电磁兼容性测试——能否解决未来汽车连接性难题？

  Eyran作为Valens的首席技术官兼联合创始人，拥有25年的通信系统软件和硬件架构开发经验，尤其擅长有线固定线路DSP调制解调器设计。Eyran持有55项美国专利，并担任HDBaseT联盟技术委员会主席，也是MIPI A-PHY规范的主要技术贡献者。

  在迈向更高水平无人驾驶的道路上，汽车制造商正在将慢慢的变多、分辨率更高的传感器集成到车辆中。因此，他们在车辆上安装了大量的高带宽连接，其中许多用于连接对安全至关重要的高级驾驶辅助系统。然而，问题就在于，这些连接都极易受到电磁干扰的影响。

  汽车制造商长期以来一直依赖由行业组织（包括CISPR、ISO和SAE）制定的标准测试。然而这些测试方法是在传统连接时代开发的，当时频率最高达到数十兆赫兹，最大数据传输速率为100 MB/s。如今，随着数据传输速率提高到多吉比特级别时，这些传统的测试方法在模拟现代汽车的真实的情况方面显得力不从心。

  当前的测试标准并未解决电缆测试中的几个问题，这中间还包括电缆长度以及屏蔽层随时间推移而老化所带来的影响。这样一些问题对于未来的无人驾驶汽车来说必须得到解决。

  当前电磁兼容性测试的最要紧的麻烦是电缆长度差异：当前电磁兼容性测试中使用的是相对较短的2米电缆，而现代汽车的设计架构往往要求使用10米到15米长的电缆链接。这种电缆长度的显著差异是电磁兼容性测试面临的首要问题。

  在过去，一些传统接口的带宽需求相比来说较低，通常只需要几十兆赫兹的带宽。在这种情况下，测试中使用的短电缆与汽车内部实际使用的长电缆之间在衰减上的差异相对有限，最大差距大约只有4分贝。因此，汽车制造商能够最终靠在所需抗扰度级别上增加几分贝的余量来补偿这种衰减差距。

  然而，随着现代汽车中连接的电子系统慢慢的变多，它们所使用的频率也慢慢变得高，当使用更长的电缆时，衰减问题变得更突出，最大衰减可达到30分贝。这种程度的衰减对信号质量和数据传输速率都会产生显著影响。由于汽车内部大量的电子系统和通信设施使用不相同的通道和频率进行数据传输，如此多的不同通道和频率导致了更大的衰减差，要补偿如此大的衰减差变得十分具有挑战性。

  在当前汽车电磁兼容性测试中使用的短电缆有其优势，如在较小的测试设施中使用更方便。此外，短电缆的制造成本通常也较低，这有助于降低测试的总成本。这些优点使得短电缆在过去被大范围的使用在汽车电磁兼容性测试中。然而，鉴于测试结果的差异日益增大，短电缆已不再适合现代汽车测试的需求。汽车测试行业必须转向使用与车内安装长度相当的电缆。

  在过去很长一段时间里，在汽车的电磁兼容性测试中使用老旧电缆并不是必要的。这是因为，在未屏蔽电缆中，噪声渗透水平在整个车辆的常规使用的寿命内，即便是在动态安装环境中，也就没有显著的变化。这一现象让汽车制造商和测试机构觉得，电缆的老化对测试结果的影响可忽略不计。因此即便是针对使用十年以上的车辆，在进行电磁测试时仍会使用新电缆，而未能考虑电缆老化问题。

  如今汽车内部的数据传输频率明显提高。为了应对高频数据传输过程中也许会出现的噪声干扰和信号衰减问题，汽车制造商采用了屏蔽电缆来降低信号衰减的可能性。为汽车制造商提供串行器/解串器（SerDes）芯片的半导体公司指出，屏蔽是减轻电磁兼容性问题的一个重要的条件。然而，电缆上的屏蔽层会随时间老化，这使得汽车在多年的道路行驶后容易受到电磁干扰的影响。

  对比新旧电缆的测试发现，除了插入损耗老化和失真，还发现新旧电缆在噪声穿透水平上存在非常明显差异。Huber Automotive 在实验室和车辆上进行的辐射抗扰度测试均显示了同轴电缆和单端平行对电缆因老化而受到了影响。这些测试表明，新旧电缆（或老化/受应力电缆）之间的噪声穿透差距显著，差距达到了20至30分贝（如图1所示）。

  图1-Huber Automotive 进行的测试表明，动态同轴电缆（顶部）和动态单对差分电缆（SDP，底部）在新旧电缆之间显示出高达30分贝的噪声穿透差距。

  但是，使用新的屏蔽线束来来测试却未能充分考虑到在车辆整个常规使用的寿命期间，电缆屏蔽层的老化程度会达到何种水平。

  随着车厂在车辆内部集成更多支持多吉比特数据传输的链路，这样的一个问题正变得日益严峻。为了更准确地评估车辆在整个常规使用的寿命期间的电磁兼容性性能，在高速链路的量产前EMC测试中，为了更准确地评估车辆在整个生命周期内的EMC性能，一定要使用已经老化或经过应力处理的电缆来测试。这样做能保证车辆在长期使用的过程中，其内部的高速链路能够保持稳定的电磁兼容性，从而避免因电磁干扰而导致的性能直线下降或故障。

  值得注意的是，截至目前，这还不是一个严重的问题。目前道路上大多数摄像头链路的带宽相比来说较低，很少超过2 GB/s，这为传统串行器/解串器（SerDes）在无误情况下运行留下了足够的余量。而高带宽链路，一些甚至达到6 GB/s，则相对罕见，且在道路上运行的时间不长，因此其屏蔽层在防止噪声干扰方面仍然有效。

  但是，随着这些链路在汽车内部越来越普遍，并且随着车辆常规使用的寿命的延长而逐渐磨损和老化，安全关键系统中的故障风险正在上升。

  由于衰减、老化和噪声穿透对不同电缆的影响存在一定的差异，标准的电磁兼容性测试措施所评估的信噪比与汽车在实际道路上所经历的情况存在很大差异。

  目前，在标准的电磁兼容性测试中并未要求使用长时间使用或老化的电缆来测试，这导致了链路对电磁干扰的敏感性增加。

  CISPR 25是国际无线电干扰测量标准，其频率范围覆盖150 kHz至5925 MHz。该标准明确规定：“被测设备与负载模拟器（或射频边界）之间的测试线毫米（或根据测试计划中的定义）。”

  这一规定旨在确保在测量无线电干扰时，测试环境能够尽可能接近车辆实际使用时的电磁环境，同时避免过长的测试线缆引入不必要的干扰或衰减。

  ISO 11452-2是针对来自窄带辐射电磁能量的电气干扰的部件测试方法的国际标准。该标准指出：“被测单元与负载模拟器（或射频边界）之间的测试线）毫米。线缆类型由实际系统应用和需求决定。”

  这一规定在允许一些范围内的长度变化的同时，也强调了线缆类型需根据具体应用场景和需求来做选择，以确保测试的准确性和可靠性。

  这些测试标准形成于一个时代，当时汽车制造商能够最终靠使用短电缆来模拟车内环境，同时忽视电缆老化的问题。然而，在当今的高速、高衰减的互联环境中，这样的做法已不再适用。随技术的发展，车辆内部的通信系统变得更复杂，数据传输速度和频率逐步的提升，对电缆性能和稳定能力的要求也随之增加。

  图2-现代汽车内部的数据传输不仅距离更远，而且速度也明显提升，这为车载连接性设立了更高的标准。

  从生产前测试到实际汽车环境中随时有可能发生的情况差距太大。行业必须认识到，这种信噪比差距会对收发器和消费的人日益依赖以执行更多任务的快速演进的高级辅助驾驶系统产生重大影响。这种差距将继续扩大，直到测试方法得以发展，以考虑电缆长度、老化电缆以及车辆在使用期间所承受的真实电磁干扰问题。

  对汽车SerDes和电缆缺乏标准测试，且未最大限度地考虑适当的电缆长度和老化屏蔽问题，这是一个严重的问题，可能使驾驶员面临潜在危险。与其他车辆部件（如发动机或制动器）不同，这些部件有明确的法规和性能标准，而用于不同系统之间传输数据和电力的链路则监管不足。

  汽车电缆测试的主体问题之一是其面临情况的复杂性和广泛性。电缆可能会暴露在极端温度、振动、湿气、灰尘、化学物质以及其他来源的电磁干扰下。这一些因素可能会损坏电缆的绝缘层、屏蔽层和连接器，导致噪声增加和信号损失。此外，电缆的长度、形状和弯曲度还可能因车辆布局而异，这会影响其阻抗和电阻。

  为确保车辆在整个常规使用的寿命期间内高级驾驶辅助系统链路的安全性和可靠性，监督管理的机构应强制执行针对汽车链路、电缆和收发器的标准化测试，这些测试应涵盖适当的电缆长度和老化屏蔽效果考虑因素。

  通过实施更严格的标准化测试，监督管理的机构能保证高级驾驶辅助系统链路满足现代车辆的高性能要求，从而防止安全关键系统发生故障，并避免代价高昂的召回事件。