自动驾驶的开发正在加速进行。
各种自动化技术，如在高速公路上保持行车道和车间距、在交通堵塞时跟随前车等，已经开始普及，用于安全行驶的传感器搭载量也在不断增加。除此之外，汽车还需要搭载高速无线通讯(V2X)应付庞大的车内外数据通信量。
不断增加的通信量，也加速了车载以太网的引入和应用。
为保证车辆的安全，即使在极端高温和噪声的恶劣环境下，车载网络产品对通信的可靠性也提出了更高的要求。其中，电磁兼容(EMC)性能是确保安全性的一个重要因素。
但是，传统的EMC测试解决方案需要大量的精力和开发成本来确保EMC性能。本篇文章，将介绍一种仿真技术，通过构建由连接器，线束和电子控制单元组成的通信系统的物理层模型，有效地验证了在不同的条件下，车载以太网通信系统的电磁兼容性性能。
1. 简介
在传统车内局域网（lan）中，我们所使用的是控制器局域网（CAN）通信的带宽。如上所述，随着ADAS的普及，CAN的带宽将不足以处理数量剧增的通信量。2015年，美国电气与电子工程师学会（IEEE）制定了车载以太网通信标准（100BASE-T1），该标准是从用于公司和家庭的局域网—消费级以太网技术发展而来的。车载以太网通信标准100BASE-T1的速度是CAN通信速度的50倍以上，甚至更快。然而，IEEE一直致力于制定一个能够实现更快通信的车载以太网标准。
从安全的角度来看，在电磁兼容（EMC）的性能方面，车载产品比一般消费品的要求要严格很多。确实，EMC是考量其安全性的重要指标之一。传统的解决方案，通常是制作电子控制单元（ECU）、连接器（CON）和线束（w/h）的原型，这些原型包含了满足目标性能的电磁兼容措施，并根据电磁兼容测试的结果验证效果。繁杂的原型制造和漫长的验证周期，大大增加了开发所需的工时和成本。特别是对于ECU来说，制定一个有效审查措施的方案非常重要。
本篇介绍一个物理层模型，包含CON、W/H和ECU的自主式以太网通信系统。除此之外，还开发了一种物理层仿真技术，有效地验证了在不同的条件下，车载以太网通信系统的电磁兼容性性能。这项技术有希望可以减少EMC措施的工时和开发成本，并通过优化包含这些措施的组件来降低相应产品的成本。
2. 车载以太网概述
本章将大致介绍汽车以太网作为物理层仿真。
如上所述，车载以太网是消费级以太网技术的高级形式。本章介绍了消费级以太网（100BASE-TX）和车载以太网（100BASE-T1）均达到100 Mbps的传输速度情况下两者之间的差异。
第一个区别是通信方法和电缆数量。在消费级以太网中，共使用两对非屏蔽双绞线（UTP）（分别用于发送和接收）以实现单向通信。在汽车以太网中，则引入了一种称为混合电路的传输/接收分离电路，利用一对UTP（图1）来实现双向通信，从而减少电缆数量，重量和成本。
图1.通信方法和电缆数量的比较
第二个区别是编码方法和使用的信号带宽。在消费级以太网中，符号速率为125 M 符号/秒。然而，为了将信号以二进制脉冲发送，五位中的四位被处理为数据来避免连续值（4B / 5B）。这就是用户以太网实现100 Mbps的通信速度的方式。
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在车载以太网中，则采用三电平脉冲幅度调制（PAM3）。这是一种编码技术（3B / 2T），用于表示具有一个符号的三元组和具有两个符号的三元组，并处理八进制3位数据。这就使得即使在符号速率66.7 M符号/秒下也可以实现100 Mbps，相当于用户以太网的一半（图2），并且减少了用于车载无线电的FM带宽中的电磁辐射（图3）。
图2 编码方法和信号带宽的比较
图3 发射信号频率特性的比较
3. 物理层模拟概述
物理层模拟的配置如图4所示。
图4 物理层模拟的配置
使用了两个汽车以太网ECU模型，每个模型都包含一个物理层收发器（PHY）发送/接收汽车以太网信号的模型和包括无源器件（例如共模扼流圈）和基板上的传输线的前端电路模型。
这些模型通过W / H模型和CON模型连接以构成通信系统。
物理层仿真实现（1）信号波形的瞬态分析和（2）通过使用ADS分析引擎对整个通信系统和各个组件的S参数分析。例如，在如下情况中：
(1) 瞬态分析，PHY中的接收波形可以显示为眼图（图5）。这里，当施加各种类型的外部噪声时，用户可以自由地设置外部噪声并定量评估通信系统的抗扰性能。
（2）S参数分析使得能够通过分析差分传输信号的插入损耗和整个通信系统和各个组件的模式转换的特性来回顾上述的抗扰度性能分析和设计改进。
图5 通过时间响应分析信号波形的示例
4. 构建仿真模型
本章介绍构成物理层仿真的各个模型的构造技术和特性。
PHY传输（TX）模型的构建
图6 100BASE-T1传输块
3B / 2T，PAM3和PMD * 3块与100BASE-T1的信号波形有关。对于PHY制造商常见的3B / 2T和PAM3模块，我们使用了ADS支持的基本模块。这里应注意，执行信号波形整形的PMD传输块的特性在各个PHY制造商之间是不同的。我们参考了汽车以太网的技术文档，并回顾了诸如滤波器的波形整形基本电路，设置了各个电路的常数，使它们符合各个PHY制造商的实际器件波形。PHY制造商的实际设备传输波形与时域中构建的PHY传输（TX）模型的传输波形之间的比较结果如图7所示。图中所示波形基本相同。
图7 验证真实设备和PHY传输模型之间一致性的结果
PHY接收（RX）模型的构建
图8 100BASE-T1接收块
但是，它无法测量PHY中的接收波形，因此无法验证测量和仿真模型之间的一致性。所以我们根据之前向通信运营商提供的消费者以太网产品方面的记录，利用我们的专业知识优化了常数。
前端电路模型的构建，W / H和CON
为了模拟前端电路W / H和CON，我们使用了代表各自特性的S参数。
物理层模拟中的前端电路模型包括基板上的传输线以及诸如共模扼流圈和电容器的无源器件。电磁场分析软件可以加载设计布局并直接进行分析。因此，我们利用该软件分析电磁场并推导出S参数进行了建模。
对于W / H和CON，我们使用矢量网络分析仪（VNA）* 4和用于连接VNA（图9）的夹具构建了一个测量系统，以准确地表示根据路由的特性变化，并测量S参数。W / H和CON具有差分输入和输出端子。因此我们进行了四端口测量。
图9 W/H，CON测量系统
这里应注意，测量值包括了夹具的影响。因此，我们基于W / H和CON的S参数，通过去嵌入（de-embedding）的方法进行了建模。
5. 通过车载电磁兼容性测试进行模拟和验证的示例
为了证明物理模拟层可以准确地验证通信系统在各种条件下的电磁兼容性能，我们决定验证车载电磁兼容测试中测量结果与物理层仿真计算结果之间的一致性。作为一个例子，本章以车内电磁兼容测试为例，验证了在大电流注入（BCI）测试中这些结果的一致性。
在BCI测试中，共模噪声通过BCI探头从噪声发生器注入W / H，以评估产品的公差。我们在如图10所示的一个消声室中构建了一个测试系统。在这项研究中，我们将各频率（1至100MHz）的噪声作为测量结果注入汽车以太网的W / H中，获得了被测试设备（EUT）侧值作为测量结果。
图10 BCI测试的真实设备测试系统
图11显示了物理层仿真中BCI测试的配置。针对实际器件测试中使用的相应设备和EUT（图11中的开发板），基于第4章中讨论的技术，我们构建了相应的模型。而对于注入噪声的BCI探头，我们采用了W/H、CON等5个端口测量S参数并构建了单个模型。
图11 BCI测试的模拟配置
噪声注入频率在1和100MHz之间的测量结果和模拟结果如图12所示。横轴表示噪声注入频率。实线（右侧的垂直轴）显示PHY的SQI值（测量值），而虚线（左侧的垂直轴）显示PHY的接收噪声量（模拟值）。SQI值越低，接收信号的质量越低。该图显示，降低信号质量的大量噪声在20至50 MHz左右流入PHY，并且少量不影响信号质量的噪声以60 MHz或更高频率流入PHY。模拟结果表明，噪声量的变化趋势与上述讨论一致，且与实测结果高度一致。图13显示，参考模拟结果的接受波形的眼动模式，注入频率为25兆赫左右时，接收的噪声量很高，SQI值很低；70兆赫左右时，接收的噪声量很低，SQI值很高。
图12 BCI测试中测量和模拟结果之间的比较
图13 接收波形眼图的模拟结果
6. 总结
以上，全文为大家介绍了一种物理层模拟技术的开发，该技术可用于在各种条件下，对通信系统的电磁兼容性能进行有效验证，以减少电磁兼容实施的工时和开发成本，并优化实施组件。这项技术可验证通信系统中使用的相关产品（ECU、W/H、CON）的电磁兼容性性能，并验证设计、改进方案。该技术可应用到车载以太网中，其传输速度为1gbps。当然，IEEE已经完成了标准化，目前正在制定标准的速度为2.5gbps，甚至更高。
