新型汽车通信技术以太网100BASE-T1

今天我们将介绍近几年逐渐流行的新型汽车通信技术以太网（Ethernet）中的一种100BASE-T1。

 

100BASE-T1在汽车上通过一对非屏蔽双绞线可实现100Mb/s的全双工数据传输，其物理层（PHY）的主要工作原理是将MAC层传递的数据，通过内部时钟转换（4B/3B），数据编码（3B/2T）以及脉冲幅度调制（PAM3）转换成双绞线上传递的差分信号，以进行各种控制信号和数据的通信发送；接收过程反之。小编将以数据发送为例进行介绍。

 

4B→3B时钟转换

MAC层的数据通过MII接口，以25MHz的速率将4bit并行传递至PHY层。注意事项，本文中所介绍的100BASE-T1的100是指MII传递的4bit*25MHz=100M bit/s，而不是线缆上的波特率100MHz。在接收数据后，PHY层首先进行4B/3B转换。这里需要注意一点，这种转换不是分块编码，仅是一种时钟转换，25MHz传输的4bit数据块（4B）转换成时钟频率为33.33MHz的3bit数据块（3B）。参照下图，4B/3B转换的过程并未进行任何编码过程，只是在数据划分上，按顺序将4bit一组转换成3bit一组，其主要目的是更改数据传输的速率。

 

示例：

如下图，第一组4bit数据“0000”进行3B转换后成为3bit的“000”，而第一组4bit的最后一个“0”与第二组4bit的“0101”的前两位“01”组合成为3bit的“001”，以此类推。

3B→2T编码

在经过4B/3B转换与PHY内部处理之后，将要进行的是3B/2T编码。每3bit数据（3B）编码成一对三进制符号（2T），标称值分别为-1，0和+1。由于3bit二进制数据可以对应8个值（23=8），而2个三进制符号有9个可能值（32=9），这样就可以通过一对三进制实现3bit二进制编码值的覆盖，且有一个符号对未使用。

 

示例：

下图及下表罗列了802.3bw中规定的数据符号（data symbols）编码，比如第一组3bit符号是“000”，经过3B/2T编码后变成一对三进制（-1,-1）符号。下图中未使用的一对三进制组合（0,0）用于控制目的，比如数据开始（SSD）和数据结束（ESD）的传输。

数据值	TA	TB
000	-1	-1
001	-1	0
010	-1	+1
011	0	-1
100	0	+1
101	+1	-1
110	+1	0
111	+1	+1

 

2T→PAM3

PART/03完成了3B/2T编码的一对三进制符号（2T）后，为了能在双绞线上传输，需要将2T中的-1，0，+1对应成低电平，0或高电平，这种三电平脉冲幅度调制方式即PAM3。前文中，注意事项所提及的线缆上传输的波特率不是100MHz，实际传输的波特率是66.67MHz，在物理层测试时就是测试这个时钟频率。

 

示例：

下图中2T中的-1对应双绞线上传输的低电平-1V，0对应0V，+1对应高电平+1V。

 

回音消除实现全双工

通过PAM3调制之后，-1V,0V,+1V在双绞线上通过差分传输来实现。即100BASE-T1点对点连接的信号接收端将双绞线上接收的电压进行差值（用一根信号线上的电压减去另一个信号线上的电压）来判断发送端的逻辑状态。

 

这里有些小伙伴可能存在疑问：一对双绞线如何同时实现发送和接收？答案正是回音消除！对于100BASE-T1的任一节点，在其发送时将自己的PAM3电压加入到双绞线上，而在接收时从双绞线的电压中减去自己的PAM3电压，进而可以在一对双绞线上实现全双工。这样可以不用两对或更多对双绞线，减少线束的数量，降低重量，降低成本。这里我们是用电压差值来简化描述，便于大家理解。实际上，回音消除不仅限于此文的介绍内容，也不是简单的电压减法就可以完全实现的。有兴趣的小伙伴可以深入学习研究下。

 

以下是小编在编写本文时，get 到的2个100BASE-T1应用与测试的知识点：

①    全双工模式通信（即双向通信）时，示波器上无法读取有效的波形；单向通信时，通过示波器并配备专业的协议解析模块，是可以读取有效数据的。

②    以太网的电信号是交流信号，因此不像CAN总线有终端电阻的概念，而是通过电阻电感电容等组合出来的，阻值是100Ω的差分阻抗，因此这个100Ω无法直接通过万用表进行测量。

 

总结一下，100BASE-T1物理层的工作原理就是通过4B/3B转换，3B/2T编码，PAM3调制，最终通过一对双绞线上的差分信号以及回音消除实现100Mb/s的全双工通信。