車載以太網(wǎng)物理層測(cè)試的研究與分析

李志濤

（長(zhǎng)城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北 保定 071000）

隨著汽車智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展，車載應(yīng)用的飛速增長(zhǎng)導(dǎo)致帶寬需求不斷攀升，從而讓汽車網(wǎng)絡(luò)壓力重重，為滿足車載通信帶寬需求，海量數(shù)據(jù)處理能力，車載以太網(wǎng)應(yīng)時(shí)而生。汽車以太網(wǎng)聯(lián)盟OPEN Alliance推廣Broadcom公司的BroadR-Reach技術(shù)，使用1對(duì)非屏蔽雙絞線實(shí)現(xiàn)百兆以太網(wǎng)的全雙工功能，通信距離大于15m［1］，并且滿足車載EMC要求。車載以太網(wǎng)基于車載需求，結(jié)合常規(guī)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了改善、優(yōu)化，物理層使用單線對(duì)非屏蔽雙絞線的同時(shí)，應(yīng)用更小巧緊湊的連接器，減少高達(dá)80%的車內(nèi)連接成本和高達(dá)30%的車內(nèi)布線質(zhì)量。車載以太網(wǎng)物理層的特殊技術(shù)需求，促使測(cè)試人員在測(cè)試方法與測(cè)試技術(shù)的革新，同時(shí)對(duì)于以太網(wǎng)物理層的相關(guān)測(cè)試應(yīng)嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)開展，以確保系統(tǒng)的整體性能。

1 以太網(wǎng)概述

以太網(wǎng)技術(shù)在20世紀(jì)70年代誕生，此后日益發(fā)展壯大，形成了規(guī)范集群，涉及數(shù)十種電纜類型、連接器、速度、信令方法和特點(diǎn)。IEEE802.3是歷史最悠久的IEEE802MAC層子規(guī)范，也是廣泛使用的規(guī)范之一。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以太網(wǎng)演變到支持多種不同的速度、電纜和功能，為實(shí)現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)間的互操作性與兼容性，基于OSI參考模型，IEEE802.3以太網(wǎng)的總體架構(gòu)模型產(chǎn)生，如圖1所示。該模型以O(shè)SI參考模型為基礎(chǔ)，重點(diǎn)圍繞與局域網(wǎng)技術(shù)關(guān)聯(lián)緊密的OSI物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了細(xì)化，將物理層與數(shù)據(jù)鏈路層拆分成多個(gè)子層，并將數(shù)據(jù)鏈路層與物理層之間的分界線略微進(jìn)行了調(diào)整，一些被OSI模型劃入物理層的功能上移至了數(shù)據(jù)鏈路層的MAC子層。

IEEE802.3模型第1、第2層分別對(duì)應(yīng)OSI 7層模型的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)鏈路層的部分又分為邏輯鏈路控制子層 （LLC）和媒體接入控制子層 （MAC）。對(duì)應(yīng)物理層的部分又分為協(xié)調(diào)子層 （RS）、介質(zhì)無關(guān)接口 （MII）和PHY子層。MAC與物理層連接的接口稱為介質(zhì)無關(guān)接口 （MII）。物理層與實(shí)際物理介質(zhì)之間的接口稱作介質(zhì)相關(guān)接口（MDI）。

IEEE802.3規(guī)范眾多，其中許多規(guī)范并不特別適合車載以太網(wǎng)，隨著BroadR-Reach車載以太網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，車載電子控制單元之間以BroadR-Reach技術(shù)進(jìn)行通信。該車載以太網(wǎng)的物理層與標(biāo)準(zhǔn)的100BASE-TX的物理層主要區(qū)別如下［2］。

圖1 IEEE 802.3模型

1）與100BASE-TX所使用的擾頻器相比，車載以太網(wǎng)數(shù)字信號(hào)處理器 （DSP）采用了高度優(yōu)化的擾頻器，可以更好地分離信號(hào)，比100BASE-TX的頻譜效率更高。

2）車載以太網(wǎng)的信號(hào)帶寬為66.7MHz，只有100BASETX系統(tǒng)的一半。較低的信號(hào)帶寬可以改善回波損耗，減少串?dāng)_，并確保車載以太網(wǎng)可滿足汽車電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)要求。

BroadR-Reach技術(shù)專為滿足汽車內(nèi)部各種苛刻需求而設(shè)計(jì)，在物理層上，進(jìn)行了技術(shù)革新與重大的優(yōu)化，使得車載以太網(wǎng)具有開放的和可擴(kuò)展的架構(gòu)，能與多種車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容。

2 車載以太網(wǎng)物理層架構(gòu)

車載以太網(wǎng)物理層，有時(shí)統(tǒng)稱為PHY，主要由3個(gè)子層構(gòu)成，分別為物理編碼 （PCS）子層、物理媒介附加 （PMA）子層和物理媒介相關(guān) （PMD）子層。PCS和PMD主要負(fù)責(zé)在高層和低層執(zhí)行數(shù)據(jù)編碼、處理和傳輸功能，而PMA負(fù)責(zé)將PCS與PMD子層聯(lián)系在一起。物理層架構(gòu)示意如圖2所示。

物理層針對(duì)特定的以太網(wǎng)的特性定義信令和編碼并與下方的物理介質(zhì)相連接，PCS層通過MII經(jīng)RS層實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)鏈路層的連接，PMD層通過MDI連接具體的物理媒介，各子層相關(guān)功能如下。

1）協(xié)調(diào)子層 （RS）：協(xié)調(diào)子層是物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的實(shí)際接口，協(xié)調(diào)子層將媒體獨(dú)立接口的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層所需要的信號(hào)。

2）介質(zhì)無關(guān)接口 （MII）：MII是物理層的一部分，代表物理層與數(shù)據(jù)鏈路層MAC子層之間的接口，定義了MAC子層和以太網(wǎng)物理層其它部分之間通信的一組特殊接口。MII專為100Mb／s以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，同時(shí)適用于10Mb／s以太網(wǎng)，為滿足千兆以太網(wǎng)的需求而對(duì)原始MII進(jìn)行適配，配置頻率為125MHz的8位雙向接口，稱為千兆介質(zhì)無關(guān)接口GMII。

3）PCS子層：PCS與上層的MII和下層的PMA子層進(jìn)行通信，主要作用是將通過MII、GMII或其它類型的MII按“原始形式”收到的數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換成適合在網(wǎng)絡(luò)媒介中傳輸?shù)男问?。同時(shí)PCS子層作為塊編碼和其它處理功能的一部分，PCS子層生成利用特定大小的比特形式編碼，參與速度自協(xié)商處理，允許2臺(tái)以太網(wǎng)設(shè)備決定其共同的速度和雙工能力，從而實(shí)現(xiàn)高性能、高效率的通信。

4）PMA子層：PMA不僅僅是2個(gè)子層之間的一個(gè)接口，同時(shí)它也負(fù)責(zé)執(zhí)行與PCS和PMD間數(shù)據(jù)傳輸以及其他任務(wù)相關(guān)的特定功能。PMA的主要作用是允許PCS和PMD層上使用的2種不同的處理方法能夠解耦：即PCS上使用的分塊編碼、加擾和其他方法能夠單獨(dú)改變PMD上使用的比特編碼方法，實(shí)現(xiàn)多個(gè)PMD在相同的物理層系列中支持不同的媒介。PMA還可通過監(jiān)控信號(hào)特征來檢測(cè)共享以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)中出現(xiàn)的媒介沖突。當(dāng)檢測(cè)到?jīng)_突時(shí)，PMA會(huì)將沖突上報(bào)MAC子層；PMA還具有時(shí)鐘恢復(fù)功能，通過分析收到的比特流中的跳變將發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備的時(shí)鐘進(jìn)行同步。

圖2 物理層架構(gòu)

5）PMD子層：PMD子層用于實(shí)現(xiàn)與以太網(wǎng)物理層各類技術(shù)相關(guān)的特定物理層媒介所需的功能。PMD子層在從PMA讀取數(shù)據(jù)并執(zhí)行所需的低電平線路編碼功能，從而實(shí)現(xiàn)PMD對(duì)應(yīng)媒介的必要條件。接收數(shù)據(jù)時(shí)，PMD讀取并翻譯這些編碼信號(hào)并轉(zhuǎn)換成比特的形式然后發(fā)送至PMA。各個(gè)以太網(wǎng)速度對(duì)應(yīng)的實(shí)際物理接口采用不同的PMD層。同樣，不是所有的以太網(wǎng)物理層架構(gòu)中都有1個(gè)PMD子層，如果沒有PMD子層，其功能通過直接與MDI子層通信的PMA子層來實(shí)現(xiàn)。車載以太網(wǎng)所使用的BroadR-Reach技術(shù)沒有這層，當(dāng)特定PHY只定義了一種物理媒介時(shí)，從而不再需要依賴于媒介的特殊子層，因此PMA和PMD功能能夠集成到PMA子層中。

6）MDI：MDI被認(rèn)為是物理層的"邏輯"部分和實(shí)際導(dǎo)線間的接口。該接口的特征與媒介本身有明顯的緊密聯(lián)系，因此稱為與媒介有關(guān)接口，MDI多數(shù)為控制器和設(shè)備與電纜間的物理接口，通常為某種類型的連接器。各類以太網(wǎng)的MDI標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定物理需求、電器特性，如連接器大小和類型、引腳設(shè)置、連接器固定方法、引腳電器參數(shù)等。MDI下方為實(shí)際的物理媒介，通過電纜或物理導(dǎo)線在以太網(wǎng)間傳輸信號(hào)。

OPEM聯(lián)盟及IEEE對(duì)車載以太網(wǎng)的PCS、PMA、PHY控制、EMC及互連性等多個(gè)方面做出了規(guī)范要求。嚴(yán)格意義上講，所有這些物理層面的要求都需要進(jìn)行物理層一致性測(cè)試驗(yàn)證。若不能通過一致性測(cè)試，即不滿足車載以太網(wǎng)電氣規(guī)范要求。那么，車載以太網(wǎng)在實(shí)際通信過程中就可能會(huì)導(dǎo)致車載以太網(wǎng)信號(hào)品質(zhì)惡化、通信異?；蛘邔?dǎo)致嚴(yán)重的EMC問題，甚至發(fā)生車輛安全問題。

在不同的汽車電子行業(yè)，車載以太網(wǎng)物理層一致性測(cè)試都顯得至關(guān)重要！對(duì)于芯片供應(yīng)商，只有通過一致性測(cè)試，滿足了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，其產(chǎn)品才能進(jìn)入市場(chǎng)。對(duì)于OEM廠商，車載以太網(wǎng)控制器產(chǎn)品開發(fā)周期漫長(zhǎng)，應(yīng)用合乎規(guī)范要求的PHY芯片可有效加快產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)度，PHY芯片在集成到電子控制單元后，為了保證通信傳輸?shù)恼_性及傳輸性能，同樣需要進(jìn)行嚴(yán)格的物理層測(cè)試。

3 物理層測(cè)試

為保證端口的互聯(lián)互通性能，需進(jìn)行物理層測(cè)試［3］。物理層中的PCS層主要測(cè)試車載以太網(wǎng)的協(xié)議功能，PMA測(cè)試，即物理媒介附加層測(cè)試主要測(cè)試產(chǎn)品的電氣特性。車載以太網(wǎng)物理層測(cè)試主要是用來驗(yàn)證車載以太網(wǎng)傳輸端電氣特性，與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的一致性，開展物理層信號(hào)的幅度、定時(shí)特性、鏈路連接的穩(wěn)定性、信道品質(zhì)指示、線纜診斷等全面的一致性驗(yàn)證，檢測(cè)物理層發(fā)送器和接收器的電氣特性是否符合車內(nèi)通信標(biāo)準(zhǔn)，確保滿足OPEN聯(lián)盟規(guī)范要求，在OPEN規(guī)范中，測(cè)試項(xiàng)目主要以發(fā)送器測(cè)試為主，測(cè)試內(nèi)容主要涵蓋物理媒介附加層（PMA）測(cè)試及互聯(lián)互通 （IOP）測(cè)試。

3.1 PMA測(cè)試

根據(jù)OPEN聯(lián)盟《BroadRReach_DUT_and_Test_Station_Requirements》規(guī)范，定義了BroadR-Reach物理層PMA測(cè)試的常規(guī)測(cè)試內(nèi)容，包括傳輸衰落、傳輸時(shí)鐘頻率、傳輸抖動(dòng)、功率譜密度、回?fù)p測(cè)試和傳輸失真。為完成這些常規(guī)測(cè)試內(nèi)容，需要配置PHY進(jìn)入特定的模式類型，使被測(cè)車載以太網(wǎng)控制器在特定模式下發(fā)出特定的信號(hào)波形，然后使用專業(yè)的測(cè)試工具、設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。對(duì)應(yīng)的測(cè)試模式類型包括模式1、模式2、模式4、模式5。PMA相關(guān)測(cè)試內(nèi)容、模式及工具設(shè)備要求等［4］，見表1。

表1 PMA測(cè)試

物理層測(cè)試前，需使車載以太網(wǎng)控制器的PHY芯片處于對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)的測(cè)試模式，通過計(jì)算機(jī)更改控制器PHY芯片中 PMA／PMD測(cè)試控制寄存器實(shí)現(xiàn)，可參照IEEE802.3bw規(guī)范45.2.1.132章節(jié)說明進(jìn)行寄存器配置，具體的比特定義見表2［5］。

表2 寄存器比特配置定義Bit（s）

除以上常規(guī)測(cè)試之外，IEEE802.3bw規(guī)范中還定義了關(guān)于100BASE-T1的測(cè)試內(nèi)容要求，如MDI模式轉(zhuǎn)換損耗、MDI共模發(fā)射測(cè)試、傳輸峰值差分輸出測(cè)試。參照以上規(guī)范需求，OEM主要依據(jù)OPEN Alliance聯(lián)盟發(fā)布的TC8 ECU Test標(biāo)準(zhǔn)開展ECU級(jí)物理層測(cè)試，當(dāng)前TC8 ECU Test_V1.0［6］與TC8 ECU Test_V2.0［7］成為主要測(cè)試參考標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)物理層測(cè)試內(nèi)容執(zhí)行要求，見表3。

表3 TC8測(cè)試項(xiàng)要求

TC8ECU Test_V2.0測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)于2017年發(fā)布，物理層測(cè)試部分，在TC8ECU Test_V1.0的基礎(chǔ)上，PMA測(cè)試部分刪除了接收器測(cè)試需求，發(fā)送器測(cè)試在原內(nèi)容上增加了傳輸失真測(cè)試項(xiàng)，并對(duì)各測(cè)試內(nèi)容的執(zhí)行要求進(jìn)行了標(biāo)注，明確了各項(xiàng)內(nèi)容測(cè)試執(zhí)行屬性，指導(dǎo)OEM測(cè)試工作的開展。

3.2 互聯(lián)互通測(cè)試

IOP測(cè)試用于測(cè)試車載以太網(wǎng)控制器設(shè)備互聯(lián)互通性能，要求每個(gè)車載以太網(wǎng)控制器的PHY在給定時(shí)限內(nèi)建立穩(wěn)定鏈路連接，并能夠向上層發(fā)送監(jiān)控和鏈接狀態(tài)信號(hào)。OEM參考OPEN Alliance聯(lián)盟TC1［8］中互聯(lián)互通測(cè)試規(guī)范要求，依據(jù)TC8 ECU Test標(biāo)準(zhǔn)開展測(cè)試，該部分測(cè)試主要包含鏈路連接測(cè)試、信道品質(zhì)測(cè)試、線纜診斷測(cè)試內(nèi)容，用于測(cè)試以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)鏈路連接、信號(hào)品質(zhì)及線纜診斷機(jī)制。相關(guān)測(cè)試內(nèi)容見表4。

表4 IOP主要測(cè)試內(nèi)容

IOP測(cè)試重點(diǎn)驗(yàn)證各ECU之間互聯(lián)互通，即ECU控制器上PHY之間的互聯(lián)互通性。各芯片廠家的PHY芯片開發(fā)，均遵循IEEE802.3bw中定義的通用性和狀態(tài)機(jī)，但不同PHY芯片廠家實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)不同，即使同一廠家的PHY，甚至同一廠家不同型號(hào)的PHY，配置的不同也會(huì)帶來差異。因此，芯片級(jí)的IOP測(cè)試通過是基礎(chǔ)，集成到ECU控制器上，IOP測(cè)試結(jié)果不僅取決于PHY芯片，還取決于PHY的軟／硬配置、外部濾波器影響、測(cè)試系統(tǒng)配置及信道通信條件等。

基于OEM角度，要保證各個(gè)以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的通信交互，TC8 ECU Test中所提供的IOP測(cè)試項(xiàng)是不足的，測(cè)試人員需要基于車輛使用角度，應(yīng)用場(chǎng)景的考量，追加部分測(cè)試內(nèi)容。同時(shí)，OEM需綜合考慮影響因素，選擇IOP測(cè)試工具，確定所選工具所匹配PHY的品牌、型號(hào)，確定測(cè)試工具基準(zhǔn)，開展各車載以太網(wǎng)控制器節(jié)點(diǎn)IOP測(cè)試，達(dá)成一致性測(cè)試目標(biāo)。

車載以太網(wǎng)通信速度的大幅度提升，使得通信品質(zhì)對(duì)物理層特性更敏感、更矯情，匹配電路的設(shè)計(jì)、Layout布局和布線長(zhǎng)度、連接器、線束的選擇，甚至在車中的走線路徑都對(duì)通信帶來至關(guān)重要的影響，所以物理層測(cè)試是車載以太網(wǎng)測(cè)試的重要前提，同時(shí)從車輛使用及系統(tǒng)集成角度考慮，需要設(shè)計(jì)不同測(cè)試場(chǎng)景驗(yàn)證物理層的耦合影響。

4 物理層測(cè)試示例

參照表1，物理層測(cè)試需要用到的測(cè)試工具、設(shè)備主要為示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)發(fā)生器、頻譜分析儀、測(cè)試夾具等。依據(jù)每個(gè)測(cè)試項(xiàng)的需求，選擇對(duì)應(yīng)的測(cè)試工具、設(shè)備和對(duì)應(yīng)的測(cè)試夾具，把被測(cè)設(shè)備 （DUT）和測(cè)試工具、設(shè)備等連接至夾具的對(duì)應(yīng)端口，由測(cè)試夾具實(shí)現(xiàn)各測(cè)試工具、設(shè)備的物理連接與電路轉(zhuǎn)換功能，物理連接示意圖如圖3所示。然后，參照表2應(yīng)用PC對(duì)DUT進(jìn)行測(cè)試模式的配置，以觸發(fā)DUT發(fā)送滿足測(cè)試需求的信號(hào)波形。物理連接與測(cè)試模式配置完成后，通過連接的測(cè)試工具、設(shè)備進(jìn)行測(cè)試，采集測(cè)試數(shù)據(jù)、波形信息，依據(jù)TC8 ECU Test規(guī)范中的要求進(jìn)行測(cè)試項(xiàng)結(jié)果的判定。

圖3 物理層測(cè)試連接

不同的測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容，所需工具、設(shè)備及夾具，物理連接方法與測(cè)試模式配置均有所不同，需根據(jù)測(cè)試項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。以物理層測(cè)試中的傳輸衰落測(cè)試內(nèi)容項(xiàng)為例，測(cè)試步驟如下。

1）參見表1、圖3進(jìn)行被測(cè)控制器與所需測(cè)試工具、設(shè)備的連接。

2）參見表1、表2，使用PC配置被測(cè)控制器進(jìn)入測(cè)試模式1，使被測(cè)控制器周期性發(fā)出正／負(fù)脈沖波形，即40個(gè)邏輯1，40個(gè)邏輯-1的信號(hào)波形。

3）調(diào)試示波器采集該信號(hào)波形，如圖4所示。測(cè)量正／負(fù)峰值電壓Vpk，正／負(fù)峰值后500ns處的電壓幅值Vd。查看示波器測(cè)量數(shù)值，如圖4所示，正峰值Vpk=852.10mV，500ns處的電壓幅值Vd=36.38mV。

4）判定標(biāo)準(zhǔn)要求，正／負(fù)脈沖波形的最大傳輸衰落小于45.0%［9］，即Droop＜45.0%，Droop=100x（Vd／Vpk）%。

5）依據(jù)示波器測(cè)量電壓幅值，計(jì)算測(cè)量結(jié)果Droop=4.27%，該測(cè)試項(xiàng)測(cè)試通過，重復(fù)執(zhí)行3）、4）步驟，同步進(jìn)行負(fù)脈沖波形測(cè)試。為確保測(cè)試的精度，重復(fù)進(jìn)行10次正／負(fù)脈沖波形測(cè)試，分別計(jì)算Droop的10次平均值。

圖4 示波器信號(hào)波形

車載以太網(wǎng)物理層測(cè)試影響因素較多，如測(cè)試環(huán)境差異、工具設(shè)備精度、工具兼容性、工具校準(zhǔn)操作、時(shí)間同步要求，測(cè)試接口匹配、連接端口的阻抗特性、測(cè)試連接線的選擇等，均會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成相應(yīng)影響。因此，在測(cè)試開始前，需排除一切可避免的外部影響因素，保證測(cè)試的正確性及一致性，同時(shí)選擇專業(yè)、高品質(zhì)的物理層測(cè)試工具鏈，遵循標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范執(zhí)行測(cè)試至關(guān)重要。

5 結(jié)論

車載以太網(wǎng)作為一種新型車載局域網(wǎng)技術(shù)，不僅滿足汽車行業(yè)的要求，而且降低了互連成本和線纜質(zhì)量。同時(shí)，IEEE、OPEN、AVNU、AutoSar等組織聯(lián)盟［10］標(biāo)準(zhǔn)化的轉(zhuǎn)化、應(yīng)用的推動(dòng)，勢(shì)必會(huì)促進(jìn)車載以太網(wǎng)的開發(fā)進(jìn)程。測(cè)試方面，汽車以太網(wǎng)的測(cè)試技術(shù)、測(cè)試工具設(shè)備、測(cè)試內(nèi)容等也將隨產(chǎn)品開發(fā)需求的細(xì)化逐步完善，相應(yīng)的測(cè)試要求和方法有待繼續(xù)研究和跟進(jìn)。