車載用Ethernetアーキテクチャー：Ethernet-AVB/TSNによる高音質車載オーディオ

車載オーディオは、自動車が大量生産されるようになって以来、自動車産業の一部となっており、ほぼメカニカルな分野で最初の電子アプリケーションのひとつとなっています。ロードムービーは、その映像だけでなく、流れるサウンドによって私たちの心の中に入ってきます。ショールームで新車を見るとき、運転席で最初に確認するのはオーディオシステムです。車に不可欠なこの機能をよりよくするために、多大な努力が払われるのは当然です。

カーオーディオは、モノラルからステレオ、そしてサラウンドへと進化を遂げ、ドライバーが選んだアーティストの世界観に浸れるようになりました。当初は家庭用オーディオと同じように、車内のあちこちに設置されたスピーカーを中央のアンプが駆動する方式がとられていました。しかし、デジタルネットワーク技術の登場により、設計者はこの方式を打破することができ、アンプは車内のスピーカーの横に散らばり、デジタル化されたオーディオパケットが各スピーカーに個別に向けられるようになりました。

Bluetooth^®の登場により、電話による通話なども車載オーディオの中心的な機能となり、新たなデジタルオーディオインターフェースを提供し、オールデジタルオーディオシステムへの移行ができました。また、車には少なくとも1つのマイクが必要であることが確実となりました。

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近年、低遅延の側面がより重要視されています。まず、耳は目よりも質の低下に敏感であるため、歪みや途切れのないオーディオを忠実に再現する必要があります。さらに、アクティブノイズキャンセリング(ANC) やロードノイズキャンセリング(RNC) といった技術の普及が進んでいます。また、各乗員が自分だけのオーディオ体験をすることができる「サウンドゾーン」も、正確で安定した低遅延の伝送技術によって実現されます。今日のシステムでは、同乗者が音楽を聴いている中で、ドライバーは電話で通話することができ、この2つのサウンドバブルの間にはほとんど音の混ざりがありません（図2）。そのため、低遅延であることは、新世代の技術にとっては重要な要素なのです。

技術の選択肢が増えるのは良いことですが、新しいネットワーク・ソリューションが登場するたびに、配線やコネクタのためにワイヤーハーネスにコストがかかるようになります。これは車の中で高価な部品トップ5に入るため、コスト削減をもたらすネットワーク技術に移行することが有益であることは明らかです。

また、MOSTやA2Bのようなネットワークは、マルチメディアアプリケーションのみを対象としており、他の車載データ伝送用途には使用できません。

私たちが慣れ親しんでいるEthernetと同様に、車載用Ethernetも、特定の種類のデータやその用途に特化するのではなく、IPアドレスベースのデータ転送を提供することに重点を置いています。これによる成果は大きなものですが、シリコンベンダーとソフトウェアコミュニティー、両方からのサポートの恩恵を受けたと考えられます。自動車産業のニーズに応えるため、統合の簡素化、ケーブルの軽量化、試験や規格への適合性確保などの増強が行われています。15 mのケーブル長のシンプルで軽量なシールド処理が施されていないペアの撚りケーブル（UTP）を使用でき、物理層（PHY）のシグナリングは電磁両立性の要求を満たすように変更されています。全二重データレートは100 Mビット/秒または1000 Mビット/秒、将来的にはそれ以上に達することが可能です。

特定のアプリケーションのニーズに対しては、AVB(Audio Video Bridging)/TSN(Time-Sensitive Networking) による基本的なEthernet規格への拡張によってサポートされます。これにより、自動車メーカー各社は、さまざまなアプリケーションのために、単一のネットワーク技術と配線システムですべてを賄うことができるEthernetに移行することができます。

Ethernetが車内のマルチメディアアプリケーションのニーズに応えられるように、AVB規格が開発されました。ストリーム予約などのメカニズムにより、ヘッドユニットからアンプまで（もしくはマイクからヘッドユニットまで）と同じネットワークを通過する他のトラフィックに関係なく、レイテンシーを保証するために必要な帯域幅を常に利用することが可能となります。ANCやRNCなどのアプリケーションを確実に機能させるためには、すべての送受信オーディオストリームが正確、かつ同じタイミングに存在することが不可欠です。これは、車内で個々のサウンドゾーンを実現するためにも重要です。このリアルタイムレイテンシーは、AVB/TSN規格の中にあるいくつかの特定のメカニズムによって実現されています。

AVBアプリケーションの実装を簡素化するためには、ネットワーク上のすべてのノードの要求を満たすシングルチップソリューションが有効です。東芝のTC9562は、AVB/TSN対応デバイスの最新世代で、AVBアプリケーションとTSNシステムの両方をサポートすることを目標としています。PCIeインターフェースにより、車載用ヘッドユニットに搭載されている強力なSoCと簡単に統合でき、これらのデバイスに効率的なAVB対応インターフェースを装備することができます。さらに、Arm^® Cortex^®-M3を搭載しているため、TC9562をLSI単独で使用し、オーディオ関連の実装を個別に実行することもできます。これは、マルチチャンネルアンプ出力とマイク入力を持つオーディオノードにより適しています。

SoC接続の場合、TC9562のPCIe Gen 2インターフェースは、最大5 GT/sのデータレートをサポートします（図3）。しかし、TC9562はシンプルなPCIe-AVBブリッジよりも高機能です。独自のオーディオPLLを持つメディアクロックリカバリーユニットを含むオーディオTDM関連エンジンも内蔵しています。これはオーディオ用インターフェースとホストからのPCIe接続を並行して使用することができます。

チューナーやBluetooth^®、その他のソースからのデジタルオーディオインターフェースを、I2SまたはTDMインターフェースに直接接続することができます。ここから、アプリケーションプロセッサーが介入することなく、オーディオデータがEthernetトラフィックに自動的に挿入され、またそこから抽出されます。合計で、最大32の出力チャンネルと8つの入力チャンネル、またはその逆をTDM/I2Sで扱うことができ、出力オーディオサンプルは最大32ビット解像度、入力パスでは最大24ビットになります。

また、MII、RMII、RGMII、SGMIIの各インターフェースに対応し、幅広いPHYをサポートします。Generalized Precision Timing Protocol gPTP (IEEE 802.1AS) を使用し、このユニットはグランドマスターネットワークノードとして機能させることも可能です。これにより、他のすべてのノードが共通のベース基準クロックで動作することができます。これは、ノイズキャンセリングやサウンドゾーンを実現するために、システム全体で必要なリアルタイム性を維持するために不可欠なものです。

AVBに必要な規格はすべて統合されており、例えば、転送とキューイング用のタイムセンシティブ・ストリーム (IEEE 802.1 Qav) とともにタイムセンシティブ・アプリケーション用トランスポートプロトコル（IEEE 1722）のハードウェアでサポートされています。これにより、メディア・クロック・リカバリーとともに、規定のオーディオフォーマットのサポートが可能となります。

ここで重要なのは、オーディオストリームと一般的なデータストリームを1本のEthernetケーブル上で組み合わせることが可能であることです（図4）。その結果、多くの場合、オーディオシステム用の既存のEthernetケーブルを使用することが可能になります。これにより、複数の異なるカーオーディオ・ネットワーキング・アーキテクチャーにおいて、デジタルオーディオケーブルやコネクタを個別に追加する必要性が減少、あるいはなくなります。

オーディオエンドポイントにおいても、TC9562は同様に適用できます（図5）。TC9562は、オーディオデータがAVBオーディオネットワークの他のすべての要素と同期した出力またはサンプリングを保証しています。オンチップ・オーディオクロック・リカバリーPLLは、最大50 MHzのビットクロックをサポートし、接続されたオーディオ機器との間で同期をとることができます（オーディオクロックの出力および入力が可能です）。実装を容易にするため、内蔵のオーディオPLLはTDM/I2Sインターフェースから独立して動作させることができます。これにより、システムの複雑さを軽減し、高価な外部PLLが不要になります。

TC9562は、スタンドアロンオーディオノードに内蔵された他デバイスに対する設定や制御に役立つ、さまざまなインターフェースも備えています。パワーアンプやコーデックなどのオンボードデバイスの設定に使用できるI2CとSPI、Bluetooth^®やGPSモジュールとの接続に便利な2つのUARTチャンネルがあります。システムブートは、スタンドアロンでは62.5 MHzの高速QSPIインターフェース、ホスト接続の場合はPCIeを介して行われます。TC9562には、顧客による個々のカーオーディオソリューションのセルフプログラミングを可能にする便利なソフトウェアAPIパッケージが付属しています。これには、内蔵のCortex M3 CPU用のRTOSとEthernet-AVBスタックが含まれます。個々のコーデックとアンプTDM/I2Sデータフォーマットへのインターフェースの設定方法と使用例が用意されています。

車載Ethernetへの移行は、自動車メーカーに対し車載システムの大半ニーズを単一ネットワーク・コンセプトで統一する機会を提供します。UTPケーブルは軽量で、POF、LVDS、その他の独自の代替品に取って代わることができます。AVB規格のおかげで、既存の車載Ethernetネットワークを使用して、音質を損なうことなくオーディオシステムへの接続を提供することができ、さらに、今日の最新のノイズキャンセルやサウンドゾーニング技術の超低遅延要件に対応することが可能です。TC9562は、ヘッドユニットやテレマティクス・ユニットに搭載しても、エンドノードに搭載しても違和感のないLSIです。内蔵のオーディオ・クロック・リカバリーPLLは、すべてのAVB使用者の低ジッター同期と、カーオーナーが期待する高品質のオーディオ体験のために不可欠な要素です。

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