车载以太网信号传输及数据通道方案

车载网络发展到今天，已有诸如CAN （FD），LIN，FlexRay，MOST等成熟的PHY层协议，也有基于LVDS／USB技术被广泛应用的链路传输型式。但是，随着时间的迁移，相关的协议和技术已逐渐不能满足当前的传输需求。基于种种情况和现状，汽车工程师们也在思考，是否可以引入一种广泛用于各领域的协议，这种协议支持较高的速率传输，又对于链路连接形式有归一性，使整车链接种类降低，成本降低，同时能将汽车轻松简便扁平化地连接世界。最终，于20世纪70年代诞生的以太网以其各种相适应的特性而入选。

01    汽车以太网的发展

汽车以太网相关的组织，首当其冲的是IEEE802.3，该工作小组几乎是伴随着以太网一同诞生的，是以太网研究性指导标准的主要发布机构。

对于汽车以太网，IEEE802.3又细分为不同的小组：①百兆汽车以太网 （100BASE-T1） ———IEEE802.3bw；②千兆汽车以太网 （1000BASE-T1） ———IEEE802.3bp；③多G汽车以太网 （Multi-Gig Automotive Ethernet） ———IEEE802.3ch。

近年提出的十兆汽车以太网 （10BASE-T1S） ———IEEE802.3cg，是作为代替CAN （FD） 和LIN的一个选择。

汽车以太网应用的产业推动联盟是2011年11月在OPENSIG基础上发展而来的OPEN联盟。OPEN联盟现已有将近400个成员单位，它主要发布众多关于汽车以太网的实际应用标准。其中百兆汽车以太网完整方案OABR （BroadR-Reach）最早发布，芯片也已完全量产。

因为以太网的实时响应性相较于CAN （FD），LIN等网络来说较差（即便具备QoS机制），所以IEEE还成立了关于提高汽车以太网实时响应性的工作小组，最初归属于IEEE802.3后转至IEEE802.1，发展阶段如图1所示。

图1 汽车以太网发展阶段

02   汽车以太网数据通道研究

想要将以太网合理运用到车载网络中，需要考虑许多因素。OPEN联盟对于物理层的传输提出了一系列相关的标准，从适用于百兆汽车以太网的TC2 1.0正式版到适用于千兆汽车以太网的TC9 （UTP非屏蔽绞线对） 2.0正式版，以及在2019年7月已正式发布的TC9 （STP屏蔽绞线对） 版本。TC9相较于TC2的要求更为严苛。如图2所示。

图2 TC2和TC9

针对信号传输 （SCC———Standalone Communication Channel）本身，以下重要参数需要关注。

2.1 特性阻抗（CIDM）

特性阻抗不是直流电阻，存在于长线传输中。特性阻抗的稳定与否决定了传输效果的好坏，如果传输路径上的特性阻抗发生变化，信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。

在差分系统中，特性阻抗可以通过以下公式计算：

从公式中可以看出，影响线缆或其他组件特性阻抗的因素包含：①s：差分对之间的距离；②d：差分对的外径；③εr：整体介电常数。汽车以太网PHY层链路的特性阻抗是100Ω。

2.2 传输延迟（Propagation Delay）

传输延迟是指相位延迟，即差分系统中两差分路径由于不等长造成的信号延迟现象。是系统集成时进行补偿设置的重要判断参数。

2.3 回波损耗（Return Loss）

回波损耗（S11） 又称为反射损耗，是链路由于阻抗不匹配所产生的反射，通常用-dB单位表示。如图3所示，连接器内部由于有不规则的锁止结构，使得阻抗不匹配造成的反射更易发生在此处（图示红色部分），回波损耗是评价连接器的重要参数。回波损耗的绝对值越大，信号传输效果越好。

图3 阻抗不匹配造成的反射更易发生在红色块部分

2.4 插入损耗（Insertion Loss）

插入损耗（S21） 是指发射端和接收端之间，引入其他器件导致的信号衰减量，通常用dB表示。如图4所示，发射端和接收端的主要引入器件是线缆（整个链接中更长），因此插入损耗主要发生在整个线缆之间（红色部分），由长度和线缆自身材料特性影响，是评价线缆的重要参数。插入损耗的绝对值越小，信号传输效果越好。

图4 插入损耗主要发生在整个线缆之间（红色）

2.5 纵向转换损耗（LCL）

纵向转换损耗（Sdc11） 指通讯线缆发射端或接收端的差模信号与共模信号的转换能力（图5），用来衡量连接系统平衡性的好坏，通常用dB表示。纵向转换损耗的绝对值越大，连接器的平衡性越好，抑制差模与共模转换的能力越强。

图5 纵向转换损耗

2.6 纵向转换传输损耗（LCTL）

纵向转换传输损耗（Sdc21） 指通讯线缆发射端与接收端之间的差模信号与共模信号的转换能力，用来衡量连接系统平衡性的好坏，通常用dB表示。纵向转换传输损耗的绝对值越大，线缆的平衡性越好，抑制差模与共模转换的能力越强。

影响平衡性的主要因素：差分系统两路径的等长程度；路径距离参考平面的等距程度。等长或等距的程度越高，则平衡性越好，平衡越稳定。这些参数极大影响了以太网传输的性能。

针对EMC性能（WCC--Whole Communication Channel，包含ES），TC9则给出了诸多不同种类串扰的约束值和测试设置方法。

03    数据通道方案

罗森伯格为汽车以太网所提供的连接方案，综合考虑了电性能（如射频传输、EMC、电接触等）、机械性能（如拉拔力、coding效率、对配解锁力、耐磨性等） 和生产组装（压接技术、自动装配等） 的要求；所使用的双绞线主要供应商是Gebauer&Griller和Leoni，他们为整个连接总成提供了良好的保障。

罗森伯格针对汽车以太网开发了两款数据连接器，分别为非屏蔽形式的MTD R连接器和屏蔽形式的H-MTD连接器（图6），两者都同时支持百兆汽车以太网和千兆汽车以太网。H-MTD甚至预计支持汽车行业所有基于差分结构的传输协议。

图6 MTD连接器和H-MTD连接器

MTD R连接器适配非屏蔽双绞线（UTP），传输频率最高1GHz；H-MTD连接器同时支持非屏蔽双绞线（UTP）、屏蔽双绞线（STP） 和屏蔽平行线（SPP），设计传输频率最高可达15GHz。MTD R连接器是目前市场上最小的汽车以太网专用连接器，PCB连接器优化的接触pin保证了高平衡低串扰的良好EMC性能。对于MTD R非屏蔽的先天要求，罗森伯格通过运用蜂窝状的间置结构，最大程度实现了最小的近端串扰。同时，多孔MTD R连接器每个孔位都对应了不同的coding，确保机械防错和颜色防错功能的同步实现。

在线束端，典型的传统连接器连接方式如图7所示。受绞合的影响，压接端子后的绞合线缆，很难完成分别插入端子至塑壳中这个操作过程；即便2个平行端子克服困难插入塑壳中，端子也会因为尾端的绞合线缆，始终对塑壳有向外拖拽的应力。基于以上两点，大多数主机厂都会要求绞合线缆在端子末端放开一段长度不绞。这段不受控制的非绞合线缆对于汽车以太网的应用来说是致命的。汽车行进过程中的震动，致使这段非绞合线缆一同震动，由于两个线缆之间的距离不断变动（上文提到过影响特性阻抗的其中一个因素就是差分对之间的距离），导致特性阻抗不断变化，极易发生超标准的情形，也就极易造成较大的信号反射。

图7 典型的传统连接器连接方式

罗森伯格深谙这一点，因此在设计过程中，未绞合的过度位置被设计得很短并被固定包裹在连接器子壳体中，线缆绝缘外皮被紧固在护套中，且缩短包裹尺寸并对端子前端有轻微缓冲。如图8所示。

图8 罗森伯格设计的连接器连接方式

H-MTD连接器（图9） 是360°全屏蔽系统，增加了集成类型，支持的线缆类型更多，适用汽车以太网需求及未来需要的更高传输速率，已成为新的世界多应用连接器标准。现有全球认可的主机厂见图10。

图9 H-MTD连接器

04   结   语

随着车载数字化应用的再发展和多G以太网研究的深入，适用于更高频率的车载硬件需要尽早提上日程，对于不同频率，H-MTD连接器已适配不同型式、不同工作频率的供应商线缆。而汽车以太网自身也将向着是继续提高PAM等级以及提高现有带宽两个方向讨论发展。一味地提高PAM会造成传输链路更加脆弱，但提高带宽依靠的是硬件的提升，也会催生出所有未做长远打算的厂商未来不得不面临的问题--新的选型设计、新的成本考量。

编辑：黄飞