汽车以太网的物理特性分析研究

一、PHY内部结构简介

汽车以太网和传统以太网仅仅是物理层有所区别，其他（比如数据链路层）完全一样，因此传统以太网在汽车里一样可以工作。

100BASE-T1在物理层上使用一对双绞线上实现全双工的信息传输，而100BASE-TX使用两对双绞线实现全双工，一对发送，另一对用于接收。

基于OSI参考模型下的PHY层内部结构

以太网PHY两个子层是PCS层和PMA层，他们集成在同一块ASIC芯片中。PCS子层接收MII层的数据并将其编码为符号提供给PMA成处理，同时它也将从PMA层接收到的信号解码成比特流，通过MII成传递给高层。PMA是准备好用于传输的物理信号，同时接收信号向上传递，以便PCS可以从中提取编码信息。

由于技术上的差异，有些领域可能还会添加一些其他子层。比如自动协商在消费类比较常见，根据统一信道中的不同节点的不同通信速率，选择和建立最佳方式。PMD是在不同传输媒介下的情况使用，比如将电模拟信号转化为光模拟信号。

为了方便理解，先介绍1000BASE-T的结构

下图是1000BAST-T的 PCS层构成，图中标黄的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的编码，100BASE-T1采用的是PAM3编码。

大概简单介绍这两种编码的差别，PAM5是将传输线上分为5个电压等级。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，间隔只有0.5V，因此对噪声很敏感，会增加一些算法来进行纠错。PAM3分为3个电压等级，间隔1V。

下图是1000BAST-T的 PMA层构成 。图中标黄的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是简化了一下，100BASE-T1发送的信号不会经过部分响应脉冲整形器，因为只有一对线，也去除了近端串扰和去抖动模块。

二、PHY的数据编码过程

100BASE-T1在汽车上通过一对非屏蔽双绞线可实现100Mb/s的全双工数据传输，其物理层（PHY）的主要工作原理是将MAC层传递的数据，通过内部时钟转换（4B/3B），数据编码（3B/2T）以及脉冲幅度调制（PAM3）转换成双绞线上传递的差分信号，以进行各种控制信号和数据的通信发送；接收过程反之。

已发送为例，简单介绍下这个过程：

1、MAC层的数据通过MII接口，以25MHz的速率将4bit并行传递至PHY层之后先进行4Bit到3Bit时钟转换。如这个图，将第一组4bit”0000”转换为3bit的“000”。第一组4bit最后一个0和第二组的4bit的“0101”前2位“01”组成第二个3bit“001”，以此类推。

2、再进行3B/2T编码，每3bit数据（3B）编码成一对三进制符号（2T），标称值分别为-1，0和+1。由于3bit二进制数据可以对应8个值，而2个三进制符号有9个可能值，这样就可以通过一对三进制实现3bit二进制编码值的覆盖，且有一个符号对没有使用。

3、完成了3B/2T编码的一对三进制符号（2T）后，为了能在双绞线上传输，需要将三进制符号中的-1，0，+1对应成低电平，0或高电平，这种三电平脉冲幅度调制方式即PAM3

从这个过程，可以看出这将汽车以太网的信号带宽限制在33.3 MHz，大约100BASE-TX带宽的一半。较低的信号带宽可改善回波损耗，降低串扰，所以可以满足严格的汽车电磁辐射要求。

下面这两幅图是详细的100BASE-T1 PCS子层的发送和接收的示意图。

详细的100BASE-T1 PCS子层的发送部分

详细的100BASE-T1 PCS子层的接收部分

三、回声消除技术

可能有人有些疑问，一对双绞线如何同时实现发送和接收？答案是采用了回音消除技术。

下图显示了Hybird接口电路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用实例。

可以看出差分信号A由发送器输出，经过一个桥电路，一侧由R1和R3组成，一侧由R2和R4组成。发送器实际输出仅含有经过R2的A，接收器接收的信号B位于R2和R4之间，接收信号通过R4端接，理论上，接收信号和发送信信号不会相遇，发送信号和接收信号进行了解耦。

可能这个看起来比较复杂，简单来说就是对于100BASE-T1的任一节点，在其发送时将自己的信号电压加入到双绞线上，而在接收时从双绞线的电压中减去自己的信号电压，进而可以在一对双绞线上实现全双工。

总结：100BASE-T1物理层的工作原理就是通过4B/3B转换，3B/2T编码，经过PAM3调制，最终通过一对双绞线上的差分信号以及回音消除实现100Mbit/s的全双工通信。

四、PHY参数的比较

下表简单列了一下常见的几种 PHY参数的不同差异。其中，一些参数取决于规范标准，有一些取决于实际设计。

5、MII接口特殊的应用

关于MII接口还有特殊的应用，比如在APIX2，GSML2也有一些应用。

举几个例子：

1、通过APIX2进行点对点的连接，通过该主机内的交换机连接到车载主干网络。通过以太网链路将车辆信息传输到仪表上。

2、PoDL供电，使用PoE为设备供电可以进一步减少汽车所需的布线重量。

3、低功耗唤醒规范，OPEN制订了唤醒规范，这是一个相对容易的最大能效车载应用解决方案。最大能效意味着不仅仅是PHY，这个ECU都进入了睡眠状态，只有在需要使用时才被唤醒。

一、PHY内部结构简介

汽车以太网和传统以太网仅仅是物理层有所区别，其他（比如数据链路层）完全一样，因此传统以太网在汽车里一样可以工作。

100BASE-T1在物理层上使用一对双绞线上实现全双工的信息传输，而100BASE-TX使用两对双绞线实现全双工，一对发送，另一对用于接收。

基于OSI参考模型下的PHY层内部结构

以太网PHY两个子层是PCS层和PMA层，他们集成在同一块ASIC芯片中。PCS子层接收MII层的数据并将其编码为符号提供给PMA成处理，同时它也将从PMA层接收到的信号解码成比特流，通过MII成传递给高层。PMA是准备好用于传输的物理信号，同时接收信号向上传递，以便PCS可以从中提取编码信息。

由于技术上的差异，有些领域可能还会添加一些其他子层。比如自动协商在消费类比较常见，根据统一信道中的不同节点的不同通信速率，选择和建立最佳方式。PMD是在不同传输媒介下的情况使用，比如将电模拟信号转化为光模拟信号。

为了方便理解，先介绍1000BASE-T的结构

下图是1000BAST-T的 PCS层构成，图中标黄的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的编码，100BASE-T1采用的是PAM3编码。

大概简单介绍这两种编码的差别，PAM5是将传输线上分为5个电压等级。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，间隔只有0.5V，因此对噪声很敏感，会增加一些算法来进行纠错。PAM3分为3个电压等级，间隔1V。

下图是1000BAST-T的 PMA层构成 。图中标黄的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是简化了一下，100BASE-T1发送的信号不会经过部分响应脉冲整形器，因为只有一对线，也去除了近端串扰和去抖动模块。

二、PHY的数据编码过程

100BASE-T1在汽车上通过一对非屏蔽双绞线可实现100Mb/s的全双工数据传输，其物理层（PHY）的主要工作原理是将MAC层传递的数据，通过内部时钟转换（4B/3B），数据编码（3B/2T）以及脉冲幅度调制（PAM3）转换成双绞线上传递的差分信号，以进行各种控制信号和数据的通信发送；接收过程反之。

已发送为例，简单介绍下这个过程：

1、MAC层的数据通过MII接口，以25MHz的速率将4bit并行传递至PHY层之后先进行4Bit到3Bit时钟转换。如这个图，将第一组4bit”0000”转换为3bit的“000”。第一组4bit最后一个0和第二组的4bit的“0101”前2位“01”组成第二个3bit“001”，以此类推。

2、再进行3B/2T编码，每3bit数据（3B）编码成一对三进制符号（2T），标称值分别为-1，0和+1。由于3bit二进制数据可以对应8个值，而2个三进制符号有9个可能值，这样就可以通过一对三进制实现3bit二进制编码值的覆盖，且有一个符号对没有使用。

3、完成了3B/2T编码的一对三进制符号（2T）后，为了能在双绞线上传输，需要将三进制符号中的-1，0，+1对应成低电平，0或高电平，这种三电平脉冲幅度调制方式即PAM3

从这个过程，可以看出这将汽车以太网的信号带宽限制在33.3 MHz，大约100BASE-TX带宽的一半。较低的信号带宽可改善回波损耗，降低串扰，所以可以满足严格的汽车电磁辐射要求。

下面这两幅图是详细的100BASE-T1 PCS子层的发送和接收的示意图。

详细的100BASE-T1 PCS子层的发送部分

详细的100BASE-T1 PCS子层的接收部分

三、回声消除技术

可能有人有些疑问，一对双绞线如何同时实现发送和接收？答案是采用了回音消除技术。

下图显示了Hybird接口电路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用实例。

可以看出差分信号A由发送器输出，经过一个桥电路，一侧由R1和R3组成，一侧由R2和R4组成。发送器实际输出仅含有经过R2的A，接收器接收的信号B位于R2和R4之间，接收信号通过R4端接，理论上，接收信号和发送信信号不会相遇，发送信号和接收信号进行了解耦。

可能这个看起来比较复杂，简单来说就是对于100BASE-T1的任一节点，在其发送时将自己的信号电压加入到双绞线上，而在接收时从双绞线的电压中减去自己的信号电压，进而可以在一对双绞线上实现全双工。

总结：100BASE-T1物理层的工作原理就是通过4B/3B转换，3B/2T编码，经过PAM3调制，最终通过一对双绞线上的差分信号以及回音消除实现100Mbit/s的全双工通信。

四、PHY参数的比较

下表简单列了一下常见的几种 PHY参数的不同差异。其中，一些参数取决于规范标准，有一些取决于实际设计。

5、MII接口特殊的应用

关于MII接口还有特殊的应用，比如在APIX2，GSML2也有一些应用。

举几个例子：

1、通过APIX2进行点对点的连接，通过该主机内的交换机连接到车载主干网络。通过以太网链路将车辆信息传输到仪表上。

2、PoDL供电，使用PoE为设备供电可以进一步减少汽车所需的布线重量。

3、低功耗唤醒规范，OPEN制订了唤醒规范，这是一个相对容易的最大能效车载应用解决方案。最大能效意味着不仅仅是PHY，这个ECU都进入了睡眠状态，只有在需要使用时才被唤醒。

审核编辑：郭婷