Einführung

Automotive Ethernet ermöglicht eine schnellere Datenkommunikation, um die Anforderungen heutiger und vernetzter Fahrzeuge der Zukunft zu erfüllen. Der Begriff „Automobil-Ethernet“ kann verwendet werden, um sich auf jedes Ethernet-basierte Netzwerk für elektrische Systeme in Fahrzeugen zu beziehen. Es umfasst 100Base-T1 sowie mehrere andere Varianten und Geschwindigkeiten von Automotive Ethernet (z. B. 10Base-T1, 1000Base-T1). 100Base-T1 ist 100 Mb/s Automotive Ethernet, wie von IEEE in seiner 802.3bp-Spezifikation definiert. Eine Variante von Automotive Ethernet, bekannt als BroadR-Reach, wurde von BroadCom definiert. Die BroadR-Reach V3.2-Spezifikation ist nahezu identisch mit der 100Base-T1-Spezifikation, und der Markt wird beide synonym bezeichnen.

Die Vorteile

100Base-T1 bietet eine höhere Bandbreite als die meisten vorherrschenden seriellen Datenstandards für Automobile. Da es sich auf ein einzelnes, ungeschirmtes Twisted-Pair-Kabel stützt, bietet es auch ein kostengünstiges Verkabelungsschema. Das Kabelgewicht ist etwa 30 % geringer als bei abgeschirmten Kabeln, mit Einsparungen bei den Verbindungskosten von etwa 80 %.

100Base-T1 erfüllt auch die strengen EMV- und EMI-Anforderungen sowie die Temperaturanforderungen des Automobilanwendungsbereichs.

Ein letzter Vorteil besteht darin, dass alle Softwareschnittstellen für die oberen Schichten des Ethernet-Stacks genau die gleichen sind wie für Standard-Ethernet. Wenn Sie in der Vergangenheit schon einmal mit Ethernet gearbeitet haben, kennen Sie wahrscheinlich bereits alle Software- und Testtools.

Die Herausforderungen

Die ungeschirmten Kabel sind anfällig für Störgeräusche. Die von Natur aus verrauschte Auto-Umgebung erfordert eine Verbindungsaushandlung zwischen Master und Slave, um zu bestätigen, dass eine fehlerfreie Verbindung vorhanden ist, aber aufgrund der bidirektionalen Natur der Verbindung kann es schwierig sein, jede Seite der Verbindung zu entschlüsseln, um zu bestimmen, wo Probleme auftreten.

Funktionsweise von 100Base-T1

Physikalische Topologie

100Base-T1 verwendet eine Punkt-zu-Punkt-Topologie, die zwei Knoten direkt verbindet. Das „-T1“ bedeutet, dass das Signal über ein verdrilltes Kabelpaar übertragen wird – in diesem Fall ungeschirmte Kabel. Im Gegensatz zu „normalem Ethernet“ (100Base-Tx) ist 100Base-T1 ein Vollduplex-Signal, sodass dieselbe verdrillte Doppelleitung ein bidirektionales Signal von einem Master und Slave überträgt. Würde man dieses Signal nur mit einem Oszilloskop beobachten, wäre es nicht möglich zu unterscheiden, welches Signal vom Master und welches vom Slave kommt, da Signale aus beiden Richtungen gleichzeitig übertragen werden. Ein Richtkoppler kann dieses Problem lösen (z. B. TF-AUTO-ENET). Der andere Ansatz wäre, den Verkehr von einem DUT unabhängig vom anderen zu decodieren (dh nur Master oder Slave), aber dies ist nicht annähernd so nützlich wie die Möglichkeit, die vollständige Verbindung zu beobachten.

100Base-T1-Topologie.

Signaling

100Base-T1 verwendet PAM3-Signalisierung. Die Pulsamplitudenmodulation oder PAM verwendet die Amplitude des Signals, um die Nachrichteninformationen zu codieren. PAM3 verwendet, wie der Name schon sagt, drei verschiedene Ebenen. Der Empfänger legt einen hohen und einen niedrigen Schwellenwert fest, um die Pegel zu bestimmen. Jedes Sample über dem hohen Pegel ist eine +1, unter dem niedrigen Pegel ist eine -1 und zwischen den beiden Pegeln ist eine 0.

Eine Signalisierung mit drei diskreten Werten wird als ternäres Signal oder im Fall von Automotive Ethernet als ternäres Symbol bezeichnet. Bei 100Base-T1 werden zwei ternäre Symbole zu einer Codegruppe zusammengefasst. Wenn eine Codegruppe Daten darstellt, stellt sie 3 Datenbits dar. Die 100Base-T1-Spezifikation definiert, wie diese Codegruppen auf die 3 Bits abgebildet werden.

PAM3 verwendet hohe und niedrige Schwellenwerte, um einem Signal eines von drei ternären Symbolen zuzuweisen.
In 100Base-T1 werden diese ternären Symbole zu Codegruppen kombiniert, die 3 Datenbits darstellen.

Verbindungsstart/Handshaking

Beim Einschalten initiieren der Master und der Slave einen Handshaking-Prozess, um die Verbindung herzustellen, der als Link-Startup- oder Link-Training-Prozess bezeichnet wird. Der Verbindungsstart verwendet drei verschiedene Signale:

  • SEND_Z, das ist die Übertragung aller Nullen, genannt Null-Codes
  • SEND_I, das ist die Übertragung von PAM3-Leersignalen
  • SEND_N, das ist die Übertragung von PAM3-Daten oder Leerlaufsignalen

Der Handshake zwischen Master und Slave verläuft über diese drei verschiedenen Signale.

Der Verbindungsaufbau beginnt damit, dass der Master PAM3-Leerlaufsignale sendet, wenn er von SEND_Z auf SEND_I übergeht. Während dieser Zeit sendet der Slave weiterhin SEND_Z. Dadurch kann der Master seinen Echokompensator trainieren, während sich der Slave auf die Uhr des Masters synchronisiert, seinen Scrambler sperrt und seine Signalkonditionierung anpasst.

Start der 100Base-T1-Verbindung, wobei Master (gelb, rosa) und Slave (blau, grün) von SEND_Z auf SEND_I und SEND_N umschalten.

Als nächstes schaltet der Slave von SEND_Z auf SEND_I um, während der Master in SEND_I bleibt. Dadurch kann der Slave seinen Echokompensator trainieren, während der Master seinen Scrambler sperrt und seine Signalkonditionierung anpasst. Der Master und der Slave senden weiterhin Idle-Symbole (SEND_I), während sie das Timing, den Equalizer und den Scrambler verfeinern.

Der letzte Schritt besteht darin, dass der Master und der Slave bestätigen, dass der Verbindungsstart erfolgreich war, indem sie scr_status, loc_rvcr_status und rem_rcvr_status setzen. Wenn diese Zustände alle validiert sind, schalten sowohl Master als auch Slave auf SEND_N. Wenn einer der Status negativ (fehlgeschlagen) ist, wird der Verbindungsstart neu gestartet.

Abschluss des Verbindungsstarts, der den Austausch von Scrambler-Statusmeldungen zeigt.

100Base-T1-Rahmenstruktur

Der 100Base-T1-Frame ähnelt dem herkömmlichen Ethernet-Frame, weist jedoch einige wesentliche Unterschiede auf, um die Punkt-zu-Punkt-Topologie zu unterstützen. Ein einzigartiger Aspekt des 100Base-T1-Datenrahmens besteht darin, dass er durch einen Start-of-Stream-Delimiter (SSD) und einen End-of-Stream-Delimiter (ESD) gekennzeichnet ist.

Die SSD bezeichnet den Beginn des Frames. Sie wird immer durch die Codegruppen 00, 00, 00 repräsentiert. Die Codegruppe 00 ist speziell für SSD und ESD reserviert und wird sonst nirgendwo im Daten- oder Idle-Mode verwendet.

Auf die SSD folgt die Präambel, die bei 100Base-T1 durch das Einfügen der SSD verkürzt wird. Obwohl die Präambel enthalten ist, erfüllt sie keine Funktion wie im herkömmlichen Ethernet-Paket. Normalerweise bietet die Präambel im Ethernet einen Mechanismus zur Synchronisation am Anfang des Frames, der für große Netzwerke mit einer Busverbindung nützlich ist, damit Geräte ihre Empfängeruhren einfach synchronisieren können. Bei 100Base-T1 ist es nur aus Gründen der Abwärtskompatibilität vorhanden, wird aber wegen der durchgängigen Verbindung der Punkt-zu-Punkt-Topologie nicht benötigt.

Auf die Präambel folgt der Start-of-Frame Delimiter oder SFD, der das Ende der Präambel und den Beginn des herkömmlichen Ethernet-Frames kennzeichnet.

Wie bei allem Ethernet beginnt der eigentliche Rahmen mit dem Header, einschließlich der MAC-Adressen des Ziels (Dest-Address) und der Quelle (Src-Adres), die für 100Base-T1 aufgrund seiner Punkt-zu-Punkt-Topologie nicht so kritisch sind. Der Header enthält auch das Feld EtherType (Type_Len), das Anweisungen zur Interpretation der bevorstehenden Datennutzlast enthält.

Als nächstes kommen die DATEN.

Auf die Datennutzlast folgt eine Frame Check Sequence (FCS), bei der es sich um einen 32-Bit-CRC handelt, der verwendet wird, um jegliche Beschädigung von Daten zu erkennen.

Der 100Base-T1-Frame endet mit der ESD, die im herkömmlichen Ethernet-Frame nicht vorhanden ist. Die ESD kann auf zwei verschiedene Arten übertragen werden, je nachdem, ob die MII angezeigt hat, dass während des Datenrahmens ein tx_error aufgetreten ist. Eine fehlerfreie ESD wird durch die Codegruppe 00, 00, 11 dargestellt, während ein Frame mit einem Fehler mit 00, 00, -1-1 endet. Wie bei der SSD sind diese spezifischen Sequenzen für diesen Zweck reserviert und Sie werden sie nirgendwo anders finden.

Nach dem ESD werden wieder Idle-Symbole übertragen. Das Vorhandensein der ESD in 100Base-T1 verkürzt die Interframe-Lücke (IFG).

Ein 100Base-T1-Paket besteht aus allem zwischen SSD und ESD (rote Balken an den Rändern).

Nach einer Präambel und einem SFD beginnt der Frame mit dem Header mit MAC-Adressen wie im Legacy-Ethernet. Diese werden von der Punkt-zu-Punkt-Topologie nicht benötigt, aber aus Gründen der Abwärtskompatibilität beibehalten.

Zusätzliche Ressourcen

Sehen Sie sich unsere Anleitungsvideos an Grundlagen des 100Base-T1-Frames, Was ist PAM3-Signalisierung?und Verständnis des 100Base-T1-Link-Starts.

Schritt-für-Schritt-Verfahren zur Verwendung der seriellen Trigger- und Dekodierungsoption Teledyne LeCroy 100Base-T1 finden Sie in der Bedienungsanleitung für 100Base-T1 Trigger, Dekodierung, Messung/Grafik und Augendiagramm auf unserer Website besuchen.