汽車以太網(wǎng)的物理特性分析研究

一、PHY內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介

汽車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)僅僅是物理層有所區(qū)別，其他（比如數(shù)據(jù)鏈路層）完全一樣，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)在汽車?yán)镆粯涌梢怨ぷ鳌?/p>

100BASE-T1在物理層上使用一對雙絞線上實現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX使用兩對雙絞線實現(xiàn)全雙工，一對發(fā)送，另一對用于接收。

基于OSI參考模型下的PHY層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY兩個子層是PCS層和PMA層，他們集成在同一塊ASIC芯片中。PCS子層接收MII層的數(shù)據(jù)并將其編碼為符號提供給PMA成處理，同時它也將從PMA層接收到的信號解碼成比特流，通過MII成傳遞給高層。PMA是準(zhǔn)備好用于傳輸?shù)奈锢硇盘枺瑫r接收信號向上傳遞，以便PCS可以從中提取編碼信息。

由于技術(shù)上的差異，有些領(lǐng)域可能還會添加一些其他子層。比如自動協(xié)商在消費類比較常見，根據(jù)統(tǒng)一信道中的不同節(jié)點的不同通信速率，選擇和建立最佳方式。PMD是在不同傳輸媒介下的情況使用，比如將電模擬信號轉(zhuǎn)化為光模擬信號。

為了方便理解，先介紹1000BASE-T的結(jié)構(gòu)

下圖是1000BAST-T的 PCS層構(gòu)成，圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的編碼，100BASE-T1采用的是PAM3編碼。

大概簡單介紹這兩種編碼的差別，PAM5是將傳輸線上分為5個電壓等級。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，間隔只有0.5V，因此對噪聲很敏感，會增加一些算法來進(jìn)行糾錯。PAM3分為3個電壓等級，間隔1V。

下圖是1000BAST-T的 PMA層構(gòu)成 。圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是簡化了一下，100BASE-T1發(fā)送的信號不會經(jīng)過部分響應(yīng)脈沖整形器，因為只有一對線，也去除了近端串?dāng)_和去抖動模塊。

二、PHY的數(shù)據(jù)編碼過程

100BASE-T1在汽車上通過一對非屏蔽雙絞線可實現(xiàn)100Mb/s的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，其物理層（PHY）的主要工作原理是將MAC層傳遞的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部時鐘轉(zhuǎn)換（4B/3B），數(shù)據(jù)編碼（3B/2T）以及脈沖幅度調(diào)制（PAM3）轉(zhuǎn)換成雙絞線上傳遞的差分信號，以進(jìn)行各種控制信號和數(shù)據(jù)的通信發(fā)送；接收過程反之。

已發(fā)送為例，簡單介紹下這個過程：

1、MAC層的數(shù)據(jù)通過MII接口，以25MHz的速率將4bit并行傳遞至PHY層之后先進(jìn)行4Bit到3Bit時鐘轉(zhuǎn)換。如這個圖，將第一組4bit”0000”轉(zhuǎn)換為3bit的“000”。第一組4bit最后一個0和第二組的4bit的“0101”前2位“01”組成第二個3bit“001”，以此類推。

2、再進(jìn)行3B/2T編碼，每3bit數(shù)據(jù)（3B）編碼成一對三進(jìn)制符號（2T），標(biāo)稱值分別為-1，0和+1。由于3bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對應(yīng)8個值，而2個三進(jìn)制符號有9個可能值，這樣就可以通過一對三進(jìn)制實現(xiàn)3bit二進(jìn)制編碼值的覆蓋，且有一個符號對沒有使用。

3、完成了3B/2T編碼的一對三進(jìn)制符號（2T）后，為了能在雙絞線上傳輸，需要將三進(jìn)制符號中的-1，0，+1對應(yīng)成低電平，0或高電平，這種三電平脈沖幅度調(diào)制方式即PAM3

從這個過程，可以看出這將汽車以太網(wǎng)的信號帶寬限制在33.3 MHz，大約100BASE-TX帶寬的一半。較低的信號帶寬可改善回波損耗，降低串?dāng)_，所以可以滿足嚴(yán)格的汽車電磁輻射要求。

下面這兩幅圖是詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送和接收的示意圖。

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送部分

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的接收部分

三、回聲消除技術(shù)

可能有人有些疑問，一對雙絞線如何同時實現(xiàn)發(fā)送和接收？答案是采用了回音消除技術(shù)。

下圖顯示了Hybird接口電路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用實例。

可以看出差分信號A由發(fā)送器輸出，經(jīng)過一個橋電路，一側(cè)由R1和R3組成，一側(cè)由R2和R4組成。發(fā)送器實際輸出僅含有經(jīng)過R2的A，接收器接收的信號B位于R2和R4之間，接收信號通過R4端接，理論上，接收信號和發(fā)送信信號不會相遇，發(fā)送信號和接收信號進(jìn)行了解耦。

可能這個看起來比較復(fù)雜，簡單來說就是對于100BASE-T1的任一節(jié)點，在其發(fā)送時將自己的信號電壓加入到雙絞線上，而在接收時從雙絞線的電壓中減去自己的信號電壓，進(jìn)而可以在一對雙絞線上實現(xiàn)全雙工。

總結(jié)：100BASE-T1物理層的工作原理就是通過4B/3B轉(zhuǎn)換，3B/2T編碼，經(jīng)過PAM3調(diào)制，最終通過一對雙絞線上的差分信號以及回音消除實現(xiàn)100Mbit/s的全雙工通信。

四、PHY參數(shù)的比較

下表簡單列了一下常見的幾種 PHY參數(shù)的不同差異。其中，一些參數(shù)取決于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有一些取決于實際設(shè)計。

5、MII接口特殊的應(yīng)用

關(guān)于MII接口還有特殊的應(yīng)用，比如在APIX2，GSML2也有一些應(yīng)用。

舉幾個例子：

1、通過APIX2進(jìn)行點對點的連接，通過該主機內(nèi)的交換機連接到車載主干網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)鏈路將車輛信息傳輸?shù)絻x表上。

2、PoDL供電，使用PoE為設(shè)備供電可以進(jìn)一步減少汽車所需的布線重量。

3、低功耗喚醒規(guī)范，OPEN制訂了喚醒規(guī)范，這是一個相對容易的最大能效車載應(yīng)用解決方案。最大能效意味著不僅僅是PHY，這個ECU都進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，只有在需要使用時才被喚醒。

一、PHY內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡介

汽車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)僅僅是物理層有所區(qū)別，其他（比如數(shù)據(jù)鏈路層）完全一樣，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)在汽車?yán)镆粯涌梢怨ぷ鳌?/p>

100BASE-T1在物理層上使用一對雙絞線上實現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX使用兩對雙絞線實現(xiàn)全雙工，一對發(fā)送，另一對用于接收。

基于OSI參考模型下的PHY層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY兩個子層是PCS層和PMA層，他們集成在同一塊ASIC芯片中。PCS子層接收MII層的數(shù)據(jù)并將其編碼為符號提供給PMA成處理，同時它也將從PMA層接收到的信號解碼成比特流，通過MII成傳遞給高層。PMA是準(zhǔn)備好用于傳輸?shù)奈锢硇盘?，同時接收信號向上傳遞，以便PCS可以從中提取編碼信息。

由于技術(shù)上的差異，有些領(lǐng)域可能還會添加一些其他子層。比如自動協(xié)商在消費類比較常見，根據(jù)統(tǒng)一信道中的不同節(jié)點的不同通信速率，選擇和建立最佳方式。PMD是在不同傳輸媒介下的情況使用，比如將電模擬信號轉(zhuǎn)化為光模擬信號。

為了方便理解，先介紹1000BASE-T的結(jié)構(gòu)

下圖是1000BAST-T的 PCS層構(gòu)成，圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的編碼，100BASE-T1采用的是PAM3編碼。

大概簡單介紹這兩種編碼的差別，PAM5是將傳輸線上分為5個電壓等級。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，間隔只有0.5V，因此對噪聲很敏感，會增加一些算法來進(jìn)行糾錯。PAM3分為3個電壓等級，間隔1V。

下圖是1000BAST-T的 PMA層構(gòu)成 。圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是簡化了一下，100BASE-T1發(fā)送的信號不會經(jīng)過部分響應(yīng)脈沖整形器，因為只有一對線，也去除了近端串?dāng)_和去抖動模塊。

二、PHY的數(shù)據(jù)編碼過程

100BASE-T1在汽車上通過一對非屏蔽雙絞線可實現(xiàn)100Mb/s的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，其物理層（PHY）的主要工作原理是將MAC層傳遞的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部時鐘轉(zhuǎn)換（4B/3B），數(shù)據(jù)編碼（3B/2T）以及脈沖幅度調(diào)制（PAM3）轉(zhuǎn)換成雙絞線上傳遞的差分信號，以進(jìn)行各種控制信號和數(shù)據(jù)的通信發(fā)送；接收過程反之。

已發(fā)送為例，簡單介紹下這個過程：

1、MAC層的數(shù)據(jù)通過MII接口，以25MHz的速率將4bit并行傳遞至PHY層之后先進(jìn)行4Bit到3Bit時鐘轉(zhuǎn)換。如這個圖，將第一組4bit”0000”轉(zhuǎn)換為3bit的“000”。第一組4bit最后一個0和第二組的4bit的“0101”前2位“01”組成第二個3bit“001”，以此類推。

2、再進(jìn)行3B/2T編碼，每3bit數(shù)據(jù)（3B）編碼成一對三進(jìn)制符號（2T），標(biāo)稱值分別為-1，0和+1。由于3bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對應(yīng)8個值，而2個三進(jìn)制符號有9個可能值，這樣就可以通過一對三進(jìn)制實現(xiàn)3bit二進(jìn)制編碼值的覆蓋，且有一個符號對沒有使用。

3、完成了3B/2T編碼的一對三進(jìn)制符號（2T）后，為了能在雙絞線上傳輸，需要將三進(jìn)制符號中的-1，0，+1對應(yīng)成低電平，0或高電平，這種三電平脈沖幅度調(diào)制方式即PAM3

從這個過程，可以看出這將汽車以太網(wǎng)的信號帶寬限制在33.3 MHz，大約100BASE-TX帶寬的一半。較低的信號帶寬可改善回波損耗，降低串?dāng)_，所以可以滿足嚴(yán)格的汽車電磁輻射要求。

下面這兩幅圖是詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送和接收的示意圖。

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送部分

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的接收部分

三、回聲消除技術(shù)

可能有人有些疑問，一對雙絞線如何同時實現(xiàn)發(fā)送和接收？答案是采用了回音消除技術(shù)。

下圖顯示了Hybird接口電路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用實例。

可以看出差分信號A由發(fā)送器輸出，經(jīng)過一個橋電路，一側(cè)由R1和R3組成，一側(cè)由R2和R4組成。發(fā)送器實際輸出僅含有經(jīng)過R2的A，接收器接收的信號B位于R2和R4之間，接收信號通過R4端接，理論上，接收信號和發(fā)送信信號不會相遇，發(fā)送信號和接收信號進(jìn)行了解耦。

可能這個看起來比較復(fù)雜，簡單來說就是對于100BASE-T1的任一節(jié)點，在其發(fā)送時將自己的信號電壓加入到雙絞線上，而在接收時從雙絞線的電壓中減去自己的信號電壓，進(jìn)而可以在一對雙絞線上實現(xiàn)全雙工。

總結(jié)：100BASE-T1物理層的工作原理就是通過4B/3B轉(zhuǎn)換，3B/2T編碼，經(jīng)過PAM3調(diào)制，最終通過一對雙絞線上的差分信號以及回音消除實現(xiàn)100Mbit/s的全雙工通信。

四、PHY參數(shù)的比較

下表簡單列了一下常見的幾種 PHY參數(shù)的不同差異。其中，一些參數(shù)取決于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有一些取決于實際設(shè)計。

5、MII接口特殊的應(yīng)用

關(guān)于MII接口還有特殊的應(yīng)用，比如在APIX2，GSML2也有一些應(yīng)用。

舉幾個例子：

1、通過APIX2進(jìn)行點對點的連接，通過該主機內(nèi)的交換機連接到車載主干網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)鏈路將車輛信息傳輸?shù)絻x表上。

2、PoDL供電，使用PoE為設(shè)備供電可以進(jìn)一步減少汽車所需的布線重量。

3、低功耗喚醒規(guī)范，OPEN制訂了喚醒規(guī)范，這是一個相對容易的最大能效車載應(yīng)用解決方案。最大能效意味著不僅僅是PHY，這個ECU都進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，只有在需要使用時才被喚醒。

審核編輯：郭婷