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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)知識及其在商用車輛中的潛在應(yīng)用[1]。
; k& V9 U1 J1 }0 K' S4 p2 W光纖通信基礎(chǔ)
! i7 [* e* w4 g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。基本系統(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(dǎo)光脈沖接收器 - 檢測光脈沖并轉(zhuǎn)換回電信號[/ol]
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% v3 w A7 P4 T2 q# b2 S' Q2 ~圖1:光纖通信系統(tǒng)。 X% Y) \9 v3 U
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(dǎo)。這是因為纖芯具有比包層更高的折射率。
( E* c& u( |; C# Q光纖類型5 Y& ]% R( Y& e9 E( ^
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
! f. Y8 L2 Y! X, N6 I q8 o, q2.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(yīng)用需求1 q1 M* M+ F$ k( v3 y3 R
光纖在車載通信中的優(yōu)勢
3 V+ G! c+ j4 ?8 I與傳統(tǒng)銅纜相比,光纖為車載網(wǎng)絡(luò)提供了幾個優(yōu)勢:1.電磁兼容性(emc)
5 Y1 A+ q) T& h3 E$ w" |對電磁干擾免疫不需要屏蔽消除電纜之間的串擾& Q8 ~6 |& s3 |$ d( m' V: l$ d" 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(例如自動駕駛)
) a8 n: \, i1 Q- I) K) X" P* w3.更輕的重量* e+ v2 V" ` y# ]+ H! {; A
減輕車輛總重量提高燃油效率
) `! X* S, V: o& f9 ~& m4.節(jié)省空間電纜直徑更小允許更緊湊的線束
5 z r) k L" b2 o7 O9 V# ?- A5.成本效益
4 \4 _ T" i* L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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2 B8 Q7 ]" `$ B1 s, u1 N圖2:電磁兼容性(EMC)在汽車環(huán)境中的影響。
( U9 x9 Z' S+ k( ?" \1 W# A- j% Q4 |& @
汽車應(yīng)用中的挑戰(zhàn)- _4 k8 s0 A F& h& P p( |
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
) e. T5 h& d# \$ q* n1 N2.連接器可靠性( F/ }" t7 H3 b- k
連接器必須在惡劣條件下保持光學對準: D: L7 ]; t) K3 z- ]
3.彎曲半徑限制特別是對于玻璃纖維,急劇彎曲可能導(dǎo)致信號損失1 N4 I) o8 }" e# i( U3 B
4.與現(xiàn)有系統(tǒng)集成需要新的接口和協(xié)議6 |$ R0 k! u4 F0 N2 o
汽車用光纖測試
. _! j; H x$ X- W+ S8 V" x為確保在汽車應(yīng)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
2 D# {2 i9 S! |- z9 Q2.振動測試模擬車輛振動測試電纜和連接器完整性& c# o% p. x F9 @
3.彎曲損耗測試測量由于電纜彎曲導(dǎo)致的信號損失對車輛安裝至為重要2 g& q( I6 c) `# W' K1 U; x" K" t$ d
4.環(huán)境測試防塵和耐化學性濕度暴露& I1 N! q6 @! ~! `
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2 [+ z) s0 l' M- y圖3:銅纜的標準溫度值。
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8 y3 \3 V- m5 t- K$ U5 ]將光纖用于車載網(wǎng)絡(luò)) Q' M& E9 v9 n2 E, y; l& n3 |
在考慮將光纖用于車載網(wǎng)絡(luò)時,以下幾個領(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>連接主機與揚聲器、顯示器和攝像頭
( i; U5 D( I- r' J2.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0 [5 Z3 i1 ?# `& `" C
3.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; ^2 _9 S- ^ L) G
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圖4:商用車輛中 ECU 的基本表示
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4.診斷系統(tǒng)
]' @, n+ D& H: U- `用于車輛診斷和軟件更新的高速數(shù)據(jù)傳輸
# y/ J. z- E9 G5 C( t. R J* k$ N& ^
o4 k c; t$ q9 ~6 C5 s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(luò)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(fù)用(WDM)技術(shù)來增加帶寬5 K" ^4 R0 `- ?$ r( A! y
2 o# c6 p; u% V! |9 ^' j6 d結(jié)論光纖通信為車載網(wǎng)絡(luò)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。
# B) E# @, Z0 p9 w通過了解光纖通信的基礎(chǔ)知識及其在車輛中的應(yīng)用,工程師和設(shè)計師可以更好地為汽車行業(yè)的技術(shù)轉(zhuǎn)變做準備。
/ E5 a1 t7 j1 X+ ~" m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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. w& K5 @7 `% Z2 M1 {8 A關(guān)于我們:$ J p9 [+ w! |
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(shè)計和仿真軟件,提供成熟的設(shè)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(shè)計與仿真。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(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)。$ ~6 A4 m3 H* E4 X
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