（测试计量技术及仪器专业论文）车载通信系统广义总线的传输特征分析.pdf

摘要 摘要 本文针对车载通信系统广义总线的传输特征进行了研究。首先阐述了大量上 装车载设备，总线数量繁多，类型繁多，带来了车辆可靠性和安全性的问题。提 出了车载通信系统广义总线的概念，并将车载系统总线按照传输信号的不同分为 数据总线，射频总线，电源线，分别从信号性质及各类总线的物理特征方面进行 了传输特征的研究。 本文以最为广泛应用的传输信号的类型随机分布的、以梯形波作为单个 码元信号的二进制序列作为研究对象，推导出了此类信号的频域特征，并在 此基础上研究了信号的幅度、编码类型、传输速率对信号传输特征的影响。分析 了射频信号，主要是模拟射频信号的时频特征，以及电源信号的特征。分析了总 线带宽、多种因素造成的阻抗变化、以及屏蔽总线抽头对传输特征的影响。研究 了电源总线纹波产生的原因，纹波的抑制方法和电磁干扰( e m i - - e l e c t r o m a g n e t i e i n t e r f e r e n c e ) 电源滤波器的设计。为车载通信系统广义总线的电磁兼容性设计及应 用提供了理论依据，部分分析结果已经成功地应用于本实验室的相关项目中，并 且成效显著。 关键词：车载总线信号统计特性抽头纹波电源滤波器 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i co fb u s e sf o rv e h i c l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e n l sw a s d i s c u s s e di n t h i sp a p e r p r o b l e m so fr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yw e r ec a u s e db ym o r ea n d m o r ev e h i c l ed e v i s e sa n dv a r i o u sb u s e s t h ec o n c e p to fb r o a db u s e sf o rv e h i c l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa r ep r e s e n t e d ，a n dt h eb u s e sw e r ec a t e g o r i z e di n t ot h r e eg r o u p s d a t ab u s e s r a d i of r e q u e n c yb u s e sa n dp o w e rs u p p l yb u s e s - - - a c c o r d i n gt ot h ek i n d so f s i g n a l st r a n s m i t t e do nt h eb u s e s t h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb r o a db u s e sw e r e s t u d yi nt h ec h a r a c t e r i s t i co f s i g n a l sa n db u s e st h e m s e l v e s t h eg e n e r a ls i g n a l sf r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i cw a sc o n f i r m e db ys t u d y i n g w i t hr a n d o mt r a p e z o i dw a v e s ，a n do nt h i sb a s i c ，t h e c h a n g e so ft r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i cd u et ot h es i g n a la m p l i t u d e ，c o d i n gt y p e s ，a n dv e l o c i t yw e r es t u d i e d b e s i d e so ft h ef r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i co ft h er fs i g n a l ，i n c l u d i n ga n a l o g s i g n a l s ，a n dt h ep o w e rs u p p l ys i g n a l s ，t h ei n f e r e n c eo fb a n d w i d t h , i m p e d a n c e ，a n d p i g t a i l so ft h eb u s e st ot h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i cw a sa n a l y z e d t h er e s t r a i n i n g m e t h o d so fr i p p l e sa n dt h ed e s i g no fe m ip o w e rf i l t e rw e r ed e t a i l e d l ys t u d i e d t h e c o n c l u s i o nh a sb e e nu s e di n t oc o r r e l a t i v ei t e m s ，a n dp r o v e dt ob eg r e a t l ye f f e c t i v e k e y w o r d s ：v e h i c l eb u s e s s t a t i s t i c a lc h a r a c t e r i s t i co fs i g n a l s p i g t a i lr i p p l e p o w e rf i i t e r 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了职确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：瑁叁亟日期迦匕厶签 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名：盟鲞主 导师签名；鲤扬 日期蛰醚! ! ：9 丑期圭2 墨：查：蔓 第一章绪论 第一章绪论 近年来，随着人们生活水平的提高和电子信息技术的飞速发展，越来越多的 产品向高速化、智能化方向发展。汽车作为人们生活的必备工具之一也不例外。 为了满足生活的需要，车载设备除了要满足最基本的安全性、可靠性等需要之外， 越来越多的汽车上装了g p s 定位导航系统、车载计算机，车载m p 3 、m p 4 、车载 d v d 等通信设备和娱乐系统。这种发展趋势使得越来越多的电子设备拥挤在汽车 狭小的空间内，线路越来越复杂，影响了车载设备及系统的可靠性和安全性，同 时，也会降低汽车的舒适度。为了解决发展与车载系统的可靠性、安全性以及舒 适度之间的矛盾，车载总线快速发展。然而，由于车载设备的复杂性和多样化， 使得车载总线功能、分类之多，引起的电磁兼容性问题也越来越严重，要想从根 本上解决这一问题，必须从车载通信系统总线的传输特征入手进行深入研究。所 以对车载系统总线的研究是必需的，它能够为车载通信系统的发展提供理论依据。 1 1 车载通信系统总线的研究背景 随着现代汽车安全性、舒适性及环保要求的不断提高，汽车上的电路数量与 用电量显著增加，从而使大量线束在有限的汽车空间中如何更有效合理布置已成 为汽车制造业面f 临的问题。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将 不能适应汽车的发展。车载总线的兴起和应用在一定程度上解决了这一问题。本 节将对车载通信系统总线的研究背景作概要介绍。 车载总线从功能来分，有传递指令的信号线和运载驱动执行元件( 作动器) 电 力的电源线二种。其中信号线一部分传输的是数字信号，另一部分传输的是模拟 信号。 目前，车载系统中使用最多的数据通信协议是c a n ，由于其价格便宜，有很 好的实时性，可靠性、安全性、灵活性，获得了广泛的应用。其中最主要地应用 于动力传动系统与部件车身系通信。但是当总线上信息量增加时，很难保证响应 时间和预测性。英飞凌科技股份公司，已开始为高速车载通信系统开发下一代 f l e x r a y 标准总线系统，具有高速性，高可靠性。英飞凌的新型f l e x r a y 收发器的数 据传输速率可以达到1 0 m b p s ，是当前车用c a n 标准的1 0 倍。结合当前的微控制器， 英飞凌将为和汽车安全息息相关的车载控制单元、传感器和制动器( 如制动系统、 转向系统，以及动力传动系统) 之间的通信提供完善的总线系统。 而车载系统的通信逐步实现网络化。车内各种设备的之间的通信，采用了大 2 车载通信系统广义总线的传输特征分析 量的l a n 总线( 以r j 4 5 为主) ，r s 2 3 2 总线，4 8 5 总线，u s b 总线，1 3 9 4 总线等， 以及用来传输射频信号的同轴线，如音频、视频总线、短波超短波信号馈线等。 车辆本身与网络的连接，由汽车本身进行信息的发射与接收，例如在车辆导航装 置等方面，很多已经搭载在汽车上的信息设备也追加网络功能，从而扩大了汽车 的方便性。 对于通信总线来说，由于通信速度的高速化发展，必须良好地解决电磁兼容 性( e m c ) 问题。将来有可能改为塑料光纤( p o f ) 。采用塑料光纤既能解决电磁兼容 性问题，又能实现轻量化。由玻璃制造的光纤的应用将进一步实现更高速通信， 但必须解决成本、组装性、环境友好性诸类的问题。总线作为汽车内部的通信介 质，将向高速化、耐电磁干扰而且向“光化”( h p 采用光导技术发展方向) 变化。 由于总线电源电压高压化，使消耗电流降低，电线直径减少，因此为总线轻 量化与提高电源总线在车上的组装方便性提供了可能。但是，电源电压从现有的 提高，会产生很多如电磁泄漏，电磁噪声等方面的问题。 国内车载总线技术的研究起步较晚，核心技术主要依赖于国外，尚处于起步 阶段。但目前我国也有几款车型应用了总线技术，逐步形成车载通信网络。 根据前面的分析可知，人们对车载总线的研究主要集中在总线的灵活性、实 用性、协议等方面，而对车载通信系统广义总线的信号传输特征研究的很少。但 是车载系统可靠性、安全性与信号的传输特征有很大关系，因此，为了从本质上 解决车载系统的可靠性、安全性等问题，必须从车载通信系统广义总线的传输特 征入手，进行研究。 1 2 本文所做的工作 本文在以往研究的基础上，针对车载通信系统中广泛采用的各种类型的总线， 从基本上将其分为三大类总线，即车载数据总线、车载射频总线、车载电源总线， 并从信号传输的角度和总线物理特征的角度对不同车载总线的传输特征进行了全 面的、深入的研究。 本文的具体内容包含以下几个方面： 第一章，绪论主要介绍了研究车载通信系统广义总线的必要性，以及车载通 信总线的国内外研究背景及现状： 第二章，讲了总线的基本概念以及分类，给出了车载系统广义总线的概念， 为了研究的方便性将车载总线分为数据总线、射频总线、电源总线三大类，并详 细地分析了各类总线的结构； 第三章，分析车载通信系统数据总线，首先分析了几种典型的总线，总结了 信号及总线的物理特征，之后分析了信号的频域特征，并研究了信号幅度、编码 第一章绪论 类型、传输速率等对传输特征的影响，又研究了总线带宽、阻抗变化、总线变形 等对总线传输特征的影响； 第四章，分析了射频信号的时域特征，重点研究了模拟射频信号调制及其频 谱特性，给出了射频总线选型规则，研究了射频总线抽头在高频段造成的阻抗不 匹配对总线传输特征的影响； 第五章，研究了电源线上传输信号的特点，分析了纹波的产生途径及抑制方 法，电源总线传导发射的测试，通过分析和测试得出了采用双绞线作为电源总线 可以有利于信号传输的结论。还详细地解析了e m i 电源滤波器的设计。 第六章，对全文所做的工作以及下一步研究的方向作了总结和概括。 第二章车载通信系统的广义总线简介 第二章车载通信系统的广义总线简介 2 1 传统总线概念 由于在大量节点的设备中，采用传统的布线方式，会使得系统非常复杂，而 且可靠性降低。因此采用总线方式来进行信号传输。传统的总线，其分层、协议、 工作方式、传输介质、电气特性、速率、校验码等都有各自的规定。概括地讲， 传统的总线由协议、接口以及传输介质组成。如图2 1 所示。 图2 1 总线组成结构 采用总线来传输信号具有以下优点： 减少系统线缆，简化系统安装； 便于维护和管理； 降低系统的投资和运行成本； 提高系统的可靠性和安全性； 增强系统性能等方面的优越性。 总线的传输介质是一组进行互连和传输信息的信号线，这组信号线一般都包 括地址线、数据线、控制线、电源线等几种信号线。但由于控制信号与地址信号 比较简单，而且为了简化总线结构，实际总线中经常用数据线来传输控制信号与 地址信号。因此，常见的总线只有数据线和电源线。 总线按照通信方式可以分为并行总线和串行总线。并行通信指数据的各位同 时传送。并行方式传输数据速度快，但占用的通信线多，传输数据的可靠性随距 离的增加而下降，只适用于近距离的数据传送。主要用于计算机内部各插件板之 间进行连接和传输信息，女i p c i 总线、g p i b 总线和i s a 总线等。而串行通信是指在 单根数据线上将数据一位一位地依次传送。发送过程中，每发送完一个数据，再 发送第二个，依此类推。接受数据时，每次从单根数据线上一位一位地依次接受， 再把它们拼成一个完整的数据，串行通信传输速率较低，但在通信的吞吐量不是 很大的情况下，更加简单、方便，适合于远距离通信。主要用于计算机与外部设 备或系统之间的通信，如u s b 总线、i e e e l 3 9 4 总线、r s 2 3 2 总线、r s 4 2 2 总线、r s 4 8 5 6 车载通信系统广义总线的传输特征分析 总线、以太网总线，c a n 总线，x d s l 总线等。 2 2 车载通信系统广义总线 从广义的角度讲，总线就是指传统总线概念中的用来互连和传输信息的传输 介质，它没有特定的协议，只要在满足要求的条件下，能够在其介质上传输所需 的信号即可。 现代车载通信系统越来越复杂，很多设备、系统都安装在这个狭小的空间内， 总线之间的干扰，以及总线的天线效应严重地影响到了设备的通信质量和可靠性。 而这些影响大部分都是由长的串行总线引起的，而并行总线则因为物理结构较小 很难达到产生很大干扰和辐射程度。因此重点研究车载通信系统广义串行总线。 为了研究的广泛性和实用性，本文从广义的角度来研究车载通信系统总线的 传输特征。车载通信系统中，总线的种类繁多，类型多样。按照车载通信系统内 部总线传输信号的不同分为：用来控制设备、进行设备与系统之间通信的数据总 线，用来传输音频信号、视频信号和电台信号的射频总线，和为各种设备和系统 提供电源的电源总线。图2 2 为车载通信系统内部数据总线和射频总线互连结构图。 图2 2 车载通信系统内部数据和射频总线结构图 第二章车载通信系统的广义总线简介 由图2 2 可以看出，车载通信系统设备包括有线通信设备和无线通信设备两大 类。有线通信又有基带通信和射频通信。有线基带通信不经过调制解调，直接传 输信号，频率较低，一般在几兆以下。用来传输基带信号的总线一般用普通的信 号传输线，如c a n 总线，u s b 总线、r s 2 3 2 总线、以太网总线等，这里称为数据总 线，由平行线，双绞线，光纤等组成。而有线射频通信是为了将信号更好地传输， 在输出端将信号调制到一定的频率，在接收端将其解调而得到信号的一种通信的 方式。它的频率决定于载波频率和信号本身，一般在几百兆甚至几吉。如图中的 设备到音频接收端、设备4 至i j h f 或v h f 电台、电台到天线的总线均是射频总线。由 于射频信号的频率很高，通常都用同轴线。无线通信一般采用射频通信，如通过 天线通信，通常将信号调* b o n h f 、v h f 等频段进行传输。 图中2 2 中，c a n 总线用来控制，进行工况采集，北斗定位系统的通信；u s b 总线用于计算机与传真机的通信；计算机通过r s 2 3 2 总线对g p s 导航系统进行控制 和通信；计算机和交换机之间的数据传输由r j 4 5 总线( 以太网总线) 来实现；其中 也大量地采用了r s 4 8 5 ，r s 4 2 2 等总线。音频、视频信号与短波、超短波、等射频 信号及天线馈线通过射频总线来传输。 上图中所示的任何一台设备，都必须有电源才能工作，因此电源总线的结构 以及特点是非常重要的。图2 3 给出了车载通信系统电源总线的网络结构。 图2 3 车载通信系统电源总线的网络结构 电源由外部的2 2 0 v 5 0 h z 的交流电或者通信车自带的小型发电机提供。当交流 电网停电时，由蓄电池为负载供电。交流电由车载通信系统的综合电源通过a c d c 模块转换为设备和系统所需要的各种电压、电流数量等级的直流电。综合电源可 以通过不同的分线盒转换为不同电压、电流的直流电，经由电磁干扰滤波器( e m i 车载通信系统广义总线的传输特征分析 滤波器) 滤波后分别提供给不同需求的设备。如果需要也可以将直流电通过d c d c 模块转换为较小的直流电压提供给各种小功率的设备和器件，不过通常d c d c 模 块安装在设备系统的内部，是设备的一部分。车载通信系统内大部分设备和系统 都是+ 2 4 v 直流电源，如车内照明、各种不同波段的电台、北斗定位系统、o p s 导 航系统、传真机、计算机以及很多网络接口，也有5 v 、3 3 v 等，如板级供电等。 电源总线一般为平行双线和双绞线。 由前面对车载通信系统广义总线的分析可以总结如下图： 唇 图2 4 车载通信系统总线分类结构 车载通信系统广义总线分为数据总线、射频总线和电源总线，数据总线主要 传输数字基带信号( 妻n c a n ，u s b ，r s 2 3 2 ，r j 4 5 等) ，射频总线传输的是已调制信号 ( 如天线馈线，音视频信号线等) 。数据总线是传统的总线，包含协议、接口、传 输介质等，而射频总线和电源总线是广义总线，没有协议。 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析 9 第三章车载通信系统数据总线的传输特征分析 3 ，1 数据总线的信号分析 第二章中对车载通信系统广义总线的分析可知，通信车上装的数据总线数量 多，结构复杂，下面对几种典型的、常用的数据总线的进行分析，从而总结其一 般性，为研究车载通信系统数据总线的传输特征奠定基础。 3 1 1c a n 总线 c a n 总线是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代初，为解决现代汽车中众多的控 制与测试仪器之间的数据传输而开发的一种串行通信总线。c a n 总线有很好的实 时性、可靠性、安全性、灵活性，而且价格便宜，因此在车载通信和控制系统中， 获得了广泛的应用。 c a n 总线是一种多主方式的串行通讯总线，具有高的传输速率和高的抗电磁 干扰性。当信号传输距离达n 1 0 k m 时，c a n 总线仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速 率。c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其通信速率之间的关系如表 3 1 所示。 表3 1c a n 总线通信距离与通信速率的关系 通信速率 ( k b p s ) 1 0 0 05 0 02 5 01 2 51 0 0 5 02 01 05 最大距离 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 0 3 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 ( m ) c a n 总线有两条线组成，信号采用半双工差分传输的方式。传输媒质通常使 用非屏蔽的双绞线。信号采用双极性非归零( n r z ) 编码解码方式，如图3 1 所示。 101 10011 l0 0 e + e 一 图3 1 双极性非归零( n r z ) 编码 c a n 总线采用两种互补的逻辑数值“显性”和“隐性”来分别表示“0 ”和 “l ”。“显性”( “d a m i n a n t ”) 数值表示逻辑“0 ”，而“隐性”( “r e c e s s i v e ”) 表 示逻辑“1 ”。当总线上同时出现“显性”位和“隐性”位时，最终呈现在总线上 的是“显性”位。c a nh 和c a nl 表示c a n 总线收发器与总线的两接口引脚，信 号是以两线之间的“差分”电压v d i f 玎侈式出现。 1 0 车载通信系统广义总线的传输特征分析 在“隐性”状态即逻辑“1 ”下，v c a n _ h 和v c a n _ l 被固定为平均电压电平， v d i f f i 匠似为零，此时v c a n _ h 和v c a n _ l 的标称值为2 5 v 。“显性”位即逻辑“0 ” 以大于最小阀值的差分电压表示，此时v c a nh 的标称值为3 5 v ，v c a nl 的标 称值为1 5 v 。在总线空闲状态，发送隐性位。如图3 2 所示。 3 1 2 u s b 总线 图3 2 c a n 总线电平定义 曩寸阔 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) - - 通用串行总线，是由c o m p a q 、h p 等七家公司联合 推出的新一代标准接口总线。该总线是一种连接外围设备的串行总线。采用星形 层式结构和h u b 技术，允许一个u s b 主控机可以连接多于1 2 7 个外设，为计算机系 统扩充和配置外部设备提供了方便。应用非常广泛。但由于其拓扑结构的复杂性 及应用的灵活性，计算机系统的电磁兼容性将变得非常复杂。 u s b 总线由四根线组成，包括电源线v 。，地线g n d ，还有两根用于差分信号 传输的数据线d + 、d 。外型如图3 3 所示： 丢 d + d g n d k d + d g n d 图3 3u s b 信号线图 u s b 总线的电源由自身提供到外部设备，它能提供+ s v 5 0 0 m a 的电源，供低 功耗u s b 设备使用( 如：u s b 键盘、u s b 鼠标、优盘等) ；但需高功耗的u s b 设备要 自带电源( 如扫描仪等) 。 两根差分信号数据线信号电平为：当d + d - 2 0 0 m v 时，为差分“l ”；当 d d + 2 0 0 m v 时，为差分“0 ”。 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析1 1 目前应用最为广泛的是u s b2 0 ，其物理结构的横截面“1 如图3 4 。它可以工作 在3 种速率模式下：高速( 4 8 0 m b p s ) ：鲢0 2 m b p s ) ，低速( 1 5 m b p s ) 。高速传输的 u s b 总线，其最大长度不应超过5 米，而用于低速传输的总线则最大长度为2 米。用 于高速传输的u s b 总线最外层有屏蔽体。 图3 4u s b 物理结构的横截面图 电源线和地线采用标准2 8 a w g 线，其中包含5 条芯线，且这两条线距离总线轴 心均为0 9 m m 。两条差分信号线是一对双绞线，2 8 a w g 线，5 条芯线，距离总线 轴心均为0 7 m m ，全双绞的长度约为7 0 m m 。两双绞线之间的差分阻抗为9 0q 。 总线的外层屏蔽由密度) 6 5 的锡铜编织屏蔽体组成，s r 一，一2 l 。绝缘体 均为聚乙烯( p v c ) 。 u s b 总线采用双极性非归零翻转( n r z i - - n o nr e t u r nt oz e r oi n v e r t e d ) 编码：信 号为“1 ”时，电平保持不变；信号为“0 ”时，电平翻转。图3 5 给出了一个信号 流及其n r z i 编码。 一一。土一量一o 11i t1l i 一广1 门厂 厂 广： 撇l 1 磊 厂厂 广 厂 图3 5 信号流及n r z i 编码 差分信号线传输速率不同时，其电平及上升下降沿如图3 6 所示 。嘲习i d l e ! 一： ! ： ：h ： oa协j l jul _ j l 一l ； 南逮= 低逮： 全遗= 图3 6u s b 总线电平及上升下降沿与速率的关系 1 2 车载通信系统广义总线的传输特征分析 3 1 3r s 2 3 2 总线 r s 2 3 2 是由美国电子工业协会e i a 制定的通用标准串行接口，在计算机应用系 统中应用十分广泛，几乎是微型计算机必备的接口总线。已成为数据终端设备 ( d t e ) 与数据通信设备( d c e ) 的标准接口。 r s 2 3 2 有两种接口，9 针和2 5 针，其横截面如图3 7 所示。 睡固 ( a )( b ) 图3 79 2 5 针r s 2 3 2 接口横截面图 r s 2 3 2 接口信号面向使用调制解调器的串行异步通信，可支持两个通信信道： 主信道：用于数据传送，包括数据的接收、发送端和信号地； 次信道：为辅助串行通道，主要提供通道控制，但其传输速率比主信道要低 得多，通常较少使用，常用的连接为最简单的三线连接。 图8 中2 为数据发送端，3 为数据接收端，( a ) 中5 为g n d ，( b ) 中7 为g n d ，其余均为 控制线。 r s 2 3 2 总线采取单端传输方式通信。收、发端的数据信号是相对于信号地，如 从d ! 设备发出的数据在使用d b 9 连接器时是2 脚相对5 脚( 信号地) 的电平，这里 的信号地是用来构成回流通路的，不能缺少。其三线连接如图3 8 所示。 图3 8 三线连接示意图 由于r s 2 3 2 传送信号所用的电平较高的，一般采用屏蔽双绞线，规格为2 2 # a w g ，其外覆以屏蔽网。 r s 2 3 2 接口采用e i a 电平( 负逻辑) ：“0 ”电平为+ 3 v + 1 5 v ，“1 ”电平为一 3 v 一1 5 v ，实际常用4 - 1 2 v 或4 - 1 5 v 。采用双极性非归零( n r z - - n o tr e t u r nt o z e r o ) 编码，与c a n 总线的编码方式相同，但由于电平为负逻辑性，因此其信号的 编码如图3 9 ， 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析1 3 e + e - l 01 10011 10 0 i 门i 阳ii 一 图3 9 负逻辑双极性非归零( n r z ) 编码示意图 r s 2 3 2 总线有多种可供选择的传输速率，有：5 0 ，7 5 ，1 1 0 ，1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ， 1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 ，1 9 2 0 0 b p s 。速率与传输距离成反比关系，当传输速率 为1 9 2 0 0 时，实际的传输距离可达3 0 m 。 信号的上升下降沿与速率有关系，约为周期t 的0 1 左右。 3 1 4r j 4 5 总线 i u 4 5 总线是i e c ( 6 0 ) 6 0 3 7 标准化的，有国际性的接插件标准定义的8 个位置( 8 针) 的模块化插孔或者插头。r j 4 5 总线广泛地应用于以太网通信中，传输速率有 1 0 m b p s 、1 0 0 m b p s 、1 0 0 0 m b p s 。 目前所用的r j 4 5 线大多由4 对5 类非屏蔽双绞线( u 1 卜i7 n s h i e l d e dt w i s t e dp a i r ) 或屏蔽双绞线( s t p - - s h i e l d e d t w i s t e d p a i r ) 构成，其中常用的网线为u t p ( 差分阻抗 为1 0 0q ) 。如果数据敏感或者网络附近有强电磁辐射干扰的情况下使用s v p ( 差分 阻抗为1 5 0q ) ，一般适用于金融、电信、军事、政府等敏感部门的局域网络。线 的规格为2 6a w g ” 。 r j 4 5 总线接口的排序有两种标准，一种为t - 5 6 8 a ，另一为t - 5 6 8 b 。两种标准 的差别在于橙、绿两组线对调。如图3 。1 0 图3 1 0i l l 4 5 接口示意图 r j 4 5 总线分为4 线通信和8 线通信。应用最为广泛的为4 线通信，其余4 线处于 空闲状态，用于传输1 0 1 0 0 m b p s 的信号。8 线通信用来传送1 0 0 0m b p s 的信号。4 线 传输时，两种接口标准中，信号均在l ，2 ，3 ，6 号线上传送。 1 0 1 0 0 b a s e t 中的信号是单向的一信号在一对双绞线上沿一个方向进行传 输。与之相反的是，1 0 0 0 b a s e t 的信号是在同一对双绞线上双向传输的，两个方 向信号同时进行传输；也就是说，两个收发器对占据同一对双绞线。在一对双绞 1 4车载通信系统广义总线的传输特征分析 线传送双向数据是通过一种被称作“混合电路”的设备实现的。混合电路将本地 发送的信号与本地接收的信号区分开来。 以太网1 0 1 0 0 b a s e t ( 4 线) 接口，按t - 5 6 8 b 排序，各针描述为： 1 耵( + 一黄白一发信号+ 2 t x 一一黄一发信号一 3 r x + 一绿白一收信号+ 4 毗一蓝一空闲 5 毗一蓝白一空闲 6 - r x 一绿一收信号一 7 础- 棕白一空闲 8 肌一棕一空闲 1 0 m b p s 以太网接口( 符合i e e e 8 0 2 3 ) ，采用曼切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码，“1 ” 用“1 0 ”表示，“0 ”用“0 1 ”表示，如图3 1 l ( a ) ，用0 8 5 v 和一0 8 5 v 分别表示高 低电平。 l o o m b p s 快速以太网接口( 符合i e e e 8 0 2 3 u ) ，采用差分曼切斯特( d i f f e r e n t i a l m a n c h e s t e r ) 编码，“l ”电平保持不变，“0 ”电平翻转，如图3 1 l ( b ) ，用1 v 和一 1 v 分别表示高低电平。采用4 b 5 b 编码方式，即信号传输时用5 b i t 的符号来表示 4 b i t 的数据信息。则实际总线上传输速率为1 2 5 m b p s 。 1ol1o01l l00 疃长印古喃旋 ( a ) 曼切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码 1 011001l l0 0 量切磋弛魏胁骢l ：唧：一 ( b ) 差分曼切斯特( d i f f e r e n t i a lm a n c h e s t e r ) 编码 图3 1 1 曼切斯特编码和差分曼切斯特码示意图 1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 双绞线最大长度均为1 0 0 m 以太网1 0 0 0 b a s e t 4 ( 8 线) 接口，按t - 5 6 8 b 排序，各针描述为： 1 一双向1 + 一黄白一发信号+ 2 一双向卜一黄一发信号一 3 一双向2 + 一绿白一收信号+ 4 双向3 + 一蓝 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析 1 5 5 一双向3 一蓝白 6 一双向2 一绿一收信号一 7 一双向4 + 一棕白 8 一双向4 一棕 1 0 0 0 m b p s 以太网接口( 符合i e e e 8 0 2 3 a b ) ，传送速率可以等效地看作是在四对 双绞线上，每对的传送速率为2 5 0 m b p s ( 2 5 0 m b p s + 4 = 1 0 0 0 m b p s ) 。 1 0 0 0 b a s e - t 与1 0 0 b a s e t 采用相同的传送时钟频率( 1 2 5 m h z ) ： 1 0 0 0 b a s e t ：1 2 5 m h z * 2 比特= 2 5 0 m b p s ： 1 0 0 b a s e t ：采用一种4 b 5 b 编码一在将信号放到线缆上进行传输之前， 每4 b i t 的数据被转换成5 b i t 符号；因此有效的比特传送速率为：1 2 5m h z 4 5 2 1 0 0 m b p s 。 由前面四种典型的车载通信系统基带通信控制总线总线的分析可知，不同总 线其信号幅值、编码方式、传输速率以及传输介质等都有所不同。将其总结如下： 表3 1 典型基带通信控制总线总结 总线类型信号幅值编码速率线制介质传输模式 双绞线 c a n 总线 2 vn r z 1 m b p s 2 线差分传送 同轴电缆 高速：4 0 0 m v 4 8 0m b p s ， u s b 总线 n r z i 1 2 m b p s ， 4 线双绞线 差分传送 全速、低速：3 v 1 5 m b p s 一般 d b 2 5 r s 2 3 2 总线 1 5 1 2 vn r z 双绞线单端传送 1 9 2 k b p s d b 9 1 0 m b p s ：0 $ 5 v 1 0 ，l o o m b p s 4 线双绞线 r j 4 5 总线 m a n c h c s t e r 差分传送 1 0 0 1 0 0 0 m b p s ：1 v1 0 0 0 m b p s 8 线光纤 下面逐一分析以上各种因素对总线传输特征的影响。传输特征的不同实质上 是由于不同信号的频率成分不同而引起的。不同频率的信号，其信号衰减、特征 阻抗、辐射发射强度等都是不同的，因此在频域内分析信号的传输特征要比时域 内分析更为直观、容易。 3 2 数据总线传输信号的频谱分析 车载通信系统数据总线传输的信号一般为数字基带信号。数字基带信号是没 有经过载波调制而直接用来传输的数字信号。组成基带信号的单个码元的波形有 很多，如矩形脉冲、高斯形脉冲、梯型脉冲等。下面以一种通用的方式来研究。 1 6 车载通信系统广义总线的传输特征分析 3 2 1 任意概率统计特性的信号的频谱分析 由于数字信号是用一系列二进制0 、1 表示的，现令蜀( t ) 对应二进制符号0 ， g ：( t ) 对应“l ”，码元间隔为乙，则基带信号可表示为 所( f ) = e g ( t - n t ) ( 3 1 ) 式中，e 一第n 个信息符号所对应的电平值，即3 1 节中提到的各种总线上传输 的信号的幅值，如r s 2 3 2 的值为e = + 1 5 ，r j 4 5 的值为e = 1 等。 勖( i + 互) 际。 i 一洲 图3 1 2 任一随机序列的不惹波形 现在假设序列中任一码元时间瓦内g l ( r ) 和9 2 ( t ) 出现的概率分别为p 和l p ， 且认为它们的出现是统计独立的，则该序列m ( t 1 可以写成 珊= 胎爱j ：蛩篙尝p p z ， 由于随机序列的功率谱密度“2 1 为 己( 国) ：舰删t ( 3 3 ) 这里可以把信号珑( f ) 分成一个稳态波v ( f ) 和一个交变波( f ) 构成。 1 、求稳态波的功率谱密度 这里所谓稳态波，即随机信号m ( r ) 的平均分量，可以表示为 v ( t ) ：p zg l ( t - , r ) + 0 - e ) 9 2 ( 卜刀乙) = 二_ 彳 ”： ( 3 4 ) r 、。7 i 蹈( t - n t ) + ( 1 - v ) 9 2 ( t - n t ) l 由上式可知，v ( f + 乙) = v ( f ) ，故v ( r ) 是以乙为周期的周期信号，v ( f ) 的功 率谱密度只( ) 为“” 只( ) = k 粥；( 矾) + ( 1 一p ) g 2 ( 矾) i 6 ( 一帆) ( 3 5 ) 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析 1 7 其中， g l ( 帆) = 蜀( f ) e 印。即出 g 2 ( 圮乞) = ( r ) e 讲4 咖西 2 、求交变波的功率谱密度 交变波甜( ，) 为 ( r ) = m o ) 一v ( f ) = 吒 岛( f 一厅乇) 一9 2 ( t 一珂已) ( 3 6 ) 其中， 吒= 了：誉簇茎：一p c ，- 乃 “( f ) 的功率谱密度只( ) 为 ( ) = 厶p ( 1 一p ) lg 1 ( 厂) 一g ：( 厂) 1 2 ( 3 8 ) 3 、求随机序列的功率谱密度 n h 于m ( t ) = 甜( r ) + v ( f ) ，贝l j m ( t ) 的功率谱密度为 己( ) = ( ) + 只( ) = 无p ( 1 一，) ig l ( 厂) 一g 2 ( 州2 + ( 3 - 9 ) i 五 尸g 1 ( 矾) + ( 卜，) g 2 ( 矾) i 占( 厂一帆) 上式是双边的功率谱密度表示式。 由式( 3 9 ) 可以看出，随机序列的功率谱密度与码元宽度已、0 ，1 分配概率 p 以及单个码元的波形的频谱c ( f 1 都有关系。 ( 1 ) 对于单极性波形：若设岛( r ) = 0 ，( t ) = g ( t ) 随机序列的功率谱密度为 巴( ) = 厶p ( 1 一p ) l g ( 厂) | 2 + 妻i 厶 ( 1 一p ) g ( ，吮) f 占( 厂一，吮) ( 3 - 1 0 ) 式中，g ( 厂) 是g ( f ) 的频谱函数。通常认为基带信号的单个码元是矩形脉冲， 而实际传输系统中由于理想的矩形脉冲实现困难，而采用梯型脉冲作为数字基带 信号的基本码元信号，即 g ( f ) = 梯形波波型如下图所示， 乙 瓦一f 1 0 ， i t l 5 q - ( 一势甜i 墨2 1 8 车载通信系统广义总线的传输特征分析 e _刁i 。 图3 1 3 梯形波波形 其频谱函数为【1 3 】【1 4 】 g = 掣叫避科避叫p t 动 那么，当p = l 2 ，式( 3 l o ) g g 变为 擀厶掣掰 掣h 掣 + b 口等p 掣h 掣p 训 ( 2 ) 对于双极性波形：若设蜀( r ) = - 9 2 ( t ) = g ( t ) ，则有 己( ) = 4 无p ( 1 一p ) i g ( ，) + 妻眦2 p o g ( - ：o ) 1 2 占( 一矾) 3 “ 当p = 1 2 时，则式( 3 - 1 4 ) 变为 只( ) = 厶f g ( 刊2 ( 3 - 1 5 ) 此时，将式( 3 1 2 ) 代x ( 3 - 1 5 ) 得 嘶m 警掣勋2 避勋2 避叫 p 旧 由以上分析过程可知，随机序列的功率谱密度可能包含两部分：一部分是由 交变波“( f ) 产生的连续谱只 ) ，一部分是由稳态波v ( ，) 产生的离散谱只( ) 。连 续谱总是存在的，因为数字信息( t ) 岛( f ) ，故g 1 ( f ) g 2 ( f ) ( 由式( 3 8 ) 可知) ， 离散谱是可能存在的，由式( 3 5 ) 可知，当p = 1 2 ，且蜀( t ) = - 9 2 ( t ) 时，( ) = o 。 下面应用以上结论来具体分析常见的车载基带通信控制总线的信号传输特 征。 3 2 2 信号编码及速率对频谱的影响 为了适合信道的传输和提高信号传输的可靠性，信号要先编码才能进入信 第三章车载通信系统控制总线的传输特征分析 1 9 道。编码类型很多，如前面提到的c a n 总线，r s 2 3 2 总线采用了双极性非归零 ( n r z ) 编码，u s b 总线采用了双极性非归零翻转( n r z i ) 编码，r j 4 5 总线采用了曼 切斯特( m a n c h e s t e r ) 编码。 1 ) n r z 编码 n r z 编码是用+ e 表示“l ”，一e 表示“0 ”，是双极性码，当p = l 2 时，可以 用式( 3 1 6 ) 来计算其功率谱密度。即 撕m 华掣勋2 鹆爿2 驾叫p 其功率谱密度如图3 1 4 ，( a ) 、( c ) 、( d ) 中码元速率为1 m b p s ，( b ) 中码元速率 为2 m b p s ，( a ) 、( b ) 中 t - 1 = 0 s t ，( c ) 中q = o 6 乙，( d ) f 。= 0 4 t m 。图( a ) 、( b ) 比 较可知，如果梯形脉冲序列的周期乙与电平保持时间f l 的比例保持不变( 上升时 间与周期比例不变) ，功率谱密度曲线的形状不变，且带宽只与乙有关系，且 q = o 8 l 时，可以算出两图中第一零点峰值与第二零点峰值相差1 3 d b 。图( c ) 中 第一零点峰值与第二零点峰值相差1 5 d b ，( d )