车载以太网自学笔记

2022年11月6日网络架构评论字数 3532阅读模式

车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术，本文线束工程师之家主要分享下车载以太网的学习笔记。

一、技术简介

1.1名词解释

车载以太网是一种连接车内电子单元的新型局域网技术，在单对非屏蔽双绞线上可实现 100 Mbit/s 甚至 1 Gbit/s 的数据传输速率，同时满足汽车行业高可靠性、低电磁辐射、低功耗、带宽分配、低延迟以及同步实时性等方面的要求。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

1.2基本技术原理

车载以太网技术是在我们消费领域的以太网技术上发展过来的，是在物理层进行了优化以适应汽车电子要求的一种技术。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

我们常用的以太网和车载以太网主要是在物理层不同，基本架构依然是MAC+PHY芯片+传输链路。主要有100M和1G两种标准。对于100M车载以太网在PHY层主要有两个规范：BroadR-Reach和100Base-T1，两者都是明确为汽车应用设计的，并且它们之间有很多重叠。而1000Base-T1这是千兆车载以太网的物理层技术标准。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

100Base-T1最显著的特点就是使用单对差分线实现数据传输，从成本上来说降低了线束的成本和重量。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

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二、技术细节

本文就介绍以相对主流的100Base-T1进行介绍。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

2.1 基本结构

基本结构分为MAC、PHY个MDI三部分。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

2.2PHY功能

PHY 芯片很多厂家都有，按照一贯的风格，我们还是以资料开放度比较高的TI生产DP83TC811R-Q1 的为例进行介绍。下图是DP83TC811R-Q1数据手册中给出的一个简单的原理图文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

2.2.1编码技术

100BASE-T1采用独特的4bit至3bit（4B3B），3bit至2三进制对（3B2T）和三级脉冲幅度调制（threelevel pulse amplitude modulation,PAM3）编码方案。这一块有点复杂，不像人话，我们来细述一番。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

假设我们使用的是MII接口，通信速率是100Mb，数据宽度是4bit,速率是25M。为了匹配25MHz * 4bit = 100Mbit/s的速率，PHY从MII接口收到数据后，会首先进行一个4B3B的转换，并将时钟频率提高到33.33333MHz，以保持100 Mbps的位速率。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-ethernet-self-study-notes/

之后PHY要再进行3B2T的操作，将每次接收到的3个bit转化为2个三进制电平值（取值范围是-1，0，1），具体的对应关系如上图中的表所示。3个bit有8种组合（即2的三次方），两个电平值有9种组成（即3的平方），所以后者可以覆盖前者。此时时钟周期仍然是33.333M，但是每个时钟周期中的两个电平就能够表示3个 bit了，所以此时的数据速率仍然是100Mbit/s，每个电平实际上包含了1.5bit信息。3B2T的转换关系如下表

最后一步是PAM3，将逻辑的-1，0，1转化为在双绞线上的电压，所以，最终在总线上信号的波特率是66.666MHz，但是它实现了100Mbit/s的通信速率。

下图是数据从MII接口到双绞线电平的转换过程。

为了更加直观地理解三电平信号，下面给出在IDEL模式下端口上的信号波形。

2.2.2 回声消除技术

10BASE-T和100BASE-TX有两对信号线，分别进行收和发，但是100BASE-T1是也是物理全双工接口，却允许在同一对上进行发送和接收。这个物理全双工通过叠加原理完成，100BASE-T1 PHY具有集成的混合功能，并使用回声消除功能来消除其自身的发送信号并从链路伙伴中提取接收到的信息。为了做到这一点，一个PHY专门用作主机，另一个作为从机。当两个100BASE-T1 PHY连接时，它们会经过训练过程，从而使被测设备（DUT）和链路伙伴以相同的频率以相同的相位传输信息。下图说明了每个PHY内的混合和回声消除的简化框图。