汽車乙太網路架構：採用乙太網路 AVB/TSN 的高品質車載音頻

自從汽車進入大規模生產以來，車載音訊就已經成為汽車行業的一部分，使其成為這個以機械為主的世界中最早的電子應用之一。公路旅行電影不僅由所使用的標誌性車輛和所進行的旅程來定義；他們的配樂不僅將他們粘合在一起，而且將他們嵌入到我們的心靈中。當坐在陳列室裡觀看新車時，從駕駛座上測試的第一個功能是音響系統。難怪要付出巨大的努力來確保這項重要的汽車功能的正確性。

汽車音響系統已經從單聲道轉向立體聲，然後轉向環繞聲解決方案，讓駕駛員在旅途中沉浸在他們選擇的藝術家的聲音中。最初，它採用了與家庭音響系統相同的方法，即透過中央擴大機為車輛周圍放置的揚聲器供電。然而，數位網路技術的出現使設計人員打破了這種方法，允許擴大機分佈在車輛周圍揚聲器旁邊，數位化音訊資料包單獨定向到每個揚聲器。

“藍牙無線通訊”^®的引入將電話技術推向了車載音訊的核心功能，提供了另一種數位音訊接口，並證明了向全數位音訊系統的轉變是合理的。它還確保車輛至少需要一個整合式麥克風。

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近年來，低延遲方面變得更加重要。首先，耳朵比眼睛更難接受質量損失，因此必須忠實地再現音頻，不得出現偽影或丟失。此外，主動噪音消除 (ANC) 和道路噪音消除 (RNC) 等應用也越來越受歡迎。每個乘坐者都可以聽到自己的個人化音訊體驗的「聲音區域」也依賴於準確和穩定的延遲。現今的系統可以讓駕駛一邊打電話，一邊讓乘客聽音樂，兩個聲泡之間幾乎聽不到任何滲漏聲（圖 2）。由此可見，對於任何希望宣稱自己是替代品的技術來說，延遲都是一個關鍵面向。
雖然有多種技術可供選擇固然很好，但每種新的網路解決方案都會因佈線和連接器而增加電纜束的成本。作為車輛最昂貴的五個部件之一，採用可節省成本的網路技術顯然是有利的。這些特定的網路和連接選項也僅針對多媒體應用，阻礙它們用於其他車載資料傳輸應用。

與我們習慣的乙太網路一樣，汽車乙太網路專注於提供基於 IP 位址的資料傳輸，而不是專注於特定類型的資料及其應用程式使用。它迄今為止的成功不容忽視，並且來自晶片供應商和軟體社群的支援可以被認為是內建的。為了滿足汽車行業的需求，我們進行了一些改進，簡化了集成，減輕了電纜重量，並確保符合測試和標準。它可以使用長度超過 15 m 的簡單、輕量級非屏蔽雙絞線 (UTP)，並且物理層 (PHY) 的訊號已進行修改以滿足電磁相容性的要求。全雙工資料速率可以達到 100 MBits /s 或 1000 MBits /s 以及未來更高。

使用單一的以太網網路技術和佈線系統,提供了對各種特定應用需求的支援。這使得汽車原始設備製造商能夠將各種應用轉向以太網。

為了確保乙太網路能夠滿足車輛多媒體應用的需求，開發了影音橋接（AVB）標準。串流預留等機制可確保從主機到擴大機或從麥克風到主機，確保延遲所需的頻寬始終可用，無論同一網路上有哪些其他流量。為了確保 ANC 和 RNC 等應用程式能夠正常運作，所有傳出和傳入的音訊串流必須在同一時刻呈現。這對於在車輛中實施單獨的聲音區域也至關重要。這種即時延遲是透過 AVB/TSN 標準中的幾種特定機制實現的。

簡化 了AVB 應用程式的實施，滿足網路上所有節點需求的單一晶片解決方案很有幫助。 Toshiba 的 TC9562 是最新一代支援 AVB/TSN 的設備，面向 AVB 應用並支援時間敏感網路 (TSN) 系統。 PCIe 介面可與汽車音響主機中強大的 SoC 進行簡單集成，為這些裝置配備高效的支援 AVB 的介面。此外，整合的 Arm ^® Cortex ^® -M3 允許 TC9562 用作獨立設備並執行單獨的音訊相關實現。這對於具有多通道放大器輸出和麥克風輸入的音訊節點來說是理想的選擇。

對於 SoC 連接，TC9562 的 PCIe Gen 2 介面支援高達 5 GT/s 的資料速率（圖 3）。然而，TC9562 不僅僅是一個簡單的 PCIe 至 AVB 橋接器。它內部還有一個與音訊 TDM 相關的引擎，包括一個帶有自己的音訊 PLL 的媒體時鐘恢復單元。它可以與 PCIe SoC 連接並行使用。

來自調諧器、藍牙或其他來源的數位音訊介面可以直接連接到 I2S 或 TDM 介面。從這裡開始，音訊資料會自動插入乙太網路流量或從乙太網路流量中提取，無需應用處理器介入。總共，可以透過 TDM / I2S 處理多達 32 個輸出通道和 8 個輸入通道（反之亦然），輸出音訊樣本解析度高達 32 位元，輸入路徑上解析度高達 24 位元。

由於支援 MII、RMII、RGMII 和 SGMII 接口，因此也支援多種 PHY。使用通用精確定時協定gPTP (IEEE 802.1AS)，該單元還可以充當主網路節點。這確保所有其他節點使用公共基礎參考時脈運行。這對於維持整個系統實現噪音消除或聲音區域所需的即時性至關重要。

整合了 AVB 的所有必要標準，例如時間敏感流的轉發和排隊 (IEEE 802.1Qav)，以及對時間敏感應用傳輸協定 (IEEE 1722) 的硬體支援。這可確保支援商定的音訊格式以及媒體時鐘恢復。

這裡的關鍵點是，可以透過一條乙太網路電纜將音訊流與一般資料流結合（圖 4）。因此，在許多情況下，音訊系統可以使用現有的乙太網路電纜。這減少甚至消除了在幾種不同的汽車音訊網路架構上對單獨的額外數位音訊電纜和連接器的需求。

在音訊端點，TC9562 同樣游刃有餘（圖 5）。 TC9562 確保音訊資料與 AVB 音訊網路的所有其他元件同步輸出或取樣。提供了片上音訊時鐘恢復 PLL，支援高達 50 MHz 的位元時鐘，以及來自連接的音訊設備（可輸出和輸入音訊時鐘）。嵌入式音訊 PLL 可以獨立於 TDM/I2S 介面進行操作，這是實現簡單性的關鍵。這降低了系統複雜性並避免了昂貴的外部 PLL 解決方案的需求。

TC9562 還具有一系列其他接口，有助於配置和控制整合到獨立音訊節點中的其他設備。其中包括 I2C 和 SPI，兩者均可用於配置板載設備，例如功率放大器或編解碼器，以及兩個 UART 通道，可用於連接藍牙和 GPS 模組。系統啟動在獨立設定中透過快速 62.5 MHz QSPI 介面實現，或在主機連接情況下透過 PCIe 或 SPI 實現。

TC9562 裝置配備方便的軟體 API 包，讓客戶可以對單獨的汽車音訊解決方案進行自我編程。其中包括用於整合 Cortex M3 CPU 的 RTOS 和乙太網路 AVB 堆疊。提供了與各個編解碼器和放大器 TDM/I2S 資料格式連接的範例和支援。

大多數車載系統輕重量的需求, UTP 佈線取代了一系列 POF、LVDS 和其他專用佈線方案。由於 AVB 標準，現有的汽車乙太網路還可用於提供與音訊系統的連接，而不會影響音訊質量，同時仍能滿足當今現代噪音消除和聲音分區技術的超低延遲要求。 TC9562 是一款單一設備，既適用於主機單元或遠端資訊處理單元，也適用於終端節點。整合式音訊時鐘恢復 PLL 是所有 AVB 參與者之間的低抖動同步性以及車主所期望的高品質音訊體驗的重要元素。

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