一、技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1名詞解釋

車載以太網(wǎng)是一種連接車內(nèi)電子單元的新型局域網(wǎng)技術(shù)，在單對(duì)非屏蔽雙絞線上可實(shí)現(xiàn) 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)滿足汽車行業(yè)高可靠性、低電磁輻射、低功耗、帶寬分配、低延遲以及同步實(shí)時(shí)性等方面的要求。

1.2基本技術(shù)原理

車載以太網(wǎng)技術(shù)是在我們消費(fèi)領(lǐng)域的以太網(wǎng)技術(shù)上發(fā)展過(guò)來(lái)的，是在物理層進(jìn)行了優(yōu)化以適應(yīng)汽車電子要求的一種技術(shù)。

我們常用的以太網(wǎng)和車載以太網(wǎng)主要是在物理層不同，基本架構(gòu)依然是MAC+PHY芯片+傳輸鏈路。主要有100M和1G兩種標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于100M車載以太網(wǎng)在PHY層主要有兩個(gè)規(guī)范：BroadR-Reach和100Base-T1，兩者都是明確為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的，并且它們之間有很多重疊。而1000Base-T1這是千兆車載以太網(wǎng)的物理層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

100Base-T1最顯著的特點(diǎn)就是使用單對(duì)差分線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，從成本上來(lái)說(shuō)降低了線束的成本和重量。

二、技術(shù)細(xì)節(jié)

本文就介紹以相對(duì)主流的100Base-T1進(jìn)行介紹。

2.1 基本結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)分為MAC、PHY個(gè)MDI三部分。

2.2PHY功能

PHY 芯片很多廠家都有，按照一貫的風(fēng)格，我們還是以資料開(kāi)放度比較高的TI生產(chǎn)DP83TC811R-Q1 的為例進(jìn)行介紹。下圖是DP83TC811R-Q1數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的一個(gè)簡(jiǎn)單的原理圖

2.2.1編碼技術(shù)

100BASE-T1采用獨(dú)特的4bit至3bit（4B3B），3bit至2三進(jìn)制對(duì)（3B2T）和三級(jí)脈沖幅度調(diào)制（threelevel pulse amplitude modulation,PAM3）編碼方案。這一塊有點(diǎn)復(fù)雜，不像人話，我們來(lái)細(xì)述一番。

假設(shè)我們使用的是MII接口，通信速率是100Mb，數(shù)據(jù)寬度是4bit,速率是25M。為了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY從MII接口收到數(shù)據(jù)后，會(huì)首先進(jìn)行一個(gè)4B3B的轉(zhuǎn)換，并將時(shí)鐘頻率提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。

之后PHY要再進(jìn)行3B2T的操作，將每次接收到的3個(gè)bit轉(zhuǎn)化為2個(gè)三進(jìn)制電平值（取值范圍是-1，0，1），具體的對(duì)應(yīng)關(guān)系如上圖中的表所示。3個(gè)bit有8種組合（即2的三次方），兩個(gè)電平值有9種組成（即3的平方），所以后者可以覆蓋前者。此時(shí)時(shí)鐘周期仍然是33.333M，但是每個(gè)時(shí)鐘周期中的兩個(gè)電平就能夠表示3個(gè) bit了，所以此時(shí)的數(shù)據(jù)速率仍然是100Mbit/s，每個(gè)電平實(shí)際上包含了1.5bit信息。3B2T的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下表

最后一步是PAM3，將邏輯的-1，0，1轉(zhuǎn)化為在雙絞線上的電壓，所以，最終在總線上信號(hào)的波特率是66.666MHz，但是它實(shí)現(xiàn)了100Mbit/s的通信速率。

下圖是數(shù)據(jù)從MII接口到雙絞線電平的轉(zhuǎn)換過(guò)程。

為了更加直觀地理解三電平信號(hào)，下面給出在IDEL模式下端口上的信號(hào)波形。

2.2.2 回聲消除技術(shù)

10BASE-T和100BASE-TX有兩對(duì)信號(hào)線，分別進(jìn)行收和發(fā)，但是100BASE-T1是也是物理全雙工接口，卻允許在同一對(duì)上進(jìn)行發(fā)送和接收。這個(gè)物理全雙工通過(guò)疊加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，并使用回聲消除功能來(lái)消除其自身的發(fā)送信號(hào)并從鏈路伙伴中提取接收到的信息。為了做到這一點(diǎn)，一個(gè)PHY專門(mén)用作主機(jī)，另一個(gè)作為從機(jī)。當(dāng)兩個(gè)100BASE-T1 PHY連接時(shí)，它們會(huì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練過(guò)程，從而使被測(cè)設(shè)備（DUT）和鏈路伙伴以相同的頻率以相同的相位傳輸信息。下圖說(shuō)明了每個(gè)PHY內(nèi)的混合和回聲消除的簡(jiǎn)化框圖。

最后我們?cè)俳o出DP83TC811R-Q1 的完整功能框圖加深理解。

2.3Medium?Dependent Interface (MDI)

兩個(gè)PHY芯片之間的連接叫媒體專用接口(MDI),它包括靜電防護(hù)、共模干擾抑制、直流隔離、車載接頭和雙絞線幾個(gè)部分。

2.3.1共模噪聲抑制

共模扼流圈（CMC）過(guò)濾MDI上的共模噪聲。盡可能降低共模噪聲非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)干擾PHY的接收器。另外，由于共模噪聲是單端輻射源，因此會(huì)導(dǎo)致較高的輻射發(fā)射。

下圖列出了CMC必須與100BASE-T1 PHY一起使用的要求。

2.3.2直流隔離

100BASE-TX的DC隔離通常使用變壓器，其中心抽頭（在PHY側(cè)）連接到取決于PHY的DC電壓。

100BASE-T1僅使用兩個(gè)電容器，與帶有變壓器的應(yīng)用相比，這兩個(gè)電容器提供了直流隔離并減小了解決方案的尺寸。

2.3.3絞線

對(duì)于初期的以太網(wǎng)設(shè)計(jì)的傳輸介質(zhì)是同軸電纜，同軸電纜使用了電磁屏蔽原理，即在線纜的內(nèi)外兩芯之間以及外芯和線皮分別納入一層鋁制的屏蔽網(wǎng)，從而屏蔽干擾信號(hào)，事實(shí)證明這種屏蔽效果更好，然而也更昂貴。

雙絞線利用自身的特性有效降低了環(huán)路的面積，可以有效抵抗外接干擾，并且可以利用差分線的特點(diǎn)有效降低對(duì)外輻射。車載系統(tǒng)受到空間、成本和重量的限制，最終還是選擇了雙絞線，100BASE-T1要求雙絞線阻抗為100歐姆，線束長(zhǎng)度限制為15m，實(shí)際應(yīng)用建議不要超過(guò)10m。

2.3 POE

POE，即Power Over Ethernet，是一種使用以太網(wǎng)接口直接進(jìn)行供電的技術(shù)，可以有效減少線束成本的方案。目前看到該技術(shù)只在千兆車載以太網(wǎng)上應(yīng)用。這里留坑先。

2.4技術(shù)優(yōu)勢(shì)說(shuō)明

車載以太網(wǎng)使用回聲消除技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單對(duì)雙絞線進(jìn)行百兆數(shù)據(jù)流傳輸，降低線束成本和重量。使用雙絞線、三電平技術(shù)有效降低對(duì)外輻射，使用電容進(jìn)行直流隔離，降低PCA成本和PCB面積。

三、技術(shù)擴(kuò)展

3.1以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

首先是100Base-Tx, 在1995年由IEEE802.3釋放標(biāo)準(zhǔn)；

IEEE 802.3u (100Base-T)是100兆比特每秒以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。100Base-T技術(shù)中可采用3類傳輸介質(zhì)，即: 100Base-T4、100Base-TX和100Base-FX。其中100BASE-TX、100BASE-FX支持全雙工模式。

3.1.1 100Base-Tx

100標(biāo)識(shí)傳輸速率為100Mbit/s, base標(biāo)識(shí)采用基帶傳輸；T表示傳輸介質(zhì)，2對(duì)5類UTP。

100BASE-TX采用的是4B/5B編碼方式，即把每4位數(shù)據(jù)用5位的編碼組來(lái)表示，該編碼方式的碼元利用率=4/5*100%=80%。然后將4B/5B編碼成NRZI進(jìn)行傳輸，使其可以125MHz的串行數(shù)據(jù)流來(lái)傳送數(shù)據(jù)；

100BASE-TX采用的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型，在目前的組網(wǎng)方法中，使用最多的是- 100BASE-TX標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)卡，只支持RJ-45標(biāo)準(zhǔn)，它多用于主干網(wǎng)。

使用兩對(duì)5類非屏蔽雙絞線或1類屏蔽雙絞線，一對(duì)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)用于接收數(shù)據(jù)，最大網(wǎng)段長(zhǎng)度為100m，布線符合EIA568標(biāo)準(zhǔn)；100Base-TX使100Base-T中使用最廣的物理層規(guī)范。

3.1.2 100Base-T1

100Base-T1是IEEE針對(duì)100Mb/s汽車以太網(wǎng)的規(guī)范，也可以將其稱為IEEE802.3bw，這兩個(gè)名稱指的是相同的規(guī)范。“-T1”后綴是一個(gè)重要的區(qū)別，讓您知道是指汽車以太網(wǎng)，它與普通100Base-T不同。

3.2車載總線網(wǎng)絡(luò)概述

傳統(tǒng)的車載網(wǎng)絡(luò)主要有 LIN、CAN、FlexRay 及 MOST：

LIN 總線適合用于汽車車窗、天窗、座椅、車內(nèi)照明等通信速度較低的應(yīng)用場(chǎng)景

CAN 總線性能的同時(shí)可進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)成本，因此在現(xiàn)代汽車應(yīng)用中通常作為 CAN 總線的補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)。CAN 總線是一個(gè)性能穩(wěn)健并久經(jīng)車輛實(shí)踐應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，具備成本低與高可靠性特點(diǎn)，已成為各汽車制造商車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)用的首選網(wǎng)絡(luò)。

FlexRay 提供兩個(gè)獨(dú)立信道，采用雙信道冗余結(jié)構(gòu)，基于時(shí)間發(fā)送報(bào)文，所有節(jié)點(diǎn)共享高準(zhǔn)確時(shí)基，實(shí)現(xiàn)最高級(jí)別的可靠性，該總線用于滿足汽車環(huán)境下獨(dú)特的網(wǎng)絡(luò)需求，支持重要的安全線控技術(shù)應(yīng)用，如線控轉(zhuǎn)向、線控制動(dòng)等。

MOST 用于滿足車載信息娛樂(lè)應(yīng)用的特殊需求，內(nèi)置流媒體數(shù)據(jù)信道，高數(shù)據(jù)帶寬，支持多種光纖電纜布線方式，EMC 性能良好，主要應(yīng)用于汽車音頻、視頻數(shù)據(jù)傳輸。

審核編輯 ：李倩