如何通过汽车电缆通道实现本地PCIe互连?

为了让汽车处理器充分利用此接口标准进行共享处理，必须定义汽车布线互连，以帮助将PCIe从电子控制单元 (ECU) 内接口转换为ECU间接口。

在汽车电缆通道上实现原生PCIe ——我们在本文中将其定义为汽车电缆和连接器的组合——需要仔细考虑物理互连。作为领先的汽车行业供应商，TI、Rosenberger和GG Group已为汽车电缆通道制定了提议的PCIe规范，以实现在车辆中的可靠实施并帮助标准化采用该接口标准。

一、ADAS 和车辆连接的汽车行业趋势

随着原始设备制造商(OEM)和一级供应商准备支持高级驾驶辅助系统(ADAS)和车辆连接方面的技术进步，他们正在重新思考汽车数据主干架构。未来的汽车数据骨干网将不再依赖于基于域(例如ADAS域)实现的计算，而是从域架构转向区域架构。这是通过结合本地计算节点或区域控制器来实现的，以根据区域内的位置连接电子控制单元 (ECU) 和接口，而不管它们各自的域如何。然后，这些区域控制器连接到一个强大的中央计算节点，相应地处理数据。

图1-1：域架构与区域架构

为了在区域架构中实现分布式处理，汽车数据骨干网必须采用支持高带宽和低延迟的高速接口。特别是，当共享数据用于安全关键的实时处理时，必须仔细考虑超低延迟。外围组件互连Express (PCIe) 生态系统已经解决了工业数据中心的这些类型的高带宽、超低延迟性能需求，并且准备好以同样的方式服务于汽车行业。

二、通过汽车电缆通道实现PCIe

通过汽车通道实现PCIe需要仔细考虑整个物理互连。完整的端到端通道，或TX-to-RX 链路，由汽车电缆通道两端的两个PCB通道组成。PCB通道包括从TX/RX PHY到相应PCB接头的部分。汽车电缆通道可以由单个电缆组件组成，例如带有两个组装连接器的散装电缆，或多个电缆组件。在多个电缆组件的情况下，电缆通道包含内联连接。根据所需带宽上的通道限制，电缆通道长度的限制取决于高速特性，例如插入和回波损耗。

PCIe技术关键考虑因素

在满足OEM对通用电缆通道解决方案和最小化电缆成本和重量的需求的同时，需要进行多项权衡以保留原生 PCIe 连接的优势。

1. 保持与其他高速接口相似的电缆通道类型：用于PCIe的电缆组件解决方案应尽可能与其他高速接口技术(例如2.5/5/10GBASE-T1以太网)相似。通过这种方式，原始设备制造商只需要为整个车辆的各种高速接口验证单个连接器接口和电缆类型组合。

2. 只连接必要的PCIe信号：为了减少电缆数量和重量，只需要通过汽车电缆连接必要的高速带内PCIe信号。本地PCB上的低速边带信号可能未连接。为了降低 EMI 谐振的风险，可以从电缆互连中省略100 MHz PCIe 参考时钟。PCIe规范支持SRNS(Separate Reference Non-Spread)和SRIS(Separate Reference Independent Spread)，用于在电缆任一侧进行独立计时。

3. 以线缆数量换取原生PCIe性能：原生PCIe传输需要专用的TX和RX通道。因此，每条通道需要两条STP电缆(每条通道一条TX和一条RX)，这与其他高速接口(例如Multigig以太网)使用的单条电缆相比有所增加。需要注意的是，电缆数量的这种权衡具有在利用完整生态系统的同时保留原生PCIe性能和电缆上的非专有 PHY 接口的价值。

4. 保持相似的PHY层要求：Native PCIe通过专用的TX和RX方向实现NRZ信令，并具有通过EMC要求的能力。与PAM-4或PAM-16调制方案相比，NRZ信令最大化了垂直眼图余量。借助专用的TX和RX通道，也无需实施单独的汽车PCIe PHY来支持全双工双向信令接口，在这种接口中需要用于噪声和回声消除的复杂DSP。

关键通道规范考虑因素

为了在数以百万计的车辆中建立可靠的连接，重要的是确定PHY对它们之间链路的高速要求，并使它们与电缆和连接器可以提供的性能保持一致。因此，需要一个通道规范来根据限制测试高速通道参数。高速通道规范描述了基于S参数的电缆和PCB通道的要求。

关键参数是所需的频率带宽，主要是插入损耗和回波损耗。考虑到EMC行为，指定屏蔽和耦合衰减是有益的。此外，需要详细描述测量设置和程序以比较不同的结果。

TI、GG Group和Rosenberger 已合作准备提议的汽车 PCIe 通道规范以及测量设置和程序描述，这可以作为未来可能用于汽车用例的官方 PCI-SIG 标准化的基础。表2-1中的关键要求是针对汽车 PCIe 3.0 电缆通道限制提出的：

表 2-1：提议的汽车 PCIe 3.0 电缆通道限制

电缆通道必须支持无吸出、下降或凹口的插入损耗，最高传输速率的奈奎斯特频率至少高出 10%，以确保跨温度、老化和制造过程的安全裕度。

主要汽车布线注意事项

光缆在正常室温环境下满足性能需求是不够的。汽车认证需要不同的老化测试，例如在高温下长期老化3000 小时，以表征电缆性能稳定性。在所有老化测试之后，预计将保持预先定义的临界高频限制。为了满足接口性能要求，还必须考虑不同的电缆设计参数，例如绞线长度、芯线介电常数和绝缘材料选择。

GG Group为千兆速度的同轴和差分应用提供大量高质量汽车电缆。为了说明适用于PCIe 3.0 的汽车电缆，可以考虑使用GG 2Speed® 251 STP电缆(由GG Group设计和制造)。电缆的屏蔽层由铝塑箔组成，它缠绕在图 2-1 中所示的两个绞合线芯上。铜编织物作为附加屏蔽，有助于满足高达4.4 GHz的所需EMC性能(屏蔽和耦合衰减)。

图 2-1：GG 2Speed® 251 STP电缆结构横截面

GG 2Speed® 251 STP在高达5 GHz的频率下无吸出现象，由于电缆结构，在5.2 GHz附近显示出一个缺口，缺口主要受白线和绿线的捻距影响。GG 2Speed® 251 STP 电缆也表现出与提议的汽车PCIe 3.0原始电缆限制公式相比的良好性能，如公式 1 和图 2-2 所示。