隨著高功率資訊娛樂系統如導航、免持設備、行動網路等功能普及，汽車內建的發射器和接收器數量愈來愈多；加上近年來先進駕駛輔助系統(ADAS)蔚為主流趨勢，各家汽車大廠已陸續在新車款中導入ADAS系統，如自動煞車、車道偏移導正、胎壓偵測、盲點偵測等功能已逐漸成為標準配備功能，對車載網路頻寬的要求也隨之提升。
車用乙太網路可支援高速傳輸，透過連接汽車電子匯流排系統實現快速、高性價比的資料通訊，可大幅降低生產成本並縮短上市時間。此外，車用乙太網路可連結各種汽車電子系統，因此也被視為未來車聯網應用的主力。
車用乙太網路標準解析
車用乙太網路標準的源頭是乙太網路(Ethernet)，但在實體層(PHY)已做了大量變更，以符合車用需求。第一版的標準稱為BroadR-Reach，並即將由稱為100Base-T1(P802.3bw)和1000Base-T1(802.3bp)的IEEE版本所取代。
而博通(Broadcom)、BMW、德國馬牌(Continental)、現代(Hyundai)等大廠於2011年11月成立OPEN Alliance SIG，共同推動車用乙太網路應用。截至目前為止已超過300家以上會員參與此聯盟。相較於既有的乙太網路技術的應用，車用乙太網路則是採用單對非遮蔽雙絞線電纜，主要的目的可減少高達80%的連接成本和30%的纜線重量，這種雙向傳輸線路也可符合汽車電磁輻射方面的相關規範，在降低電磁干擾方面，採用包括抑制、特定編碼，以及訊號擾碼加密(Scrambling)等機制，同時資料傳輸速率也可達至100Mbps或1Gbps，以符合未來電動車或自駕車上影像及高資料量的傳輸需求(圖1)。
圖1 消費/運算乙太網路及車用乙太網路標準
車用乙太網路各項標準發展沿革
車用乙太網路的標準發展，在2011年由Broadcom開發了BroadR-Reach技術，此技術建構於乙太網路實體層，開發出在單根的雙絞線上可傳輸100Mbps的速率，同時也與主要的汽車大廠共同成立OPEN Alliance推廣此應用。而OPEN Alliance認為此技術若相容於IEEE全球標準，將會廣泛地獲得汽車產業的接受及採用，因此IEEE將其技術標準化，並於2015年發表IEEE 802.3bw(100Base-T1)技術規格；隨著現今汽車己採用愈來愈多的影像、影音娛樂系統及未來自駕車的應用，汽車業者發現100Mbps僅符合影像的傳輸需求，已不足以充當汽車的骨幹，尤其是針對ADAS和自動駕駛系統，因此IEEE將此技術加以再擴大，加入802.3bp(1000Base-T1)，使其資料傳輸率可達1Gbps來因應高資料量傳輸需求，此規範已於2016年正式發表。
事實上在現今的汽車內部子系統配備多達70個電子控制單元(ECU)，最常見的控制器為引擎控制器，除此以外，像變速器、安全氣囊、ABS、定速巡航、動力方向盤、音響系統、動力車窗/車門等，皆採用許多的低速資料傳輸匯流排來加以控制，例如CAN/LIN、Flexray等，如同前文所提，未來汽車的發展將朝向電動車及自駕車，OPEN Alliance聯盟目標是希望能將車用乙太網路應用於整個汽車內，於是IEEE於2019年完成了IEEE 802.3cg的規範，傳輸率為10Mbps，其目的主要是取代傳統使用的低速資料傳輸匯流排(如CAN/LIN、Flexray等)。目前IEEE也成立了一個更快的標準工作小組，用於制定更高傳輸速率，即2.5/5/10Gbps的IEEE 802.3ch規範，此規範目前尚未正式發表仍在制定當中。關於以上所提到的車用乙太網路相關規格的比較，可以參考以下描述(表1)。
・10Base-T1S：
是新的10Mbps單對乙太網路，符合IEEE 802.3cg規範的新網路技術。該技術的目標是在多點網路上實現無衝突的確定性傳輸，主要可應用於車用Audio、Parking ECU、Engine ECU和Body ECU等資料傳輸。
・100Base-T1：
資料傳輸率為100Mbps，符合IEEE 802.3bw規範的新網路技術。採用單對非遮蔽雙絞線電纜傳輸，支援全雙工且雙向，最大長度為15m，資料編碼方式採PAM3(Pulse-amplitude Modulation)，可應用於車載娛樂系統或駕駛輔助系統等。
・1000Base-T1：
資料傳輸率為1Gbps，符合IEEE 802.3pb規範的新網路技術。採用單對非遮蔽雙絞線電纜傳輸，支援全雙工且雙向，最大長度為15m，資料編碼方式採PAM3，可應用於車載娛樂系統或駕駛輔助系統等。
・NGBase-T1：
資料傳輸率可至2.5/5/10Gbps，符合IEEE 802.3ch規範的新網路技術。採用單對非遮蔽雙絞線電纜傳輸，支援全雙工且雙向，資料編碼方式採PAM4，最大長度為15m，可應用於車載娛樂系統、駕駛輔助系統、ECU to ECU(Backbone)傳輸等。
車用乙太網路測試遭遇挑戰
OPEN Alliance聯盟參照IEEE所制定的車用乙太網路標準，訂定了Automotive Ethernet ECU Test Specification Layer1(TC8 ECU Test)於2020年3月發布v3.0版本。此相容性的測試主要是驗證發射端電氣特性，讓業者了解其車用系統是否通過必要之標準相容性測項，其中的測試項目與測試環境的架設，不但複雜且非常耗費時間，且需要準備儀器及相關測試用的配件如數位示波器、網路分析儀、纜線、連接器以及測試用治具等。不過這部分不需擔心，儀器廠商已有提供完整的測試方案。接下來再繼續了解關於TC8 ECU Test的測試項目有哪些以及說明(此測試以100Base-T1為例)。
首先，在測試之前要先確認待測物必須提供以下所述的測試模式，以測試發射端的抖動(Jitter)、失真、PSD(Power Spectral Density)以及Droop測試。通過設置待測物的控制寄存器啟用這些測試模式，如表2所示。測試模式只能改變提供給發送器電路的數據符號，而不能改變發送器和接收器的電氣和抖動特性。再來，本文針對每一測試項目說明。
・OABR_PMA_TX_01:Check The Transmitter Output Droop
此項目測試在發射端在Mode 1測試訊號下其Droop=100×(Vd/Vpk)<45%。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.5.4.1(圖2)。
圖2 OABR_PMA_TX_01項目測試圖
・OABR_PMA_TX_02:Check the Transmitter Timing Jitter in MASTER Mode
此項目測試在發射端在Mode 2測試訊號下其RMS Jitter<50ps。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.5.4.3(圖3)。
圖3 OABR_PMA_TX_02項目測試圖
・OABR_PMA_TX_03:Check the Transmit Clock Frequency
此項目測試發射端時脈頻率是否有符合在66.6603MHz到66.6736MHz之間。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.5.4.5。
・OABR_PMA_TX_04:Check the Transmitter Power Spectral Density
此項目測試發射端在Mode 5訊號下，發射端的功率譜密度(PSD)，應在圖4中指定的上限和下限之間。同時用於PSD測量的分析儀器設置應為：
圖4 PSD量測頻率區間
Resolution Bandwidth=10kHz, Video Bandwidth=30kHz, Sweep Time>60s, and RMS Detector。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.5.4.4-Transmitter Power Spectral Density。
・OABR_PMA_TX_05:Check MDI Return Loss
此項目是測試待測物是否符合以下Return Loss規範的限制(圖5、圖6)。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.8.2.1-MDI Return Loss。
圖5 OABR_PMA_TX_05項目測試圖
圖6 MDI Return Loss曲線圖
・OABR_PMA_TX_06:Check MDI Mode Conversion
此項目是測試待測物是否符合以下Conversion Loss規範的限制。相關的規範請參考IEEE Std. 802.3bw, Subclause 96.8.2.2-MDI Mode Conversion Loss。 在此測項需特別注意的是研發人員首先必須確認治具是否符合圖7中的規範。
圖7 TCL ECU測試治具限制曲線圖
待治具確認符合規範後，再來測試待測物是否符合Conversion Loss規範，而圖8為待測物量測規範。
圖8 待測物量測規範曲線圖
・OABR_PMA_TX_07:Check MDI Common Mode Emission
此項目是測試待測物是否符合RF Common Mode Emission規範的限制。這測試需要在1MHz至200MHz的頻率範圍內進行測量，其測量的限值如圖9及圖10所示。
圖9 RF Common Mode Emission規範限制圖
圖10 RF Common Mode Emission規範的限制
・OABR_PMA_TX_08:Check the Transmitter Distortion
此項目是測試待測物發射端訊號失真，此項目需使用Mode 4的測試訊號，同時由訊號產生器加入干擾訊號源，此干擾訊號為5.4Vp-p、11.111MHz的正弦波，在測試上至少要間隔10個Symbol Period，其電壓的峰值失真值，應小於15mV(圖11、圖12)。
圖11 OABR_PMA_TX_07測試頻率範圍
圖12 1000BASE-T1測試報告
車用乙太網路實現普及
展望未來，汽車產業將結合5G的應用朝向自駕車發展，汽車智慧化與網路化的需求下，同時駕駛輔助系統、車載網路通訊系統或娛樂系統也將朝Domain Controller發展，它有更高的頻寬需求來傳輸龐大的資料，隨著IEEE持續地制定高速車用乙太網路規格，未來可見車用乙太網路可以具有25Gbps以上的資料傳輸能力，將持續擴大其車用網路市場的應用。另外愈來愈多的車廠及Tier1/Tier2廠商加入OPEN Alliance汽車聯盟，也代表車用乙太網路將被這些公司採用，促使市場更普遍化。
(本文作者為台灣羅德史瓦茲示波器產品經理)
