Решение для анализа согласованности Ethernet в автомобильной отрасли
2026-07-06
Предисловие
Новая волна инноваций в автомобильной технике вызвала огромный спрос на тестирование. Хотя сосредоточение всех усилий по тестированию на итеративных приложениях, ориентированных на пользователя, привлекательно, тестирование автомобильного Ethernet имеет первостепенное значение. Точно так же, как современные бытовые приборы, такие как телевизоры, стиральные машины и холодильники, становятся бесполезными без питания, даже самые тщательно протестированные автомобильные приложения не могут нормально функционировать без Ethernet.
Часть 1: Понимание Ethernet
Первоначально альянс OPEN определил три основных сценария применения автомобильного Ethernet: круговой обзор на 360°, диагностика автомобиля и автомобильные развлекательные системы. Общим для всех этих трех сценариев является огромный объем передаваемых данных . Компания BMW стала пионером в разработке технологии Ethernet на ранних этапах именно потому, что традиционные шины CAN с трудом справлялись с огромным объемом передаваемых данных во время диагностики автомобиля; даже относительно крупное обновление системы могло занять от одного до двух часов. Внедрение Ethernet эффективно решило эту проблему отрасли – недостаточную пропускную способность для передачи данных.
Сегодня передовые системы помощи водителю (ADAS), подключенные к сети транспортные средства и автономные транспортные средства (AV) меняют транспортную ситуацию как для коммерческого, так и для пассажирского транспорта. Каждый скачок в производительности обусловлен увеличением объемов данных и повышением скорости передачи, что напрямую способствует всесторонней трансформации автомобильных сетей в сторону автомобильного Ethernet.
В настоящее время большинство моделей автомобилей используют три функциональные архитектуры (архитектура автомобиля, архитектура интеллектуального вождения и архитектура кабины), и многие компании также начинают исследовать архитектуру с центральным процессором и областью определения местоположения (зональная архитектура). Мы составили список узлов Ethernet, часто используемых в автомобилях высокого класса, чтобы рассмотреть, в каких сценариях может быть использована автомобильная технология Ethernet.
Краткое описание сцены
✅ Подключаемые устройства : TBox, диагностический контроллер, центральный шлюз и т. д.;
✅ Технологии интеллектуального вождения : интеллектуальное управление областью вождения, высокоточные карты, система помощи при парковке, лидар, камеры, мониторинг водителя и т. д.
✅ Автомобиль и кузов : управление автомобилем, управление кузовом, передние и задние фары, цифровое освещение, подсветка салона и т. д.;
✅ Развлечения : управление развлекательной зоной, видеорегистратор, электронные зеркала заднего вида (внутренние и внешние), проекционный дисплей (HUD), проекционный дисплей с дополненной реальностью (AR-HUD), аудиосистема, мониторинг пассажиров и т. д.
Часть 2. Понимание технологии Ethernet в автомобилях.
В автомобильных сетях Ethernet 100Base-T1 и 1000Base-T1 для передачи данных используется в основном одна пара витых пар кабелей, а для повышения скорости и надежности передачи применяется кодирование PAM-3. Это отличается от традиционного промышленного Ethernet 100Base-Tx, в котором используются две пары витых пар кабелей. Физический уровень принимает данные от уровня MAC, выполняет кодирование 4B/5B, а затем передает их с использованием кодирования MLT-3.
Стандартный Ethernet 100Base-Tx
Автомобильный Ethernet 100Base-T1
Различия в передаче сигнала между промышленным Ethernet 100Base-Tx и автомобильным Ethernet 100Base-T1.
Однако автомобильный Ethernet работает иначе. После того, как физический уровень 100Base-T1 получает данные, отправленные MAC-адресом, он проходит трехэтапный процесс.
Данные уровня MAC передаются параллельно на физический уровень со скоростью 25 МГц через интерфейс MII , при этом скорость передачи данных составляет 4 бита × 25 Мбит/с = 100 Мбит/с.
✅ Преобразование 4B/3B : После получения данных физический уровень одновременно выполняет преобразование 4B/3B и преобразование тактовой частоты, преобразуя 4-битные данные, передаваемые на частоте 25 МГц, в 3-битный блок данных с тактовой частотой 33,33 МГц. Скорость передачи данных составляет 33,33 × 3 бита ≈ 100 Мбит/с.
✅ Группировка 3B/2T : Затем выполняется группировка 3B/2T, при которой каждые 3 бита данных (3B) группируются в пару троичных символов (2T) и передаются со скоростью передачи символов 66,66 Мсимволов/с;
✅ Модуляция PAM-3 : В итоге выполняется модуляция PAM-3 и физическая передача. Поскольку каждый троичный символ содержит Log_2(3)≈1,5 бит информации, 66,66 Мсимволов/с × 1,5 бит/символ ≈ 100 Мбит/с, и в итоге достигается скорость передачи 100 Мбит/с.
Система 1000Base-T1 более сложная и включает в себя четыре этапа.
✅ Кодирование 80B/81B : После получения 8 бит данных от MAC, 10 8-битных данных преобразуются в 81B с помощью транскодирования 80B/81B. Оставшийся 1 бит используется в качестве заголовка для различения блоков данных и блоков управления. Этот процесс занимает 10 тактовых циклов.
✅ Собрать 45 блоков данных 80B/81B и добавить к ним 9-битное поле OAM для управления и обслуживания работы канала связи;
✅ Кодирование RS-FEC : скремблирование, кодирование RS-FEC и добавление 396 битов четности RS-FEC для коррекции ошибок;
✅ 3B/2T : Сигнал модулируется в формат PAM-3 и выводится в сеть через 3B/2T.
Символьная скорость 1000MBase-T1 составляет 750 МГц. После кодирования 3B/2T можно получить битовую скорость в 1,5 раза выше. Однако из-за транскодирования 80B/81B и добавления поля OAM и контрольного бита RS-FEC эффективная битовая скорость передачи данных составляет: 750*1,5*(45*80)*(45*81+9+396)=1000 Мбит/с.
Технология PAM-3 [трехуровневая импульсно-амплитудная модуляция]
PAM3 (трехуровневая импульсно-амплитудная модуляция) — это многоуровневая техника модуляции, которая передает данные, используя три разных уровня сигнала (например, +1, 0, -1). Каждый символьный цикл может передавать приблизительно 1,5 бита информации. Подобно другим методам PAM, она повышает эффективность передачи данных за счет увеличения количества уровней. Выбор PAM-N обусловлен двумя соображениями: во-первых, повышением эффективности передачи данных для обеспечения все более высоких скоростей передачи данных; и во-вторых, балансом между проблемами целостности сигнала и сложностями, связанными со сложностью реализации.
PAM3 кодирует данные с использованием трех уровней (например, +1, 0, -1) и передает 3 бита данных каждые два символьных цикла. По сравнению с сигналами NRZ, он обеспечивает на 50% большую полосу пропускания. По сравнению с PAM-4, он имеет более низкие требования к соотношению сигнал/шум, а также умеренные затраты на проектирование и производство, а также сложность.
Протокол PAM-3 широко используется.
✅ GDDR7 : Передаёт 3 бита данных каждые два цикла, скорость передачи данных по одному каналу до 32 Гбит/с, используется в высокопроизводительных графических картах для вычислений с использованием ИИ и автомобильных графических процессорах;
✅Автомобильный Ethernet : В системах связи на коротких расстояниях между транспортными средствами PAM-3 снижает электромагнитные помехи за счет уменьшения амплитуды сигнала. Подходит для таких сценариев, как автономное вождение;
✅ USB4 v2 : По сравнению с PAM-4, PAM-3 для USB4 v2 обеспечивает большее отверстие глазковой диаграммы.
Часть 3. Более глубокое понимание автомобильных сетей с помощью автоматизированных решений для обеспечения согласованности данных.
Две крупнейшие организации по стандартизации в отрасли, IEEE и OPEN Alliance, разработали стандарты для тестирования соответствия физического уровня автомобильного Ethernet, чтобы обеспечить совместимость между различными проектами и производителями оборудования. Решение UNI-T для анализа соответствия автомобильного Ethernet охватывает 100Base-T1 ( 802.3bw ) и 1000Base-T1 (802.3bp) . При тестировании физического уровня основное внимание уделяется передатчику. Осциллограф является основным инструментом для этих тестов. Для проверки искажений передатчика, потерь на отражение MDI и преобразования режима MDI требуются дополнительные приборы; для автомобильного Ethernet 1000Base-T1 требуется полоса пропускания осциллографа не менее 2 ГГц.
UNI-T поддерживает тестирование автомобильного Ethernet, предоставляя тестирование по стандартам 802.3bw и 802.3bp. Соответствующие спецификации IEEE для OPEN Alliance можно найти, как описано ниже.
01.
100Base-T1
02.
1000Base-T1
03.
Программное обеспечение для анализа согласованности Ethernet в автомобиле
Решение UNI-T CTS100T1/1000T1 для анализа соответствия автомобильным стандартам Ethernet предоставляет полностью автоматизированное программное обеспечение для анализа соответствия стандартам 100Base-T1 и 1000Base-T1. Пакет тестов поддерживает новые осциллографы UNI-T, позволяя проверять полнодуплексную коммуникационную цепочку ЭБУ в реальных условиях, а также проводить анализ соответствия с помощью программного обеспечения PAM-N для новых осциллографов.
Программное обеспечение для анализа соответствия может выполнять полное или выборочное тестирование любых характеристик передатчика, включая настройки, полностью управляющие осциллографом. После завершения теста оно сгенерирует полный отчет о тестировании с результатами прохождения/непрохождения теста, а также отобразит осциллограммы и данные.
Основные функции анализа согласованности
✅Время тестирования : Полностью автоматизировано с помощью мастера настройки, способного выполнять тесты в соответствии со стандартами автомобильного Ethernet 100Base-T1 и 1000Base-T1. Программное обеспечение автоматически настраивает тестовые приборы в соответствии с требованиями тестирования, значительно сокращая общее время тестирования;
✅Объем тестирования : Разработано на основе спецификаций IEEE и OPEN Alliance. Тесты охватывают требования к тестированию ЭБУ TC8 OPEN Alliance;
✅Проверка и отладка : Сопутствующие инструменты (анализ PAM-N) помогут вам дополнительно проверить или обнаружить неисправности, а также предоставят расширенные инструменты анализа дрожания сигнала;
✅Подробные отчеты : Автоматически генерирует отчеты, включая результаты проверки осциллограмм (пройдено/не пройдено), подробные результаты тестирования, снимки экрана или аналитические представления и т. д.
04.
Приборы, поддерживающие анализ согласованности Ethernet в транспортных средствах.
05.
Осциллограф
Осциллографы UNI-T охватывают диапазон полос пропускания от 1 ГГц до 13 ГГц и обеспечивают 12-битное разрешение АЦП , что помогает глубже понять проектирование автомобильных Ethernet-устройств.
06.
Прибор для синхронизации часов
Синхронный тактовый генератор преобразует тактовую частоту 25 МГц/66,66 МГц/125 МГц автомобильного Ethernet в тактовую частоту 10 МГц, необходимую осциллографу и источнику сигнала, обеспечивая, что осциллограф и скремблированный сигнал исходят из одного и того же источника во время проверки искажений передачи. Номер детали: UT-AESF-10M
07.
Прибор для анализа согласованности Ethernet, устанавливаемый на транспортное средство
Прибор Wilder для проверки соответствия стандартам автомобильного Ethernet может использоваться для проверки соответствия физического уровня стандартам автомобильного Ethernet 100Base-T1 и 1000Base-T1. Помимо общего тестирования на соответствие, он также поддерживает тестирование синфазных излучений MDI в ЭБУ и тестирование искажений передатчика.
Часть 4. Примеры тестирования автомобильного Ethernet.
Программное обеспечение для анализа соответствия CTS100/1000T1 полностью автоматизирует процесс тестирования качества сигнала, позволяя разработчикам быстро и легко проводить тесты. Просто выберите измерение, которое необходимо выполнить для сигнала Ethernet, и настройте тестовое соединение в соответствии с подсказками на схеме подключения. Программное обеспечение исключает утомительный и трудоемкий процесс ручной настройки осциллографа, установки курсора и сравнения результатов тестирования со спецификациями протокола.
На изображении выше показан тест автомобильного Ethernet-интерфейса 1000 Мбит/с на бортовом преобразователе шлюза. Этот преобразователь способен преобразовывать автомобильный Ethernet 1000 Мбит/с в промышленный Ethernet.
01.
Тест на искажение передачи
Для проверки искажений необходимо использовать сигналы помех, а тактовая частота осциллографа, регистрирующего данные, синхронизируется с частотой TX_TCLK тестируемого устройства. Компания UNI-T предлагает метод «аппаратного разветвителя тактовой частоты» для поддержки этой проверки. Для этой проверки требуется источник сигнала и устройство синхронизации тактовой частоты. Тактовая частота TX_TCLK преобразуется в тактовую частоту 10 МГц, необходимую осциллографу и источнику сигнала, через разветвитель тактовой частоты, обеспечивая таким образом согласованную работу устройств сбора данных и подавления помех.
Схема подключения для проверки искажений при передаче
Для проверки искажений необходимо настроить тестовый режим, указанный в таблице тестов 100/1000Base-T1, и проверить максимально допустимые искажения передатчика. Для теста 100Base-T1 требуется, чтобы источник сигнала излучал синусоидальный сигнал частотой 11,111 МГц с пиковой амплитудой 5,4 В.
Примечание: Если выходной сигнал TX_TCLK тестируемого устройства недоступен или тестовое оборудование не может синхронизировать внутренний тактовый сигнал тестируемого устройства, это вызовет фазовый сдвиг, что приведет к значительному увеличению измеренного значения искажения [по сравнению с доступом к TX_TCLK].
Проверка дрожания синхронизации передатчика и частоты тактирования передатчика.
Физический уровень имеет символические тактовые сигналы, полученные с использованием тестовых режимов, необходимых для поддерживаемых 100Base-T1 и 1000Base-T1. Для этого теста требуются измерения среднеквадратичного дрожания (RMS) ведущего (ведомого) устройства и частоты тактового сигнала передатчика с использованием опции JITTER (Advanced Jitter Analysis and Eye Diagram).
03.
Проверка дрожания сигнала передачи и частоты тактового сигнала передачи.
В тестовом режиме 2 передатчик попеременно излучает 3 символа «+1» и 3 символа «-1» в основном режиме для проверки частоты и джиттера сигнала данных. Для этого теста требуется использовать опцию JITTER (Advanced Jitter Analysis and Eye Diagram) для измерения пикового значения джиттера, среднеквадратичного значения и тактовой частоты.
04.
Тест пикового дифференциального выходного напряжения передатчика
Пиковое напряжение дифференциального выходного сигнала MDI измерялось с помощью клеммы с сопротивлением 100 Ом.
05.
Проверка падения положительного/отрицательного напряжения на выходе передатчика
Настройте физический уровень, используя тестовые режимы из поддерживаемой таблицы тестирования 100/1000Base-T1. Выполните тест на падение напряжения, определив пиковое напряжение положительного/отрицательного сигнала.
06.
Тест спектральной плотности мощности
Тестируемый сигнал (DUT) преобразуется из однополярного в дифференциальный с помощью балуна 100 Ом (реализованного с помощью тестового приспособления). Для расчета спектра входного сигнала используются сложные математические алгоритмы на осциллографе, после чего он обрабатывается для получения распределенного физического спектра (PSD). С помощью шаблонов верхнего/нижнего предела рассчитанный спектр PSD сравнивается со стандартом для получения окончательного результата.
Тестирование спектральной плотности мощности сравнивает спектральные линии спектральной плотности мощности с эталонным образцом.
07.
тест запуска в синфазном режиме
С помощью сложных математических алгоритмов на осциллографе измеряется синфазное излучение порта MDI тестируемого устройства (DUT). Согласно спецификации, синфазное излучение порта MDI не должно превышать 24 дБмкВ в диапазоне от 1 МГц до 200 МГц.
Было проведено тестирование на синфазные помехи, и рассчитанный спектр был сравнен с предельной линией. Согласно спецификации, значение должно быть менее 24 дБмкВ.
Часть 5. Отчет о результатах испытаний.
Анализ соответствия автомобильного Ethernet поддерживает отчеты об анализе соответствия в формате PDF или HTML. Отчет автоматически генерируется после завершения тестирования программного обеспечения и включает в себя статус прохождения/непрохождения теста, а также сводку результатов тестирования для быстрого анализа результатов. Отчет также содержит подробную информацию о конфигурации теста, осциллограммы, снимки экрана осциллографа и анализ запаса прочности, что обеспечивает глубокое понимание характеристик вашей конструкции автомобильного Ethernet.
Руководство по выбору
Решение UNI-T 100/1000BASE-T1 для анализа соответствия включает в себя высокоавтоматизированный процесс управления тестированием, который с помощью интуитивно понятного пользовательского интерфейса направляет пользователей по различным настройкам и операциям для создания отчетов о тестировании. Вы можете настроить план тестирования в соответствии с требуемыми сценариями тестирования.
