转自公众号：焉知智能汽车

https://mp.weixin.qq.com/s/wegd69oUvCzUR-TZGvJ0dQ

作者 | Keysight Technologies

来源 | 知乎、ADS智库

知圈 | 进“计算平台群”请加微yanzhi-6,备注计算

车载以太网是在汽车中连接电子元器件的一种有线网络。

其设计初衷是希望满足汽车行业对带宽、延迟、同步、干扰（例如 电磁干扰（EMI））、安全性和网络管理等方面的要求。车载以太网的概念最初是由 Broadcom 提出的，后来 OPEN（单对以太网）联盟采纳了这一标准并承担起管理职责。

OPEN 推广 Broadcom 的 100 Mbps BroadR-Reach 作为多供应商许可解决方案。100 Mbps PHY 实施借鉴了 1 Gbps 以太网的技术，能够在一对线缆上实现 100 Mbps 双向传输。此技术使用了更先进的编码方案，可以消除回声，将基本频率（从 125 MHz）降至 66 MHz。

这使得以太网能够达到汽车 EMI 技术指标。IEEE 和 OPEN 联盟已在 IEEE 802.3 和 80。

在早期阶段，以太网从 DLC 诊断端口到网关只有一条 100Base-T1 1TPCE 链路，所以它只用于诊断和固化软件更新。图 1 显示了车载以太网作为新骨干（使用更快速的千兆位以太网 1000Base-T1 RTPGE 链路）的角色演变。

图 1. 车载以太网的演进过程

尽管传统的汽车串行总线在各种汽车应用中发挥了重要作用，但它们也都有各自的缺点，而车载以太网能够克服这些缺点。

例如，大多数汽车串行总线都无法达到 LIDAR 所要求的 70 MB/s 数据速率。

当各种传感技术和无线通信技术整合在一起时，通常需要同时使用 LIDAR、RADAR、摄像头和 V2X 通信。

在这种情况下，需要传输的数据量超过了传统汽车串行总线的现有容量。

因此，汽车行业想要引入车载以太网，以便使自动驾驶和先进 ADAS 系统变成现实。

这种广泛使用的标准增益喇叭可以有力地证明发现并解决各种明显或隐藏的物理和电气问题的重要性。

根据主流标准，增益系数可以仅依据喇叭孔径的尺寸来计算。

不过在实际应用中，这种简化方法至少有两个问题：喇叭自身可能受到损坏；与喇叭连接的波导（例如电缆连接器、内部元器件等）可能有物理或电气问题。

要表征波导，我们需要连接两个波导（一个波导的性能是已知的，另一个是未知的），并测量插入损耗。

我们在是德科技爱荷华州卓越中心（COE）进行了一组测试，图 2 显示了其测量结果。

上方的迹线显示了两种响应：红线表示将一个不合格波导连接到一个已知的合格波导所得到的响应；蓝线表示将两个合格波导连接在一起得到的响应。

从蓝线上可以看出，即使是将两个已知合格的波导连在一起，适配器也会造成大量损耗（在本例中达到大约 0.73 dB ）。

下方的 “ Delta ” 迹线显示了合格波导与不合格波导的测量结果之差。

从 18 GHz 至 20.5 GHz，这个差值接近 4 dB。在 18 GHz 到 26.5 GHz 的整个扫宽范围内，平均偏差为 1.93 dB。

图 2 中的进步得益于多个技术领域的进步，包括：AUTOSAR、单对以太网、时间同步、时间触发以太网、AV 桥接、成功实施的全面测试要求等，下面来详细介绍。

该标准实施将使多个设备可以在一个共享网络上无缝运行。

图 3. 车载以太网的物理层测试点

有些汽车算法要求多个传感器同时采样，或者将执行某项测量的时间作为参考时间。

由于这些测量是在不同的节点中进行，因此汽车中的所有节点必须做到亚微秒级的精确时间同步。

用于桥接局域网中时间敏感型应用的 IEEE 802.1AS 计时和同步标准已被选作同步计时标准。

IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作组正在开发一个系统来解决这个问题，其中高优先级的数据包（称为 Express 数据包）可以中断现有数据包的传输过程优先进行传输，当它传输完毕后，被中断的数据包再继续进行传输。

时间敏感网络任务组制定了相应的规范，支持时间同步的低延迟数据流业务。

车载以太网工程师需要处理常见的高频电路板设计问题，包括信号噪声、信号质量、串扰、反射、阻抗匹配和直流电源完整性。

为了确保成功实施和可靠运行，车载以太网还需要对物理层、协议、一致性、安全性和线束执行全面的测试。

3.6.1 发射机测试

功能强大的 100Base-T1 接收机（RX）一致性测试应用软件应能自动配置所有必需的测试设备，简化并加快整个测试过程。该软件还提供比特误码率测试（BERT 或 BER 测试）。

• 简化接收机一致性测试

• 自动配置所有必需设备，缩短测试时间

• 以图形方式显示与被测器件的连接

• 生成 HTML 格式且可打印输出的合格/不合格测试报告，报告中还包含裕量分析结果

图 4. 车载以太网的完整模型

不过若是在汽车中使用，传统的以太网还是噪声太大，很容易受到干扰。为了满足汽车行业的特定需求，IEEE 现已制定了新的标准和协议。

自动驾驶汽车中使用的各项技术应用了众多新型电子元器件。

第一类支持在无线电探测和测距（RADAR）、激光探测和测距（LIDAR）以及摄像头中使用的传感器实现融合。

第二类包括车辆到车辆（V2V）、车辆到网络（V2N）、车辆到基础设施（V2I）、车辆到行人（V2P）、车辆到公用事业（V2U）以及车联网（V2X）的无线通信。

多种相邻组件，比如采用高精度导航系统的高清（HD）地图、功能强大的信号处理以及人工智能等，都是自动驾驶所需要的组件。

这些技术会产生、发送、接收、存储和处理海量数据。

例如，一个 LIDAR 模块可以提供围绕汽车的高精度、高分辨率三维和 360° 成像数据。

LIDAR 模块可能生成 70 Mbps 的数据流量，一个摄像头可能生成 40 Mbps 的数据流量，RADAR 模块可能生成 100 Kbps 的数据流量，而导航系统可能生成 50 Kbps 的数据流量。

此外，自动驾驶系统的等级越高，独立传感器的数量也将极大增长，由此产生的数据总量也更大。

例如，二级自动驾驶系统可以提供纵向和横向车辆运动控制，因此驾驶员可以放开双手，并暂时休息一下眼睛。

该系统可能需要使用 5 个 RADAR 传感器和 5 个摄像头。

全自动驾驶系统（四级和五级）将需要多达 20 个 RADAR 传感器和 6 个摄像头，还要使用 V2X 通信。

我们预测，一辆自动驾驶汽车每天将会产生大约 4 TB 的数据。

这些数据需要以极短的延迟在高速、可靠的网络上传输、存储和共享，这正是基于车载以太网的高吞吐量、低延迟网络的长处。

通过回顾主要的传统汽车串行总线，包括 CAN、LVDS、LIN、MOST、FlexRay 和 CAN FD，我们可以更好地理解为什么自动驾驶汽车和先进驾驶辅助系统现在需要车载以太网。

CAN 主要在动力总成、底盘和车身电子设备中使用。

LVDS 是一种点到点链路，不是共享总线。

它的成本比 MOST（媒体定向系统传输）低得多，很多汽车制造商都用它来传输摄像头和视频数据。

LIN 的成本比 CAN 低，其速度和成本正好适合车身电子设备，例如镜子、电动座椅和配件等。

MOST 采用环形体系结构，使用光纤或铜缆互连，数据速率可达到 150 Mbps （MOST150）。

每个环可以包含 64 个 MOST 器件。

对于汽车市场而言，MFlexRay — 2000 FlexRay 是一种数据速率高达 10 Mbps 的共享串行总线。它是由 FlexRay 联盟开发的。

该联盟是由半导体制造商、汽车制造商和基础设施提供商所建立的一个组织。

与 CAN 不同，它没有内置的误码恢复功能，而是将误码处理留给了应用层。

它的优势是带宽比 CAN 高，但缺点在于成本较高，而且需要共享使用媒体。

FlexRay 主要用于高性能动力总成和安全系统，如线控驱动、主动悬架和自适应巡航控制。

CAN FD 可以与现有的 CAN 网络兼容。