自動駕駛系統的等級越高，獨立傳感器的數量也越多，由此產生的數據總量也將更大。二級自動駕駛系統可以提供縱向和橫向車輛運動控制，可以讓駕駛員放開雙手，暫時休息一下眼睛。該系統可能需要使用5個RADAR傳感器和5個攝像頭。而全自動駕駛系統（四級和五級）將需要多達20個RADAR傳感器和6個攝像頭，還要使用V2X通信。預測顯示，一輛自動駕駛汽車每天將會產生大約 4 TB的數據。這些數據需要以極短的延遲在高速、可靠的網絡上傳輸、存儲和共享，這正是基于車載以太網的高吞吐量、低延遲網絡的長處。

大多數汽車傳統串行總線都無法達到LIDAR所要求的70MB/s數據速率。當各種傳感技術和無線通信技術整合在一起時，通常需要同時使用 LIDAR、RADAR、攝像頭和 V2X 通信。在這種情況下，需要傳輸的數據量超過了傳統汽車串行總線的現有容量。因此，汽車行業想要引入車載以太網，以便使自動駕駛和先進ADAS系統變成現實。

01

為何選擇車載以太網

車載以太網是在汽車中連接電子元器件的一種有線網絡。其設計初衷是希望滿足汽車行業對帶寬、延遲、同步、干擾、安全性和網絡管理等方面的要求。IEEE 和 OPEN 聯盟已在 IEEE 802.3 和 802.1 小組中制定出并負責維護100 Mbps和1000 Mbps車載以太網的物理層標準。

在早期階段，以太網從 DLC 診斷端口到網關只有一條 100Base-T1 1TPCE 鏈路，所以它只用于診斷和固化軟件更新。圖 1 顯示了車載以太網作為新骨干（使用更快速的千兆位 以太網 1000Base-T1 RTPGE 鏈路）的角色演變。

圖1：車載以太網的演進進程

在車載電子系統連接和通信、自動駕駛和 ADAS 系統方面，車載以太網與傳統汽車串行總線相比具有明顯優勢。汽車電子體系結構正變得越來越復雜，其中包含的傳感器、控制器和接口越來越多，并且需要更高的帶寬、更多的計算機和通信鏈路。

連接這些系統的線束無論是重量還是成本都排在目前汽車所有零部件中的第三位。現在，汽車制造商使用多種不同的專有標準來提供通信功能；大部分元器件都使用一條專用線路或電纜。車載以太網是支持所有通信的統一標準，它使用一對電纜連接每個電子元器件與中央網絡交換機。

Broadcom和博世進行的聯合調查顯示，通過使用非屏蔽雙絞線 （UTP）電纜和更小的緊湊型連接器，連接成本最多可降低 80％，線纜重量最多可減輕 30％。

02

車載以太網技術的演進

AUTOSAR（汽車開放系統體系結構）

AUTOSAR 是開放和標準化的汽車軟件體系結構。它由汽車制造商、供應商和工具開發商聯合開發完成。AUTOSAR 包括在汽車中使用的TCP/ IP協議模型。汽車行業已經達成一致，同意將AUTOSAR確立為標準，各家汽車制造商將在實施標準層面展開競爭，而不必再對標準本身提出爭議。該標準實施將使多個設備可以在一個共享網絡上無縫運行。

單對以太網（OPEN）

Broadcom 開發了BroadR-Reach 作為專有物理層標準，支持更長距離的100 Mbps銅纜以太網連接。該標準在物理層上采用了千兆以太網銅纜技術，包括多電平PAM-3 信令和更好的編碼方案，減少了電纜所需要的帶寬。它還使用了回聲消除器，實現在一對線纜中雙向傳輸數據。這個標準的帶寬為27 MHz，比100Base-T標準62.5MHz 的帶寬小，因而達到了汽車EMI要求。為此 IEEE 802.3工作組（802.3bp）成立了一個小組，其任務是定義通過一對雙絞線實現 1000 Mbps（1 Gbps）數據速率的新標準。這個千兆位以太網物理層標準被稱為1000Base-T1。

時間同步

有些汽車算法要求多個傳感器同時采樣，或者將執行某項測量的時間作為參考時間。由于這些測量是在不同的節點中進行，因此汽車中的所有節點必須做到亞微秒級的精確時間同步。用于橋接局域網中時間敏感型應用的 IEEE 802.1AS 計時和同步標準已被選作同步計時標準。該標準使用了IEEE 1588 v2 的配置文件，并引入了一種簡化的方法來更快選擇主時鐘。

時間觸發以太網

一些時間敏感型控件要求通信延遲在1微秒之內，以便控制器可以快速獲得傳感器讀數或是控制對時間要求極為嚴格的功能。在傳統以太網中，數據包必須逐個傳輸，即使達到千兆位的速度，傳輸一個數據包也需要幾百微秒。IEEE 802.3br（Interspersed Express Traffic）工作組正在開發一個系統來解決這個問題，其中高優先級的數據包（稱為Express數據包）可以中斷現有數據包的傳輸過程優先進行傳輸，當它傳輸完畢后，被中斷的數據包再繼續進行傳輸。

AV 橋接

ADAS 主要依賴從攝像頭和其他傳感器及時獲得數據。當在計算機上觀看視頻時，可以使用緩沖方式來解決網絡計時不可靠的問題，但汽車AV系統不能這樣，它需要同時控制延遲和保證帶寬。時間敏感網絡任務組制定了相應的規范，支持時間同步的低延遲數據流業務。

03

成功實施需要的全面測試

車載以太網工程師需要處理常見的高頻電路板設計問題，包括信號噪聲、信號質量、串擾、反射、阻抗匹配和直流電源完整性。

為了確保成功實施和可靠運行，車載以太網還需要對物理層、協議、一致性、安全性和線束執行全面的測試。

物層層一致性測試有三個測試點（圖 2）：發射機及協議觸發和解碼；鏈路分段，包括線束和連接器；接收機。

圖2：車載以太網的物理層測試點

發射機測試

收發信機測試與其他高速數字標準的物理層表征解決方案相似。工程師必須選擇一個包含協議觸發與解碼軟件包的測試解決方案，此軟件包將查看數據流量和協議層動態，從而節省調試早期設計的時間。所有必需的一致性測試都需要在設置、配置和報告階段中預先打 包，以便設計人員可以專注于他們的核心任務，按期完成工作。

接收機測試

功能強大的 100Base-T1 接收機（RX）一致性測試應用軟件應能自動配置所有必需的測試設備，簡化并加快整個測試過程。該軟件還提供比特誤碼率測試（BERT或BER測試）。

? 簡化接收機一致性測試

? 自動配置所有必需設備，縮短測試時間

? 以圖形方式顯示與被測器件的連接

? 生成HTML格式且可打印輸出的合格/不合格測試報告，報告中還包含裕量分析結果

鏈路分段測試

一個完整的鏈路分段一致性測試解決方案需要支持電纜測試、連接器測試、通信信道測 試、連接器串擾測試，以及跨越整個通信信道的串擾測試。

高層協議測試

車載以太網不僅僅需要物理層測試。驗證解決方案還需要更高層的測試方法，包括汽車 TCP/IP 協議模型、時間同步（IEEE 802.1AS）、音頻視頻橋接傳輸（802.1Qav）以及預定的流量傳輸（IEEE 802.1Qbv）協議實施。下面的圖 3顯示了完整的車載以太網協議模型。

圖3：車載以太網的完整模型

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結語

自動駕駛和ADAS將會造福社會，但也會給工程師帶來許多新的測試挑戰。目前，汽車對高數據速率、帶寬和數據安全性的需求不斷提高，同時還要求做好更充分的準備應對未來需求，車載以太網為此提供了必要的先進功能，并克服了傳統汽車串行總線在車載電子系統連接和通信方面的缺點。是德科技提供了性能卓越的解決方案，能夠幫助工程師全面測試發射機、鏈路分段、接收機以及更高層的協議功能，最終成功實施車載以太網。

編輯：黃飛

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