車載以太網物理層測試的研究與分析

李志濤

（長城汽車股份有限公司技術中心，河北 保定 071000）

隨著汽車智能化、網聯化發展，車載應用的飛速增長導致帶寬需求不斷攀升，從而讓汽車網絡壓力重重，為滿足車載通信帶寬需求，海量數據處理能力，車載以太網應時而生。汽車以太網聯盟OPEN Alliance推廣Broadcom公司的BroadR-Reach技術，使用1對非屏蔽雙絞線實現百兆以太網的全雙工功能，通信距離大于15m［1］，并且滿足車載EMC要求。車載以太網基于車載需求，結合常規以太網技術進行了改善、優化，物理層使用單線對非屏蔽雙絞線的同時，應用更小巧緊湊的連接器，減少高達80%的車內連接成本和高達30%的車內布線質量。車載以太網物理層的特殊技術需求，促使測試人員在測試方法與測試技術的革新，同時對于以太網物理層的相關測試應嚴格遵循標準開展，以確保系統的整體性能。

1 以太網概述

以太網技術在20世紀70年代誕生，此后日益發展壯大，形成了規范集群，涉及數十種電纜類型、連接器、速度、信令方法和特點。IEEE802.3是歷史最悠久的IEEE802MAC層子規范，也是廣泛使用的規范之一。隨著通信技術的發展，以太網演變到支持多種不同的速度、電纜和功能，為實現多種網絡間的互操作性與兼容性，基于OSI參考模型，IEEE802.3以太網的總體架構模型產生，如圖1所示。該模型以OSI參考模型為基礎，重點圍繞與局域網技術關聯緊密的OSI物理層和數據鏈路層進行了細化，將物理層與數據鏈路層拆分成多個子層，并將數據鏈路層與物理層之間的分界線略微進行了調整，一些被OSI模型劃入物理層的功能上移至了數據鏈路層的MAC子層。

IEEE802.3模型第1、第2層分別對應OSI 7層模型的數據鏈路層和物理層，對應數據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）。對應物理層的部分又分為協調子層 （RS）、介質無關接口 （MII）和PHY子層。MAC與物理層連接的接口稱為介質無關接口 （MII）。物理層與實際物理介質之間的接口稱作介質相關接口（MDI）。

IEEE802.3規范眾多，其中許多規范并不特別適合車載以太網，隨著BroadR-Reach車載以太網技術的出現，車載電子控制單元之間以BroadR-Reach技術進行通信。該車載以太網的物理層與標準的100BASE-TX的物理層主要區別如下［2］。

圖1 IEEE 802.3模型

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

2）車載以太網的信號帶寬為66.7MHz，只有100BASETX系統的一半。較低的信號帶寬可以改善回波損耗，減少串擾，并確保車載以太網可滿足汽車電磁輻射標準要求。

BroadR-Reach技術專為滿足汽車內部各種苛刻需求而設計，在物理層上，進行了技術革新與重大的優化，使得車載以太網具有開放的和可擴展的架構，能與多種車內網絡系統兼容。

2 車載以太網物理層架構

車載以太網物理層，有時統稱為PHY，主要由3個子層構成，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 （PMD）子層。PCS和PMD主要負責在高層和低層執行數據編碼、處理和傳輸功能，而PMA負責將PCS與PMD子層聯系在一起。物理層架構示意如圖2所示。

物理層針對特定的以太網的特性定義信令和編碼并與下方的物理介質相連接，PCS層通過MII經RS層實現與數據鏈路層的連接，PMD層通過MDI連接具體的物理媒介，各子層相關功能如下。

1）協調子層 （RS）：協調子層是物理層與數據鏈路層的實際接口，協調子層將媒體獨立接口的信號轉換成數據鏈路層MAC子層所需要的信號。

2）介質無關接口 （MII）：MII是物理層的一部分，代表物理層與數據鏈路層MAC子層之間的接口，定義了MAC子層和以太網物理層其它部分之間通信的一組特殊接口。MII專為100Mb／s以太網設計，同時適用于10Mb／s以太網，為滿足千兆以太網的需求而對原始MII進行適配，配置頻率為125MHz的8位雙向接口，稱為千兆介質無關接口GMII。

3）PCS子層：PCS與上層的MII和下層的PMA子層進行通信，主要作用是將通過MII、GMII或其它類型的MII按“原始形式”收到的數據最終轉換成適合在網絡媒介中傳輸的形式。同時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，參與速度自協商處理，允許2臺以太網設備決定其共同的速度和雙工能力，從而實現高性能、高效率的通信。

4）PMA子層：PMA不僅僅是2個子層之間的一個接口，同時它也負責執行與PCS和PMD間數據傳輸以及其他任務相關的特定功能。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改變PMD上使用的比特編碼方法，實現多個PMD在相同的物理層系列中支持不同的媒介。PMA還可通過監控信號特征來檢測共享以太網實現中出現的媒介沖突。當檢測到沖突時，PMA會將沖突上報MAC子層；PMA還具有時鐘恢復功能，通過分析收到的比特流中的跳變將發送設備和接收設備的時鐘進行同步。

圖2 物理層架構

5）PMD子層：PMD子層用于實現與以太網物理層各類技術相關的特定物理層媒介所需的功能。PMD子層在從PMA讀取數據并執行所需的低電平線路編碼功能，從而實現PMD對應媒介的必要條件。接收數據時，PMD讀取并翻譯這些編碼信號并轉換成比特的形式然后發送至PMA。各個以太網速度對應的實際物理接口采用不同的PMD層。同樣，不是所有的以太網物理層架構中都有1個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子層來實現。車載以太網所使用的BroadR-Reach技術沒有這層，當特定PHY只定義了一種物理媒介時，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被認為是物理層的"邏輯"部分和實際導線間的接口。該接口的特征與媒介本身有明顯的緊密聯系，因此稱為與媒介有關接口，MDI多數為控制器和設備與電纜間的物理接口，通常為某種類型的連接器。各類以太網的MDI標準規定物理需求、電器特性，如連接器大小和類型、引腳設置、連接器固定方法、引腳電器參數等。MDI下方為實際的物理媒介，通過電纜或物理導線在以太網間傳輸信號。

OPEM聯盟及IEEE對車載以太網的PCS、PMA、PHY控制、EMC及互連性等多個方面做出了規范要求。嚴格意義上講，所有這些物理層面的要求都需要進行物理層一致性測試驗證。若不能通過一致性測試，即不滿足車載以太網電氣規范要求。那么，車載以太網在實際通信過程中就可能會導致車載以太網信號品質惡化、通信異?；蛘邔е聡乐氐腅MC問題，甚至發生車輛安全問題。

在不同的汽車電子行業，車載以太網物理層一致性測試都顯得至關重要！對于芯片供應商，只有通過一致性測試，滿足了行業標準要求，其產品才能進入市場。對于OEM廠商，車載以太網控制器產品開發周期漫長，應用合乎規范要求的PHY芯片可有效加快產品開發進度，PHY芯片在集成到電子控制單元后，為了保證通信傳輸的正確性及傳輸性能，同樣需要進行嚴格的物理層測試。

3 物理層測試

為保證端口的互聯互通性能，需進行物理層測試［3］。物理層中的PCS層主要測試車載以太網的協議功能，PMA測試，即物理媒介附加層測試主要測試產品的電氣特性。車載以太網物理層測試主要是用來驗證車載以太網傳輸端電氣特性，與標準規范的一致性，開展物理層信號的幅度、定時特性、鏈路連接的穩定性、信道品質指示、線纜診斷等全面的一致性驗證，檢測物理層發送器和接收器的電氣特性是否符合車內通信標準，確保滿足OPEN聯盟規范要求，在OPEN規范中，測試項目主要以發送器測試為主，測試內容主要涵蓋物理媒介附加層（PMA）測試及互聯互通 （IOP）測試。

3.1 PMA測試

根據OPEN聯盟《BroadRReach_DUT_and_Test_Station_Requirements》規范，定義了BroadR-Reach物理層PMA測試的常規測試內容，包括傳輸衰落、傳輸時鐘頻率、傳輸抖動、功率譜密度、回損測試和傳輸失真。為完成這些常規測試內容，需要配置PHY進入特定的模式類型，使被測車載以太網控制器在特定模式下發出特定的信號波形，然后使用專業的測試工具、設備進行測試。對應的測試模式類型包括模式1、模式2、模式4、模式5。PMA相關測試內容、模式及工具設備要求等［4］，見表1。

表1 PMA測試

物理層測試前，需使車載以太網控制器的PHY芯片處于對應測試項的測試模式，通過計算機更改控制器PHY芯片中 PMA／PMD測試控制寄存器實現，可參照IEEE802.3bw規范45.2.1.132章節說明進行寄存器配置，具體的比特定義見表2［5］。

表2 寄存器比特配置定義Bit（s）

除以上常規測試之外，IEEE802.3bw規范中還定義了關于100BASE-T1的測試內容要求，如MDI模式轉換損耗、MDI共模發射測試、傳輸峰值差分輸出測試。參照以上規范需求，OEM主要依據OPEN Alliance聯盟發布的TC8 ECU Test標準開展ECU級物理層測試，當前TC8 ECU Test_V1.0［6］與TC8 ECU Test_V2.0［7］成為主要測試參考標準，標準中對物理層測試內容執行要求，見表3。

表3 TC8測試項要求

TC8ECU Test_V2.0測試標準于2017年發布，物理層測試部分，在TC8ECU Test_V1.0的基礎上，PMA測試部分刪除了接收器測試需求，發送器測試在原內容上增加了傳輸失真測試項，并對各測試內容的執行要求進行了標注，明確了各項內容測試執行屬性，指導OEM測試工作的開展。

3.2 互聯互通測試

IOP測試用于測試車載以太網控制器設備互聯互通性能，要求每個車載以太網控制器的PHY在給定時限內建立穩定鏈路連接，并能夠向上層發送監控和鏈接狀態信號。OEM參考OPEN Alliance聯盟TC1［8］中互聯互通測試規范要求，依據TC8 ECU Test標準開展測試，該部分測試主要包含鏈路連接測試、信道品質測試、線纜診斷測試內容，用于測試以太網節點鏈路連接、信號品質及線纜診斷機制。相關測試內容見表4。

表4 IOP主要測試內容

IOP測試重點驗證各ECU之間互聯互通，即ECU控制器上PHY之間的互聯互通性。各芯片廠家的PHY芯片開發，均遵循IEEE802.3bw中定義的通用性和狀態機，但不同PHY芯片廠家實現細節不同，即使同一廠家的PHY，甚至同一廠家不同型號的PHY，配置的不同也會帶來差異。因此，芯片級的IOP測試通過是基礎，集成到ECU控制器上，IOP測試結果不僅取決于PHY芯片，還取決于PHY的軟／硬配置、外部濾波器影響、測試系統配置及信道通信條件等。

基于OEM角度，要保證各個以太網節點之間的通信交互，TC8 ECU Test中所提供的IOP測試項是不足的，測試人員需要基于車輛使用角度，應用場景的考量，追加部分測試內容。同時，OEM需綜合考慮影響因素，選擇IOP測試工具，確定所選工具所匹配PHY的品牌、型號，確定測試工具基準，開展各車載以太網控制器節點IOP測試，達成一致性測試目標。

車載以太網通信速度的大幅度提升，使得通信品質對物理層特性更敏感、更矯情，匹配電路的設計、Layout布局和布線長度、連接器、線束的選擇，甚至在車中的走線路徑都對通信帶來至關重要的影響，所以物理層測試是車載以太網測試的重要前提，同時從車輛使用及系統集成角度考慮，需要設計不同測試場景驗證物理層的耦合影響。

4 物理層測試示例

參照表1，物理層測試需要用到的測試工具、設備主要為示波器、矢量網絡分析儀、信號發生器、頻譜分析儀、測試夾具等。依據每個測試項的需求，選擇對應的測試工具、設備和對應的測試夾具，把被測設備 （DUT）和測試工具、設備等連接至夾具的對應端口，由測試夾具實現各測試工具、設備的物理連接與電路轉換功能，物理連接示意圖如圖3所示。然后，參照表2應用PC對DUT進行測試模式的配置，以觸發DUT發送滿足測試需求的信號波形。物理連接與測試模式配置完成后，通過連接的測試工具、設備進行測試，采集測試數據、波形信息，依據TC8 ECU Test規范中的要求進行測試項結果的判定。

圖3 物理層測試連接

不同的測試項內容，所需工具、設備及夾具，物理連接方法與測試模式配置均有所不同，需根據測試項內容進行相應調整。以物理層測試中的傳輸衰落測試內容項為例，測試步驟如下。

1）參見表1、圖3進行被測控制器與所需測試工具、設備的連接。

2）參見表1、表2，使用PC配置被測控制器進入測試模式1，使被測控制器周期性發出正／負脈沖波形，即40個邏輯1，40個邏輯-1的信號波形。

3）調試示波器采集該信號波形，如圖4所示。測量正／負峰值電壓Vpk，正／負峰值后500ns處的電壓幅值Vd。查看示波器測量數值，如圖4所示，正峰值Vpk=852.10mV，500ns處的電壓幅值Vd=36.38mV。

4）判定標準要求，正／負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）依據示波器測量電壓幅值，計算測量結果Droop=4.27%，該測試項測試通過，重復執行3）、4）步驟，同步進行負脈沖波形測試。為確保測試的精度，重復進行10次正／負脈沖波形測試，分別計算Droop的10次平均值。

圖4 示波器信號波形

車載以太網物理層測試影響因素較多，如測試環境差異、工具設備精度、工具兼容性、工具校準操作、時間同步要求，測試接口匹配、連接端口的阻抗特性、測試連接線的選擇等，均會對測試結果造成相應影響。因此，在測試開始前，需排除一切可避免的外部影響因素，保證測試的正確性及一致性，同時選擇專業、高品質的物理層測試工具鏈，遵循標準規范執行測試至關重要。

5 結論

車載以太網作為一種新型車載局域網技術，不僅滿足汽車行業的要求，而且降低了互連成本和線纜質量。同時，IEEE、OPEN、AVNU、AutoSar等組織聯盟［10］標準化的轉化、應用的推動，勢必會促進車載以太網的開發進程。測試方面，汽車以太網的測試技術、測試工具設備、測試內容等也將隨產品開發需求的細化逐步完善，相應的測試要求和方法有待繼續研究和跟進。