
6 \, h% e2 r0 M3.彎曲半徑限制特別是對(duì)于玻璃纖維,急劇彎曲可能導(dǎo)致信號(hào)損失
1 I# y1 d7 D3 r! Y g8 S# _$ O0 T4.與現(xiàn)有系統(tǒng)集成需要新的接口和協(xié)議- g+ E: R H3 f0 w0 [6 D! l* o3 R
汽車用光纖測(cè)試
; @+ L' _$ F( P- [# C. E; U為確保在汽車應(yīng)用中的可靠性,光纖組件必須經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試。一些關(guān)鍵測(cè)試包括:1.溫度測(cè)試熱循環(huán)高溫和低溫極限7 y9 {, {7 k9 E6 N2 H4 A. ^+ p
2.振動(dòng)測(cè)試模擬車輛振動(dòng)測(cè)試電纜和連接器完整性; u* Q$ @6 {4 P7 K. K: e) M
3.彎曲損耗測(cè)試測(cè)量由于電纜彎曲導(dǎo)致的信號(hào)損失對(duì)車輛安裝至為重要! N0 L. ~. m0 n1 `% S! p
4.環(huán)境測(cè)試防塵和耐化學(xué)性濕度暴露$ E5 Y' ]7 b6 s% \% J
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圖3:銅纜的標(biāo)準(zhǔn)溫度值。
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將光纖用于車載網(wǎng)絡(luò)# i# t; }1 G0 |& s% I
在考慮將光纖用于車載網(wǎng)絡(luò)時(shí),以下幾個(gè)領(lǐng)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(jī)與揚(yáng)聲器、顯示器和攝像頭
1 G/ g a G. c9 s6 A# D, R2.高級(jí)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(dòng)駕駛功能3 ^; P' q. T9 u- z" U) @
3.車身控制模塊連接各種電子控制單元(ECU)對(duì)電動(dòng)機(jī)和執(zhí)行器的電磁干擾免疫9 U, L: ~2 q! I, B3 |
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圖4:商用車輛中 ECU 的基本表示9 a6 G9 c7 Y& r& {1 X* k
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4.診斷系統(tǒng) K" S& p: S) d) c% W
用于車輛診斷和軟件更新的高速數(shù)據(jù)傳輸
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_, N& O/ @* M6 g9 G未來趨勢(shì)隨著車輛技術(shù)不斷進(jìn)步,光纖將在未來扮演越來越重要的角色。未來趨勢(shì)包括:光學(xué)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(luò)光學(xué)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)合銅纜和光纖的混合系統(tǒng)使用波分復(fù)用(WDM)技術(shù)來增加帶寬% I' _ ?7 p8 V0 G% ~/ |( Y8 b
$ y7 S' q. L" g2 U結(jié)論光纖通信為車載網(wǎng)絡(luò)提供了顯著優(yōu)勢(shì),特別是隨著車輛變得更加電子化。盡管在實(shí)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(dòng)和自動(dòng)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。3 k6 W$ h& R% g' A. n8 I/ l6 R
通過了解光纖通信的基礎(chǔ)知識(shí)及其在車輛中的應(yīng)用,工程師和設(shè)計(jì)師可以更好地為汽車行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)變做準(zhǔn)備。$ d7 l5 h! U, y6 b5 B$ ]
參考文獻(xiàn)[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(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)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(wù)。
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