近年來“車聯(lián)網”概念的熱度一直都居高不下。說起車聯(lián)網，當然就不得不提車載以太網以及車聯(lián)網的核心組成部分之一---T-BOX！

本文將會從車載以太網100BASE-T1說起，深入剖析車載以太網特點，并且詳細介紹TI的明星產品DP83TC811S-Q1的優(yōu)點以及在T-BOX的應用中的優(yōu)勢所在。

什么是車載以太網？---從100BASE-T1說起

以太網早已被廣泛應用于商業(yè)和工業(yè)，但直到100BASE-T1的出現(xiàn)，它才被廣泛應用于汽車應用。雖然有些車輛也有將傳統(tǒng)的100BASE-TX應用在車輛診斷（OBD），但由于它需要兩對雙絞線，難以符合嚴格的汽車輻射排放標準，所以100BASE-TX一直無法在汽車生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)展。而IEEE 802.3bw（又稱為100BASE-T1）就是為了滿足汽車系統(tǒng)需求而開發(fā)的，通過技術的改進，如加入迭代、編碼以及擾亂機制等，使其電磁輻射性能有所改善、布線成本下降、占用空間減少，只需要采用單對非屏蔽的雙絞線即可實現(xiàn)100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸。通訊距離至少可達15m，并且符合CISPR 25 Class 5輻射排放標準，也符合其他的一些汽車排放標準，如Open Alliance。未來，100BASE-T1將會將車載生態(tài)系統(tǒng)標準化為網絡體系結構，從而簡化ECU整體的通訊體系，甚至有可能淘汰較老的或已經不太流行的協(xié)議，如FlexRay等。

為什么魚與熊掌兼得？---剖析100BASE-T1

為什么100BASE-T1能滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量以及高帶寬等眾多要求？這與100BASE-T1的以下幾個特點密不可分：

采用了特殊的編碼方式

100BASE-T1采用了獨特的4-bit到3-bit (4B3B)、3-bit到2-ternary pair(3B2T) 和三電平脈沖幅度調制(PAM3)編碼方案，從而實現(xiàn)較低的電磁干擾。在進入單對非屏蔽雙絞線之前，100BASE-T1的PHY執(zhí)行了所有必要的加擾和編碼。100BASE-T1對MAC是透明的，現(xiàn)有的MII沒有改變。目前有四種主要的xMlls 用于100BASE-T1：RGMII，MII、RMII、RGMII和SGMII。

如下圖1所示，PHY接收到來自MAC的數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行編碼、加擾和序列化。這些過程為PHY的模擬前端準備數(shù)據(jù)，然后PHY將這些數(shù)據(jù)通過單對非屏蔽雙絞線傳輸?shù)綄逆溌坊锇椤?/p>

圖- 1 xMIIs

以下圖2舉例，說明從MII到MDI數(shù)據(jù)是如何轉換的。

圖- 2 從MII到MDI[10]的GPHY數(shù)據(jù)轉換

4B Data：通過RGMII與MAC通訊的PHY接收到了4-bit，頻率為25M。(25M*4=100Mbps)

3B Data：PHY將這4-bit轉換成了3-bit，如果不能被3整除就添加補充位，頻率增加為33.333M。(33.33M*3=100Mbps)

2T：根據(jù)表1中的對應關系，將3-bit 轉換成2-ternary pair。比如010就轉成-1 1。

表- 1 100BASE-T1 idle symbol mapping

PAM3：通過三電平脈沖幅度調制（PAM3）編碼方案在MDI上傳輸，電平狀態(tài)有三種：-1/0/1，基頻變?yōu)?6.66MHz。

我們可以對比一下，傳統(tǒng)的100BASE-TX采用多級傳輸（MLT-3）以實現(xiàn)125MHz的數(shù)據(jù)傳輸。其使用的基頻遠高于100BASE-TX1（66.66MHz），所以需要專用的帶屏蔽的雙絞線去發(fā)送與接收。而100BASE-T1帶寬為33.3MHz，接近100BASE-TX帶寬的一半。這意味著可以使用成本較低的線纜，卻能提供更好的輻射排放和免疫能力。這兩點都是汽車應用的關鍵。

此外，采用這種數(shù)據(jù)轉換方式也使得100BASE-T1的光譜效率有所提高，可以減少傳輸相同數(shù)量數(shù)據(jù)所需要的帶寬。

可在單對非屏蔽雙絞線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)

100BASE-T1是一個物理全雙工接口，支持在同一對雙絞線上傳輸和接收，而100BASE-T和100BASE-TX則是在不同的專用對上傳輸和接收。共享媒介使得100BASE-T1可以降低了車輛的整體線纜重量，不僅降低了材料成本，還提高了燃料效率。物理全雙工是通過疊加原理實現(xiàn)的。100BASE-T1物理系統(tǒng)已經集成了混合系統(tǒng)，并使用回聲消除來去除自身的發(fā)射信號，并從鏈路伙伴處提取接收到的信息。為了做到這一點，一個PHY被專用為Master，另一個PHY為Slave。當兩個100BASE-T1物理連接時，它們經過一個訓練過程，使被測設備（DUT）和鏈路伙伴以相同的頻率、相同的相位傳輸信息。圖3是每個PHY中混合和回聲消除的簡化框圖。

圖- 3 PHY中混合和回聲消除的簡化框圖

可通過外部組件進行調節(jié)

在PAM3信號離開或進入板之前，有幾個外部組件可以對信號的傳輸和接收進行調節(jié)。目的是為了隔離MDI以防止地回路和產生直流偏移、改進共模噪聲濾波、并在保持高免疫的同時減少輻射排放。

盡可能減少了共模噪聲

在MDI上使用共模扼流圈（CMC）過濾共模噪聲。盡可能減少共模噪聲極其重要，因為它會干擾PHY的接收。此外，由于共模噪聲是單端能源，會導致更高的輻射排放。下表2列出了設計中使用到的共模扼流圈（CMC）必須滿足的100BASE-T1 PHY的要求。

表- 2 100BASE-T1標準的VCMC參數(shù)

采用更簡化的直流隔離

下圖4展示的是100BASE-TX和100BASE-T1分別是如何實現(xiàn)直流隔離的。100BASE-TX PHY通常使用帶有中心抽頭（在PHY的一側）的變壓器，連接到位于PHY的直流電壓。變壓器也會使用鮑勃史密斯終端（中心抽頭，在連接器一側，通過電阻連接到地面），以改善共模噪聲干擾。100BASE-T1則采用更簡單的方法，只使用兩個電容。與變壓器的方案相比，這兩個電容提供了直流隔離，并減少了整體尺寸。圖5則是典型的100BASE-T1電路實現(xiàn)。

圖- 4 100BASE-TX和100BASE-T1的直流隔離

圖- 5 100BASE-T1 典型電路

正是由于這一系列的改進與優(yōu)化使得100BASE-T1能滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量以及高帶寬等眾多要求，非常適合應用在汽車系統(tǒng)中。其中一個最典型的應用就是T-BOX。

助力于T-BOX的DP83TC811S-Q1

每個車聯(lián)網系統(tǒng)背后都有一個默默付出的T-BOX，雖然它不像車載娛樂大屏那樣頻頻刷存在感，但卻默默地撐起了車聯(lián)網的一片天。T-BOX又稱遠程信息控制單元（TCU），它控制著車輛的跟蹤定位以及通訊。如下圖6所示，汽車上的各種ECU都可以通過車載網關（各個通訊域的橋梁），進一步與T-BOX（TCU）通訊，從而使得汽車上的各種ECU都能訪問云端，進而實現(xiàn)軟件/固件的無線升級（OTA）或者數(shù)據(jù)的交互傳輸，從而為人們提供極大的便利。

圖- 6 網關的系統(tǒng)框圖

為什么說100BASE-T1能夠極大地助力T-BOX的應用呢？首先T-BOX作為汽車的核心ECU之一，其器件的選型當然也需要滿足前面反復強調的低電磁干擾、低成本、低線纜重量等要求。不僅如此，隨著通訊行業(yè)的迅猛發(fā)展，T-BOX也逐步從2G、3G向4G甚至5G邁進。一些在T-BOX 中的4G（LTE）調制解調模塊可以工作在300-400Mbps，在這種高速傳輸速率的要求下，前面提到的滿足汽車系統(tǒng)級要求的100BASE-T1，甚至1000BASE-T1的PHY，無疑是跟T-BOX的需求完美契合！不僅如此，使用100BASE-T1甚至1000BASE-T1，可以大大提升固件或軟件的更新和校準速度，從而減少汽車系統(tǒng)更新導致的停機時間。這是2Mbps的CAN FD又或者10Mbps的FlexRay無法比擬的。

TI的明星產品DP83TC811S-Q1是符合IEEE 802.3bw的汽車PHYTER?以太網物理層收發(fā)器。它提供了通過非屏蔽單對雙絞線電纜發(fā)送和接收數(shù)據(jù)所需的所有物理層功能，并且提供xMII靈活性，其特點列舉如下：

符合IEEE802.3bw(100BASE-T1)標準 可在60米非屏蔽雙絞線（UTSP）上達到100Mbps的傳輸速率，并且可與其他100BASE-T1 PHY兼容。

支持多個MAC接口 SGMII / RGMII / RMII / MII，注意DP83TC811S-Q1才是支持SGMII的。

僅需極少的外部組件 DP83TC811S-Q1集成PMD濾波器，電源濾波器，MII終端，PMD終端。僅需極少外圍部件即可。

與后續(xù)推出的1000BASE-T1引腳兼容

符合OPEN ALLIANCE TC8汽車以太網ECU測試規(guī)范

支持IEEE 1588 SFD

對EMI和EMC性能進行了優(yōu)化

低延遲（<150ns--- transmit MII）

超低有功功率（210mW ---RMII）

該器件還包括診斷工具套件，提供了廣泛的實時監(jiān)視工具，調試工具和測試模式列表。該工具包內是第一個集成式靜電放電（ESD）監(jiān)視工具。它能夠計算xMII和MDI上的ESD事件，并通過使用可編程中斷來提供實時監(jiān)視。此外，DP83TC811S-Q1包括一個偽隨機二進制序列（PRBS）幀生成工具，該工具與內部環(huán)回完全兼容，無需使用MAC即可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

綜上所述，TI的100BASE-T1車載以太網PHY滿足汽車低電磁干擾的、低成本、低線纜重量等眾多要求，并且完美契合汽車T-BOX（TCU）應用所需要的高帶寬需求，讓您的T-BOX如虎添翼！而對應的TI器件DP83TC811S-Q1將會繼續(xù)助力包括T-BOX在內的車聯(lián)網應用。

審核編輯：郭婷