如何解决汽车高速连接的 EMC 问题

作者： 朱玉龙

随着中国汽车行业开始大力沿着 “软件定义汽车” 的方向发展，整车开始围绕 SOA 电子电气架构进行开发，高效的硬件平台以中央集成 OIB、分域控制 VIU 为核心，具有强大的数据处理能力，能接管车辆主动操控汽车。在巨大算力的支持下，不仅提升了整车操控的流畅性，还使得车辆具备全生命周期的硬件升级进化能力。由于数据量的提升，高速数据连接成了智能汽车里面的必要的选择。

汽车和整个社会的电气化时代已然来临，现代汽车环境内外均出现了各种 EMI 相关的问题。

此类 EMI 干扰，导致了信号弱化或损坏；传输信号的解决方案是通过各种链接，一旦信号出现问题，可能导致关键传感器和 ADAS 系统故障，有时甚至会引发灾难性后果。

EMC 问题

汽车对电磁干扰 (EMI) 性能具有严格要求，是所有车载设备都要面临的最严峻挑战之一。随着传输数据量的增长，对信号传输速度的要求也越来越快。行业面临的第一个挑战是要设定高速连接技术的限值和所需带宽。汽车工业和汽车制造商的目标是满足关于电磁兼容性（EMC）的要求，大致分为两个：

一是必须确保电子设备自身不会发出过多的电磁干扰噪声（EMI）；

二是不被其他系统发出的噪声所影响（EMS）。

目前，利用传统技术的车载连接解决方案，减少电子噪声影响主要的手段包括：减少带宽、减少电缆长度以及为增加昂贵的屏蔽电缆等。然而，上述所有解决手段并非最优解，反而会对下一代智能汽车的高速通信造成严重阻碍。

减少带宽

减少电子干扰并提高信噪比（SNR）最简单有效的方法之一就是降低带宽。

但随着先进感知传感器（如相机、雷达和激光雷达）数量的增加和对传输质量的优化，带宽需求将急速增长。

在这里，我们能看到整个设计的目标就是不断提升 EE 架构的链接带宽，因此技术层面会遇到更多困难。随着汽车的边沿计算能力增强，需要在理论的速度上，增加软件额外的传输需求。这就需要在做设计的过程中，提高芯片的能力。EMC 若要符合要求，应当建立在高速传输和高带宽的基础上。

限制电缆长度

缩短信号传播的距离也大大减少了电磁干扰的影响，因为这让信号在整个通道中的衰减有限，能够保持原始强度。然而，汽车行业正在淘汰分布式 E/E 架构，转向域和集中式 E/E 架构，以帮助促进传感器融合和 “软件定义汽车”(SDV)，而这些新的汽车架构需要更长的布线（点对点的连接）。

我们可以看到，整个集中式架构中，虽然整体线缆长度是减少的，但是对于单个信号来看，由于可能需要覆盖全车，特别是高速信号并不希望中转而是直接传输，所以信号传输的长度变长了。

提高频率

频率提高可以支持通道发送更高的带宽，这是一些车载连接解决方案为满足目前需求所采取的方法。然而，信号衰减随着频率的增加而增加，长距离传输效果将受到影响，并使连接电缆极度容易受到 EMI 的影响。

增加屏蔽电缆

增加屏蔽电缆以减少 EMI 的影响，同时也能够减少来自电缆本身的辐射干扰。这个方案似乎十分合适。

然而，近来有研究指出，由于屏蔽电缆的老化和应力会严重退化，在涉及到需要运动的装置中（如门、侧视镜和后备箱盖）尤为如此。EMI 对老化、磨损的屏蔽电缆有不利影响，使它们变得无效且带来更大风险。最严重的是，由于屏蔽电缆随时间推移而失效，电缆本身将成为 EMI 辐射源。

▲图 4. 随着时间的推移，电缆屏蔽效果下降，
更多的噪声将耦合到信号中，弱化信噪比

目前 EMC 测试存在的问题

目前业内的 EMC 测试方法集中在新型短屏蔽电缆上，没有考虑到连接电缆在现实世界中所处的条件和压力。如果 EMC 测试继续以这种方式进行，那么未来相关车辆将面临大规模召回，或者其他事故。

解决方案 ——MIPI A-PHY

为解决上述种种挑战，MIPI A-PHY 标准于 2020 年发布，它支持为实现汽车的高级别自动驾驶而进行创新，并使用数字信号处理 (DSP) 等自适应方法实现高带宽、长连接、实时链路，还具有强大的处理 EMI 问题的性能。

ValensVA7000 芯片组采用的 DSP 完全符合 MIPIA-PHY 规格的芯片组，包含的三个主要元素，可以处理 EMI：

（1）实时噪声消除（JITNC）

一种快速、自适应的噪声消除方法，以减少 EMI 的影响。其对于处理窄带干扰（NBI）极为有效，这种尖锐、突发的噪音是传统车载连接解决方案难以处理的。JITNC 可以消除高达 36dbm 的噪声。

（2）高阶脉冲幅度调制（PAM）

Valens 芯片组可以使用 PAM16 工作，这是一种在同一时间段内发送更多数据的方式，支持更高的数据速率，同时保持较低载波频率，防止信号衰减和干扰。虽然一些传统的车载连接解决方案确实使用 PAM4，但它仍然不能为目前的 ADAS 和信息娱乐系统所需的高带宽提供支持。Valens 的 PAM16 不仅满足了如今的带宽需求，还为未来的需求留出充足空间。

（3）动态 PHY 级重传

有时环境噪声太大，数据包可能因干扰而传输失败。当这种情况发生时，MIPI A-PHY 标准要求在 PHY 级别重新传输数据包。PHY 级操作允许极快速的数据传输。由于此时引起初始故障的 EMI 可能还没有消散，因此动态控制的重传，会使用比最初发送时更低的 PAM 来进行。比如，如果原始传输是使用 PAM16 发送的，那么重传将以 PAM8 发送。这大大降低了传输再次失败的机会，这也是 Valens A-PHY 兼容芯片组实现行业中最低错误率的原因之一。

Valens 独一无二的 UTP 功能

Valens 芯片组内的 DSP 编码可以减轻电磁干扰带来的影响，从而可以使用非屏蔽双绞线 (UTP)，速度可达 4Gbps，传输距离可达 10 米。这使得 Valens 芯片组具有很多优点，比如降低系统成本，系统设计和布局更加灵活，并在设计系统架构时提供更多的选择。UTP 的应用是 Valens 芯片组的一大重大突破 。

结论

现代汽车处于信号繁杂的环境当中，随着汽车电子设备，如 ADAS 组件、数字驾驶舱和汽车上的各个组件逐步丰富，设备的体积只会越来越大。过去，EMI 的影响已经被证明对关键系统有非常严重的影响，曾导致多次汽车召回，甚至死亡事故。在各个领域中限制 EMI 的应该是首先要考虑的问题。如果整车厂的设计未充分考虑到此，将无法把 ADAS、V2X 通信、信息娱乐和其他领域的创新设计应用到汽车产品当中。