车载以太网体系结构：采用以太网AVB／TSN的高品质车载音频

自从汽车进入量产时代以来，车载音频就已经成为汽车行业的一个组成部分，使其成为这个以机械为主的世界中最早的电子应用之一。公路旅行电影中，其使用的标志性车辆以及开展的旅程是决定因素；配乐则将这两大因素组合在一起，并在我们心中留下深刻印象。在展厅里评估新车时，在驾驶座测试的首个功能就是音频系统。难怪人们会不遗余力地保障这一基本汽车功能。

汽车音频系统从单声道演化为立体声，随后进一步升级为环绕立体声解决方案，从而驾驶员能在旅途中沉浸式享受他们选择的艺术家的音频作品。最初，该系统采用与家庭音响系统相同的方法，即通过中央放大器为车辆周围放置的扬声器供电。然而，数字网络技术的出现使设计人员突破了这种方法的局限性，使放大器能够分布在车辆周围的扬声器旁边，数字化音频数据包单独定向到每个扬声器。.

Bluetooth^®的问世使电话成为车载音频的核心功能，提供了另一个数字音频接口，并证明了转变为全数字音频系统的合理性。它还确保车辆至少需要一个集成麦克风。

您可以下载本页内容的PDF版本

近年来，低延迟成为了一个更加重要的因素。首先，耳朵比眼睛更难接受质量损失，因此必须忠实地再现音频，不得出现伪影和漏码现象。此外，主动降噪（ANC）和路噪主动降噪（RNC）等应用也越来越受欢迎。要让每位乘员都能享受自己的个性化音频体验的“声音区”，这也依赖于准确和稳定的延迟。如今的系统支持驾驶员一边打电话，一边放音乐给乘客听，两个声泡之间几乎听不到任何漏音（图2）。由此可见，对于欲宣称自身为替代技术的任何技术，延迟都是一个关键因素。
有多种技术可供选择固然很好，但每种新的网络解决方案都会因布线和连接器而增加电缆接线头的成本。作为车辆最昂贵的五个部件之一，采用可节省成本的网络技术显然是有利的。
这些特定的网络和连接选项也仅针对多媒体应用，阻碍其用于其它车载数据传输应用。

与我们所习惯的以太网一样，车载以太网专注于提供基于IP地址的数据传输，而非特定类型的数据及其应用程序使用。其目前已取得的成功不容忽视，芯片供应商和软件社区提供支持亦成为默认配置。为满足汽车行业的需求，进行了一些改进，简化了集成，减轻了电缆重量，并确保符合测试和标准。它可以使用长度超过15米的简易轻型非屏蔽双绞线（UTP），并且物理层（PHY）的信令经过修改，能满足电磁兼容性需求。全双工数据速率可达到100 Mbits/s或1000 MBits/s，未来甚至会更高。

AVB／TSN通过对基本以太网标准的扩展，为特定应用需求提供支持。这样，汽车原始设备制造商就能在各种应用中使用以太网，并在所有应用中使用单一的网络技术和布线系统。

为确保以太网能够满足车载多媒体应用的需求，开发了音视频桥接（AVB）标准。流预留等机制可确保从主控单元到放大器或从麦克风到主控单元，始终都有延迟所需的可用带宽，无论同一网络上有哪些其它流量。为确保ANC和RNC等应用能够正常运行，所有传出和传入的音频流必须在同一时刻呈现。这对于在车辆中实施单独的声音区也至关重要。通过AVB／TSN标准中的多种特定机制实现这种实时延迟。

为简化AVB应用程序的实现，最好有一个能满足网络上所有节点需求的单一芯片解决方案。东芝推出的TC9562是最新一代支持AVB／TSN的设备，专门针对AVB应用并支持时间敏感网络（TSN）系统。PCIe接口可与车载主控单元中功能强大的片上系统（SoC）进行简单集成，为此类器件配备高效的AVB功能接口。此外，凭借集成的Arm^® Cortex^®-M3，TC9562可用作独立设备并执行单独的音频相关实现。这对于具有多通道放大器输出和麦克风输入的音频节点来说是理想之选。

对于SoC连接，TC9562的PCIe Gen 2接口支持高达5 GT/s的数据速率（图3）。然而，TC9562不仅仅是一个简单的PCIe-AVB桥接器。其内部还有一个与音频TDM相关的引擎，包括一个带有自身音频锁相环（PLL）的媒体时钟恢复单元。其可与PCIe SoC接口并行使用。

来自调谐器、蓝牙或其它来源的数字音频接口可以直接连接I²S或TDM接口。从这里开始，音频数据会自动插入以太网流量，或从以太网通信量中提取音频数据，无需应用处理器干预。总共可通过TDM／I²S处理多达32个输出通道和8个输入通道（反之亦然），输出音频样本分辨率高达32位，输入路径上的分辨率高达24位。

由于支持MII、RMII、RGMII和SGMII接口，因此还支持各种物理层。通过使用通用精确时间协议gPTP（IEEE 802.1AS），此单元还可用作主网络节点。这确保所有其它节点使用公共基础参考时钟运行。这对于维持整个系统实现降噪或声音区所需的实时性至关重要。

集成了AVB的所有必要标准，例如时间敏感流的转发和排队（IEEE 802.1Qav），以及针对时间敏感应用传输协议（IEEE 1722）的硬件支持。这可确保支持商定的音频格式以及媒体时钟恢复。

有一点十分关键，可通过一根以太网电缆将音频流与通用数据流结合起来（图4）。因此，在许多情况下，音频系统可以使用现有的以太网电缆。这减少甚至还消除了在多种不同的汽车音频网络体系结构上对单独的额外数字音频电缆和连接器的需求。

在音频终端，TC9562同样能发挥其出色的性能（图5）。TC9562确保音频数据与AVB音频网络的所有其它元件进行同步输出或采样。提供了片上音频时钟恢复PLL，支持高达50MHz的位时钟，以及来自所连接的音频设备（可以输出和输入音频时钟）的位时钟。嵌入式音频PLL可以独立于TDM／I²S接口进行操作，这是确保简单实现的关键。这降低了系统复杂性并避免了对昂贵的外部PLL解决方案的需求。

TC9562还具有一系列其它接口，有助于配置和控制集成至独立音频节点中的其它器件。其中包括I²C和SPI，两者均可用于配置板载器件，例如功率放大器或编解码器，以及两个UART通道，可用于连接蓝牙和GPS模块。在独立设置中通过快速62.5　MHz QSPI接口实现系统启动，或者在主机连接情况下通过PCIe或SPI实现系统启动。
TC9562器件配有方便的软件API程序包，允许客户自行对单独的汽车音频解决方案进行编程。其中包括用于集成Cortex M3 CPU的实时操作系统（RTOS）和以太网AVB堆栈。提供了与各个编解码器和放大器TDM／I²S数据格式进行接口连接设置的示例和支持。.

采用车载以太网为车辆原始设备制造商提供了一个机会，使其能够围绕一个单一的网络概念进行统一，从而满足大多数车载系统的需求。非屏蔽双绞线（UTP）布线重量轻，取代了一系列塑料光纤（POF）、低压差分信号（LVDS）以及其它专有替代方案。得益于AVB标准，现有的车载以太网还可用于提供与音频系统的连接，而不会影响音频质量，同时仍能满足现今降噪和声音分区技术的超低延迟要求。TC9562作为一个单一器件，既适用于主控单元或车载远程信息处理单元，也适用于端节点。集成的音频时钟恢复PLL是确保所有AVB参与者之间的低抖动同步性以及车主所期望的高品质音频体验的一个重要元件。

请点击按钮下载PDF文件。