一、PHY內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

汽車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)僅僅是物理層有所區(qū)別，其他（比如數(shù)據(jù)鏈路層）完全一樣，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)在汽車?yán)镆粯涌梢怨ぷ鳌?/p>

100BASE-T1在物理層上使用一對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX使用兩對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工，一對(duì)發(fā)送，另一對(duì)用于接收。

基于OSI參考模型下的PHY層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY兩個(gè)子層是PCS層和PMA層，他們集成在同一塊ASIC芯片中。PCS子層接收MII層的數(shù)據(jù)并將其編碼為符號(hào)提供給PMA成處理，同時(shí)它也將從PMA層接收到的信號(hào)解碼成比特流，通過MII成傳遞給高層。PMA是準(zhǔn)備好用于傳輸?shù)奈锢硇盘?hào)，同時(shí)接收信號(hào)向上傳遞，以便PCS可以從中提取編碼信息。

由于技術(shù)上的差異，有些領(lǐng)域可能還會(huì)添加一些其他子層。比如自動(dòng)協(xié)商在消費(fèi)類比較常見，根據(jù)統(tǒng)一信道中的不同節(jié)點(diǎn)的不同通信速率，選擇和建立最佳方式。PMD是在不同傳輸媒介下的情況使用，比如將電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為光模擬信號(hào)。

為了方便理解，先介紹1000BASE-T的結(jié)構(gòu)

下圖是1000BAST-T的 PCS層構(gòu)成，圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的編碼，100BASE-T1采用的是PAM3編碼。

大概簡(jiǎn)單介紹這兩種編碼的差別，PAM5是將傳輸線上分為5個(gè)電壓等級(jí)。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，間隔只有0.5V，因此對(duì)噪聲很敏感，會(huì)增加一些算法來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。PAM3分為3個(gè)電壓等級(jí)，間隔1V。

下圖是1000BAST-T的 PMA層構(gòu)成 。圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是簡(jiǎn)化了一下，100BASE-T1發(fā)送的信號(hào)不會(huì)經(jīng)過部分響應(yīng)脈沖整形器，因?yàn)橹挥幸粚?duì)線，也去除了近端串?dāng)_和去抖動(dòng)模塊。

二、PHY的數(shù)據(jù)編碼過程

100BASE-T1在汽車上通過一對(duì)非屏蔽雙絞線可實(shí)現(xiàn)100Mb/s的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，其物理層（PHY）的主要工作原理是將MAC層傳遞的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部時(shí)鐘轉(zhuǎn)換（4B/3B），數(shù)據(jù)編碼（3B/2T）以及脈沖幅度調(diào)制（PAM3）轉(zhuǎn)換成雙絞線上傳遞的差分信號(hào)，以進(jìn)行各種控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的通信發(fā)送；接收過程反之。

已發(fā)送為例，簡(jiǎn)單介紹下這個(gè)過程：

1、MAC層的數(shù)據(jù)通過MII接口，以25MHz的速率將4bit并行傳遞至PHY層之后先進(jìn)行4Bit到3Bit時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。如這個(gè)圖，將第一組4bit”0000”轉(zhuǎn)換為3bit的“000”。第一組4bit最后一個(gè)0和第二組的4bit的“0101”前2位“01”組成第二個(gè)3bit“001”，以此類推。

2、再進(jìn)行3B/2T編碼，每3bit數(shù)據(jù)（3B）編碼成一對(duì)三進(jìn)制符號(hào)（2T），標(biāo)稱值分別為-1，0和+1。由于3bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對(duì)應(yīng)8個(gè)值，而2個(gè)三進(jìn)制符號(hào)有9個(gè)可能值，這樣就可以通過一對(duì)三進(jìn)制實(shí)現(xiàn)3bit二進(jìn)制編碼值的覆蓋，且有一個(gè)符號(hào)對(duì)沒有使用。

3、完成了3B/2T編碼的一對(duì)三進(jìn)制符號(hào)（2T）后，為了能在雙絞線上傳輸，需要將三進(jìn)制符號(hào)中的-1，0，+1對(duì)應(yīng)成低電平，0或高電平，這種三電平脈沖幅度調(diào)制方式即PAM3

從這個(gè)過程，可以看出這將汽車以太網(wǎng)的信號(hào)帶寬限制在33.3 MHz，大約100BASE-TX帶寬的一半。較低的信號(hào)帶寬可改善回波損耗，降低串?dāng)_，所以可以滿足嚴(yán)格的汽車電磁輻射要求。

下面這兩幅圖是詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送和接收的示意圖。

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送部分

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的接收部分

三、回聲消除技術(shù)

可能有人有些疑問，一對(duì)雙絞線如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收？答案是采用了回音消除技術(shù)。

下圖顯示了Hybird接口電路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用實(shí)例。

可以看出差分信號(hào)A由發(fā)送器輸出，經(jīng)過一個(gè)橋電路，一側(cè)由R1和R3組成，一側(cè)由R2和R4組成。發(fā)送器實(shí)際輸出僅含有經(jīng)過R2的A，接收器接收的信號(hào)B位于R2和R4之間，接收信號(hào)通過R4端接，理論上，接收信號(hào)和發(fā)送信信號(hào)不會(huì)相遇，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行了解耦。

可能這個(gè)看起來(lái)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)于100BASE-T1的任一節(jié)點(diǎn)，在其發(fā)送時(shí)將自己的信號(hào)電壓加入到雙絞線上，而在接收時(shí)從雙絞線的電壓中減去自己的信號(hào)電壓，進(jìn)而可以在一對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)全雙工。

總結(jié)：100BASE-T1物理層的工作原理就是通過4B/3B轉(zhuǎn)換，3B/2T編碼，經(jīng)過PAM3調(diào)制，最終通過一對(duì)雙絞線上的差分信號(hào)以及回音消除實(shí)現(xiàn)100Mbit/s的全雙工通信。

四、PHY參數(shù)的比較

下表簡(jiǎn)單列了一下常見的幾種 PHY參數(shù)的不同差異。其中，一些參數(shù)取決于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有一些取決于實(shí)際設(shè)計(jì)。

5、MII接口特殊的應(yīng)用

關(guān)于MII接口還有特殊的應(yīng)用，比如在APIX2，GSML2也有一些應(yīng)用。

舉幾個(gè)例子：

1、通過APIX2進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，通過該主機(jī)內(nèi)的交換機(jī)連接到車載主干網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)鏈路將車輛信息傳輸?shù)絻x表上。

2、PoDL供電，使用PoE為設(shè)備供電可以進(jìn)一步減少汽車所需的布線重量。

3、低功耗喚醒規(guī)范，OPEN制訂了喚醒規(guī)范，這是一個(gè)相對(duì)容易的最大能效車載應(yīng)用解決方案。最大能效意味著不僅僅是PHY，這個(gè)ECU都進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，只有在需要使用時(shí)才被喚醒。

一、PHY內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

汽車以太網(wǎng)和傳統(tǒng)以太網(wǎng)僅僅是物理層有所區(qū)別，其他（比如數(shù)據(jù)鏈路層）完全一樣，因此傳統(tǒng)以太網(wǎng)在汽車?yán)镆粯涌梢怨ぷ鳌?/p>

100BASE-T1在物理層上使用一對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)全雙工的信息傳輸，而100BASE-TX使用兩對(duì)雙絞線實(shí)現(xiàn)全雙工，一對(duì)發(fā)送，另一對(duì)用于接收。

基于OSI參考模型下的PHY層內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)PHY兩個(gè)子層是PCS層和PMA層，他們集成在同一塊ASIC芯片中。PCS子層接收MII層的數(shù)據(jù)并將其編碼為符號(hào)提供給PMA成處理，同時(shí)它也將從PMA層接收到的信號(hào)解碼成比特流，通過MII成傳遞給高層。PMA是準(zhǔn)備好用于傳輸?shù)奈锢硇盘?hào)，同時(shí)接收信號(hào)向上傳遞，以便PCS可以從中提取編碼信息。

由于技術(shù)上的差異，有些領(lǐng)域可能還會(huì)添加一些其他子層。比如自動(dòng)協(xié)商在消費(fèi)類比較常見，根據(jù)統(tǒng)一信道中的不同節(jié)點(diǎn)的不同通信速率，選擇和建立最佳方式。PMD是在不同傳輸媒介下的情況使用，比如將電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為光模擬信號(hào)。

為了方便理解，先介紹1000BASE-T的結(jié)構(gòu)

下圖是1000BAST-T的 PCS層構(gòu)成，圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。

1000BASE-T采用的是4D-PAM5的編碼，100BASE-T1采用的是PAM3編碼。

大概簡(jiǎn)單介紹這兩種編碼的差別，PAM5是將傳輸線上分為5個(gè)電壓等級(jí)。-1V，-0，5V，0V，+0.5V，+1V，間隔只有0.5V，因此對(duì)噪聲很敏感，會(huì)增加一些算法來(lái)進(jìn)行糾錯(cuò)。PAM3分為3個(gè)電壓等級(jí)，間隔1V。

下圖是1000BAST-T的 PMA層構(gòu)成 。圖中標(biāo)黃的部分是和100BASE-T1不同的地方。和100BASE-T1非常相似，只是簡(jiǎn)化了一下，100BASE-T1發(fā)送的信號(hào)不會(huì)經(jīng)過部分響應(yīng)脈沖整形器，因?yàn)橹挥幸粚?duì)線，也去除了近端串?dāng)_和去抖動(dòng)模塊。

二、PHY的數(shù)據(jù)編碼過程

100BASE-T1在汽車上通過一對(duì)非屏蔽雙絞線可實(shí)現(xiàn)100Mb/s的全雙工數(shù)據(jù)傳輸，其物理層（PHY）的主要工作原理是將MAC層傳遞的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部時(shí)鐘轉(zhuǎn)換（4B/3B），數(shù)據(jù)編碼（3B/2T）以及脈沖幅度調(diào)制（PAM3）轉(zhuǎn)換成雙絞線上傳遞的差分信號(hào)，以進(jìn)行各種控制信號(hào)和數(shù)據(jù)的通信發(fā)送；接收過程反之。

已發(fā)送為例，簡(jiǎn)單介紹下這個(gè)過程：

1、MAC層的數(shù)據(jù)通過MII接口，以25MHz的速率將4bit并行傳遞至PHY層之后先進(jìn)行4Bit到3Bit時(shí)鐘轉(zhuǎn)換。如這個(gè)圖，將第一組4bit”0000”轉(zhuǎn)換為3bit的“000”。第一組4bit最后一個(gè)0和第二組的4bit的“0101”前2位“01”組成第二個(gè)3bit“001”，以此類推。

2、再進(jìn)行3B/2T編碼，每3bit數(shù)據(jù)（3B）編碼成一對(duì)三進(jìn)制符號(hào)（2T），標(biāo)稱值分別為-1，0和+1。由于3bit二進(jìn)制數(shù)據(jù)可以對(duì)應(yīng)8個(gè)值，而2個(gè)三進(jìn)制符號(hào)有9個(gè)可能值，這樣就可以通過一對(duì)三進(jìn)制實(shí)現(xiàn)3bit二進(jìn)制編碼值的覆蓋，且有一個(gè)符號(hào)對(duì)沒有使用。

3、完成了3B/2T編碼的一對(duì)三進(jìn)制符號(hào)（2T）后，為了能在雙絞線上傳輸，需要將三進(jìn)制符號(hào)中的-1，0，+1對(duì)應(yīng)成低電平，0或高電平，這種三電平脈沖幅度調(diào)制方式即PAM3

從這個(gè)過程，可以看出這將汽車以太網(wǎng)的信號(hào)帶寬限制在33.3 MHz，大約100BASE-TX帶寬的一半。較低的信號(hào)帶寬可改善回波損耗，降低串?dāng)_，所以可以滿足嚴(yán)格的汽車電磁輻射要求。

下面這兩幅圖是詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送和接收的示意圖。

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的發(fā)送部分

詳細(xì)的100BASE-T1 PCS子層的接收部分

三、回聲消除技術(shù)

可能有人有些疑問，一對(duì)雙絞線如何同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收？答案是采用了回音消除技術(shù)。

下圖顯示了Hybird接口電路在1000BASE-T和100BASE-T1的使用實(shí)例。

可以看出差分信號(hào)A由發(fā)送器輸出，經(jīng)過一個(gè)橋電路，一側(cè)由R1和R3組成，一側(cè)由R2和R4組成。發(fā)送器實(shí)際輸出僅含有經(jīng)過R2的A，接收器接收的信號(hào)B位于R2和R4之間，接收信號(hào)通過R4端接，理論上，接收信號(hào)和發(fā)送信信號(hào)不會(huì)相遇，發(fā)送信號(hào)和接收信號(hào)進(jìn)行了解耦。

可能這個(gè)看起來(lái)比較復(fù)雜，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是對(duì)于100BASE-T1的任一節(jié)點(diǎn)，在其發(fā)送時(shí)將自己的信號(hào)電壓加入到雙絞線上，而在接收時(shí)從雙絞線的電壓中減去自己的信號(hào)電壓，進(jìn)而可以在一對(duì)雙絞線上實(shí)現(xiàn)全雙工。

總結(jié)：100BASE-T1物理層的工作原理就是通過4B/3B轉(zhuǎn)換，3B/2T編碼，經(jīng)過PAM3調(diào)制，最終通過一對(duì)雙絞線上的差分信號(hào)以及回音消除實(shí)現(xiàn)100Mbit/s的全雙工通信。

四、PHY參數(shù)的比較

下表簡(jiǎn)單列了一下常見的幾種 PHY參數(shù)的不同差異。其中，一些參數(shù)取決于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，有一些取決于實(shí)際設(shè)計(jì)。

5、MII接口特殊的應(yīng)用

關(guān)于MII接口還有特殊的應(yīng)用，比如在APIX2，GSML2也有一些應(yīng)用。

舉幾個(gè)例子：

1、通過APIX2進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，通過該主機(jī)內(nèi)的交換機(jī)連接到車載主干網(wǎng)絡(luò)。通過以太網(wǎng)鏈路將車輛信息傳輸?shù)絻x表上。

2、PoDL供電，使用PoE為設(shè)備供電可以進(jìn)一步減少汽車所需的布線重量。

3、低功耗喚醒規(guī)范，OPEN制訂了喚醒規(guī)范，這是一個(gè)相對(duì)容易的最大能效車載應(yīng)用解決方案。最大能效意味著不僅僅是PHY，這個(gè)ECU都進(jìn)入了睡眠狀態(tài)，只有在需要使用時(shí)才被喚醒。

審核編輯：郭婷