汽车应用的理想以太网选择是什么？

以太网在多种汽车应用中越来越受欢迎。与CAN和LIN总线相比，它可以以更低的延迟和更轻的重量，并支持更高速率数据传输。然而，为IT基础设施应用开发的传统以太网对于大多数汽车应用来说对干扰过于敏感且噪声太大。

汽车以太网是建立在 IEEE 802.3 基础上的物理层标准。基本的汽车以太网标准是 802.3bw (100BASE-T1) 和 802.3bp (1000BASE-T1)，其运行方式与 IT 版以太网 (100BASE-TX) 不同。

与 IT 以太网的 100 米传输距离相比，汽车以太网电缆的最大长度为 15 米，这是一个标准差异。最近，IEEE 增加了 802.3ch，它在相同的 15 米电缆长度上以 2.5Gb/s、5Gb/s和 10Gb/s的标准速率提供多千兆以太网。

表 1：与传统以太网一样，汽车以太网基于 IEEE 802.3 标准，但使用不同的子标准。 （表：是德科技）

电缆

电缆是 IT 和汽车以太网实施之间的根本区别。重量是汽车应用中的一个问题（越轻越好）。与 IT 以太网电缆相比，单根双线非屏蔽双绞线 (UTP) 电缆重量轻且具有成本效益。

100BASE-TX IT 以太网在 5 类或更高类电缆内的两线对上运行。在汽车以太网电缆中，UTP 电缆用于同时传输和接收。

汽车以太网电缆的末端需要一个混合收发器来区分发送和接收的数据。如果使用 UTP 电缆，考虑到恶劣的电磁条件，它的长度必须很短。此外，必须严格控制汽车以太网布线中的阻抗容差和损耗。

不幸的是，多千兆汽车以太网的推出将不允许进行简单的改造，并且可能需要新的电缆。例如，屏蔽双绞线将取代 UTP 电缆。在某些情况下，可能需要 Cat 5 电缆。如今，Cat 5 电缆已用于一些对噪声敏感的汽车以太网应用。

信号编码

PAM-3 4B/3B 编码用于 100 MB 和 1Gb 汽车以太网。调制类型和信号编码优化了频谱效率，使汽车以太网能够使用所需的最少带宽传输给定的信号流。它可以传输高达 75 MHz 的频率。在 IT 以太网中，4B5B、MLT-3 和 NRZ-I 编码相结合，可提供高达 125 MHz 的数据速率。

连接器

RJ45 连接器被认为是 IT 以太网的接口。汽车以太网的连接器类型未定义。尽管这提高了实施的灵活性，但也带来了测试挑战，因为子系统是使用不同的连接器构建的。

技术与应用

一些高级驾驶辅助系统 (ADAS) 采用汽车以太网。虽然低压差分信号 (LVDS) 和其他接口用于某些应用，例如传输相机数据，但汽车以太网用于传输 LiDAR 和传感器数据以及用于控制（图 1）。

图 1：汽车以太网用于在 ADAS 系统中传输 LiDAR 和其他传感器数据。 （图片：村田）

OPEN联盟

OPEN联盟是汽车技术提供商所发起成立的组织，致力于鼓励汽车以太网的研究、开发和采用。 OPEN 制定了用于在各种应用中测试汽车以太网系统的标准。

以太网供电

汽车以太网已采用以太网供电 (PoE)，以消除单独的电源布线并减轻车辆的整体重量。 PoE 不会干扰信号传输速率，有助于提高汽车系统的可靠性。

节能以太网

节能以太网是一种特定协议，可通过在发动机关闭时关闭网络设备或整个子网来帮助降低车辆功耗。它包括在引擎运行时实现能源优化的以太网。

时间同步

时间敏感型应用——例如用于实时音频、视频、ADAS 和其他应用的电子控制单元 (ECU)——需要确定性通信。IEEE 802.1AS 标准支持汽车以太网中的时间同步。

AV 桥接

在汽车以太网中，音频和视频信号使用基于 IEEE8 的音频-视频桥接传输02.1 规格。这些使本地以太网网络能够流式传输信令、传输和同步音频和视频流。在许多汽车应用中，产生音频或视频流的 ECU 使用无线连接到分散的 AV 元件（如扬声器和低音炮）的驱动器。 AV 桥接将 AV 元件与其驱动器连接起来。

IP 诊断

IP 诊断 (DoIP) 支持使用 ISO 13400 标准的车辆诊断。 DoIP 分析 ECU 性能并提供固件更新。它通过专用以太网连接实现，并通过 TCP/IP 运行，以实现远程车辆诊断，与外部测试设备和不同的 ECU 通信。

BroadR-Reach

BroadR-Reach 由 Broadcom 开发，是另一种适用于汽车应用的以太网。它是 100Base-T 和 1000Base-T 协议的组合，并被纳入 OPEN 联盟中。例如，1000Base-T 使用 PAM-5 信号，100Base-T 使用 PAM-3 信号。 

另一个区别：1000Base-T 和 100Base-T 的数据速率为 125 M/s，而 BroadR-Reach 的数据速率为 66.67 M/s。BroadR-Reach可以使用质量较低且成本较低的电缆，同时支持满足汽车信号完整性要求所需的滤波。

与汽车以太网一样，BroadR-Reach 使用 UTP 布线可以达到 15 米。 BroadR-Reach 还指定用于最长 40 米的屏蔽双绞线布线。

测试

CAN、LIN 和 FlexRay 等低速汽车网络标准没有特定的一致性测试标准。各种 IEEE 和 OPEN 联盟文件已经定义了汽车以太网的一致性测试标准。设计验证测试对于确保来自不同制造商的系统元素之间的互操作性至关重要。

一些关键的性能测试注意事项包括：

• 发射机失真
• 回波损耗
• 发送时钟频率的抖动和稳定性
• 信号电压下降
• 功率谱密度 (PSD)
• 数据信号的媒体传输指数 (MDI) 抖动

与 IT 以太网相比，汽车以太网使用 PAM3/PAM4 调制来提供高数据速率和可靠性。眼图是汽车以太网中 PAM 信令的一种有效技术（图 2）。

图 2：眼图是评估汽车以太网中使用的 PAM 信号的最快方法。 （图片：泰克）

即将推出：数千兆光学汽车以太网

IEEE P802.3cz“数千兆光学汽车以太网”正在开发中，预计将提供高达 100 Gb/s 的多路复用。光以太网的优点包括增强的电磁兼容性（由于光纤的固有电流隔离）、重量轻和成本低。

与基于铜线的汽车以太网一样，多千兆位光学汽车以太网的采用将由 ADAS 和下一代汽车的连接架构推动。基于铜缆和光学汽车以太网的实现预计将在不确定的未来共存（图 3）。

图 3：未来，千兆位汽车光网络以太网（绿色）有望与汽车电信号以太网（红色）共存。 （图片：KDPOF）

概括

以太网是现代汽车中重要的网络协议。与 IT 以太网相比，汽车以太网有根本的不同，包括布线、信号协议和连接器。

以太网与 CAN、LIN 和 FlexRay 等其他汽车网络总线之间的一个关键区别在于一致性测试。以太网测试由 IEEE 和 OPEN 联盟定义。其他标准没有要求的合规性测试。千兆汽车光学以太网的出现将增强 ADAS 和其他汽车系统中连接的实用性。