啟動自動駕駛的未來：車用乙太網路相容性測試(Automotive Ethernet)

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，汽車對高資料速率、頻寬和資料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，車載乙太網為此提供了必要的先進功能，並克服了傳統汽車串列匯流排在車載電子系統連接和通信方面的缺點。本文將跟您分享車用乙太網的演進過程與測試挑戰，並提供發射器相容性測試及協議觸發和解碼、接收器、連接段測試相關解決方案，加速實施車用乙太網，打造前所未有的移動性。

 

本文包含以下部分，可點選快速連結（附1000BASE-T1解碼測試影片/車用乙太網發射器相容性測試解析影片）

◆ 什麼是車用乙太網（Automotive Ethernet）?為何現代汽車需要車用乙太網?
◆ 這樣的轉變會帶來什麼影響？
◆ 車用乙太網的挑戰：如何處理高速資料匯流排？
◆ 發射器相容性測試及協議觸發和解碼/接收機測試/連接段測試/高層協議測試
◆ 實際DEMO影片: 車用乙太網路1000BASE-T1協定解碼
◆ 實際解析影片：使用示波器進行車用乙太網發射器的相容性測試

 

什麼是車用乙太網（Automotive Ethernet）?

車用乙太網（Automotive Ethernet）是一種專門用於汽車內部的乙太網絡，它支持高速數據傳輸和低延遲，旨在實現車載系統中的數字化和智能化。車用乙太網絡能夠支持多種應用，包括車載娛樂系統、行駛輔助系統、自駕車等，可以實現車載系統中的數據交換、傳輸和處理。與傳統的車載網絡相比，車用乙太網絡具有更高的帶寬、更低的延遲和更高的穩定性，因此被廣泛應用於現代汽車中。

為何現代汽車需要車用乙太網?

推動汽車行業創新的主要動力可分成三大類：增強安全性、保護環境，以及通過互連提高便利性。為了實現這些目標，汽車製造商、汽車供應商、政府、學術界甚至傳統汽車行業之外的企業（如無線晶片製造商、行動裝置製造商和無線服務提供者）都紛紛參與進來，全力開發先進駕駛輔助系統（ADAS）、互聯汽車技術乃至最終的目標 — 自動駕駛汽車。

ADAS和自動駕駛汽車需要高頻寬和低延遲的網路，以連接所有傳感器、攝影機、診斷工具、通訊系統和中央人工智能，這些技術將產生、發送、接收、存儲和處理大量數據。現今大部分汽車使用CAN或LIN網路連接，但隨著數據傳輸速度和數據量的增加，這些總線因頻寬較低、體積較大而不太適用於背板。在現代互聯汽車中，CAN/LIN匯流排仍然會有一席之地，但隨著自動駕駛汽車產業開始廣泛部署先進駕駛輔助系統，CAN、LIN 和 MOST 等這類舊型匯流排已無法提供處理下一代汽車資料負載所需的速度或頻寬，新興的車用乙太網路解決方案則可提供 100 Mbps 或 1,000 Mbps 的頻寬。

在早期階段，乙太網從 DLC 診斷埠到閘道只有一條 100Base-T1 1TPCE 鏈路，所以它只用於診斷和固化軟體更新。下圖顯示了車用乙太網作為新骨幹（使用更快速的十億位元乙太網 1000Base-T1 RTPGE 鏈路）的角色演變。

 
車用乙太網跟之前的CAN 和 LIN 技術有什麼不同？下圖對車用乙太網與之前的 CAN 和 LIN 技術進行了比較！

圖: 車用乙太網與匯流排比較
 

這樣的轉變會帶來什麼影響？

◆ 更多的測試

100 Mbps 和 1 Mbps (CANFD 為 8 Mbps) 這兩種技術之間的頻寬相比，就好像3,000美元的100 MHz 示波器+1,000 美元的軟體與 18,000 美元的 1 GHz 示波器 +5,000美元的軟體相比。更大的投資，也許需要採用共用儀器。

◆ 速度更快的測試設備

與 CAN/LIN匯流排不同，車用乙太網需要進行一致性測試。IEEE 和 OPEN Alliance 針對100 Mbps 和1000 Mbps車用乙太網制定了實體層標準，並負責維護該標準。

◆ 速度持續提升 

車用乙太網標準的另一個優勢是可以隨著市場和技術的發展而成長，達到 2.5 Gbps、5 Gbps 甚至更高速率，OPEN聯盟現在正在定義這些標準。車用乙太網有足夠的頻寬和資料速率能夠滿足自動駕駛汽車的需求，將會成為未來汽車的核心。

車用乙太網的挑戰：如何處理高速資料匯流排？

車用乙太網工程師需要處理常見的高頻電路板設計問題，包括信號雜訊、信號品質、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，車用乙太網還需要對包含發射器、接收器和線束/連接器組件的測試案例，進行嚴格的相符性驗證。其中許多測試過於困難且耗時， 無法以手動方式執行。
 
下圖描述了三個物理層合規性的測試點：

- 發射器相容性測試及協議觸發和解碼
- 接收器
- 連接段測試，包括線束/連接器組件

圖：車用乙太網物理層的測試點
 

1. 發射器相容性測試及協議觸發和解碼

◆ 發射器相容性測試

收發測試與其他高速數位標準的物理層表徵解決方案相似。選擇一個提供協定觸發與解碼軟體套件的測試解決方案至關重要，這樣可以查看數據流量和協定層動態，從而節省早期設計的調適時間。所有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於他們的核心任務和期限。
 
發射器相容性測試除了使用示波器作為主要的測試工具之外，還需要一些額外的儀器，例如失真、MDI反射損耗、MDI模式轉換損耗和功率譜密度（PSD）測試，下表列出差異並提供設備建議。所有測試都需要示波器，其中MDI反射損耗測試和MDI模式轉換損耗測試還需要網絡分析儀。在進行100 Mbps和1 Gbps測試的發射端失真測試時，需要任意波形產生器或訊號產生器，詳細配置歡迎留言洽詢或右下角私訊小編。

Data rate	Oscilloscope minimum bandwidth	Additional equipment required
10BASE-T1S	EXR054A, EXR058A / 500 MHz	No need
100BASE-T1	EXR104A, EXR108A / 1 GHz	1 MHz - 66 MHz VNA(P9382B) AWG(33512B, 33522B)
1000BASE-T1	EXR204A, EXR208A / 2 GHz	2 MHz - 600 MHz VNA AWG(33622A)
2.5GBASE-T1	EXR404A, EXR408A / 4 GHz	1 MHz ~ 1 GHz VNA(P9382B)
5GBASE-T1	EXR604A, EXR608A / 6 GHz	1 MHz ~ 2 GHz VNA(P9382B)
10GBASE-T1	13 GHz	1 MHz ~ 4 GHz VNA(P9382B)

 

立刻查看實完整解析影片  使用示波器進行車用乙太網發射器的相容性測試完整解析影片

▲ 協議觸發和解碼推薦的示波器頻寬與通道數

 

實際DEMO影片：車用乙太網路1000BASE-T1協定解碼

但請注意：100 與 1000BASE-T1 協定可使用一對差動纜線建立全雙工連接，以進行資料傳輸。 如果您的信號在這對纜線上，同時沿著相反方向傳輸，則無法將此信號解碼。如欲分離信號，可使用車用乙太網路測試夾具，詳情請右下角私訊小編洽詢。

圖: AE6941A車用乙太網測試治具和設置

◆ 接收機測試

功能強大的 100Base-T1 接收機（RX）一致性測試應用軟體應能自動配置所有必需的測試設備，簡化並加快整個測試過程。該軟體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 格式且可列印輸出的合格/不合格測試報告，報告中還包含裕量分析結果 

◆ 連接段測試

與CAN、LIN或MOST等其他匯流排技術不同，車用乙太網需要嚴格的合規驗證。這些要求包括複雜的測量：量測和監控所有捆綁在車用乙太網中的電纜之間的串擾、插入損耗和模式轉換的向量網路分析。系統中的任何通道或連接都可能成為失效點，必須經過徹底的測試。因此，一個完整的連接段一致性測試解決方案需要支援電纜測試、連接器測試、通訊通道測試、連接器串擾測試，以及跨越整個通信通道的串擾測試。
連接器類型並未標準化，並且將根據每個連接器供應商而定。使用Keysight向量網路分析儀P9382B搭配 AE6900L通道相容性解決方案，可大大簡化100M、1000M和2.5 / 5 / 10GBASE-T1的車用乙太網配線和連接器相容性測試，詳情請右下角私訊小編洽詢。

◆ 高層協議測試

車載乙太網不僅僅需要實體層測試。驗證解決方案還需要更高層的測試方法，包括汽車 TCP/IP 協定模型、時間同步（IEEE 802.1AS）、音訊視頻橋接傳輸（802.1Qav）以及預定的流量傳輸（IEEE 802.1Qbv）協議實施。下圖顯示了完整的車用乙太網協定模型。

圖: 車用乙太網協定模型

CP值最高！可應用於電力工程、馬達設計、匯流排和高速介面相容性測試的EXR系列示波器！

EXR系列示波器作為一款多通道的7合1產品，在2023年度全新升級，添加4GHz及6GHz機型！除了提供功能強大的測試軟體外，還有電源紋波、雜訊測試以及PMIC上電時序測試能力。搭配電源量測軟體套件，可在 EXR 系列示波器上執行各種自動化電源供應器量測，包括執行控制迴路響應和 電源拒斥比 (PSRR) 量測所需的獨特頻率響應分析。輕鬆完成三相交流電機的電壓、電流、功率品質、電流諧波等電源分析。

- 針對常見的中低速率等級的標準和介面，提供強大的協定解碼及觸發軟體，如嵌入式 USB 2.0、10/100 Mb/s Ethernet、USB-PD、高速汽車 100BASE-T1 汽車 Ethernet等，以及越來越常用的抖動和眼圖測試。
- 針對電源相關類測試，除了開關電源和功率半導體參數測量，還有業界呼聲最高的電源紋波和雜訊測試能力以及PMIC上電時序測量。
- 相容性測試作為即時示波器的最廣泛的用途，是很多產品出貨前認證測試的必經項目。在執行並通過業界標準的測試方法後，即可貼上標準Logo，不僅是產品品質的保證，也是在市場的通行證。 EXR系列多通道示波器，頻寬涵蓋500MHz~6GHz，提供業界當前主流的所有中等訊號速率標準的一致性測試，包括(但不限於)：

匯流排標準	推薦頻寬	示波器	搭配選配
USB 2.0	2 GHz	EXR204A	D9010USBC
10/100/1000 Base-T	1 GHz	EXR104A	D9010ETHC
10G/MG/NG Base-T	4 GHz	EXR404A	D9010EBZC
Automotive Ethernet	1 GHz	EXR104A	AE6910T
DDR2/LPDDR2	4 GHz	EXR404A	D9020DDRC
DDR3/LPDDR3, up to 1866M T/s	6 GHz	EXR604A	D9030DDRC
MIPI D-PHY, up to 2.5 Gbps	6 GHz	EXR604A	D9010DPHC
MIPI C-PHY, up to 2.5Gbps	6 GHz	EXR604A	D9010CPHz

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