車載ネットワーク高速化の壁を突破する。 IVN物理層テストの課題と最新アプローチ

WHITE PAPER IVN物理層テストの課題を 克服する方法 車載ネットワークの高まる要求に対応する

はじめに 自動車業界における電気／電子(E/E)アーキテクチャーは、センサを基盤とする運転支援システム(ADAS)および自 動運転(AD)アプリケーションの役割など、ますます複雑になる要件をサポートするために進化しています。車内 やその周辺には、高解像度のダッシュパネル、サイド・ビュー・ミラー・パネル、消費者向け電子機器サービスに 相当するインフォテインメントオプションなどのディスプレイ技術が普及しています。 カメラ、LiDAR、レーダーなどの多くのセンサが高解像度のデータを捕捉し、それらのデータは送信されたり別の センサデータと集約されたりした後、ADAS/ADアプリケーションによりさらに処理されます。サラウンドビュー・ カメラ・システムに関しては、複数のカメラから車内のディスプレイに映像が送られる場合もあります。 センサの総数やデータ伝送に必要な帯域幅などのアプリケーション要件により、E/Eの選択が促進されています。 自動車メーカーはアーキテクチャーを選択する際にさまざまな要素を検討する必要があります。例えば、ケーブル ハーネスの複雑さや重量、複数の機能でセンサデータを再利用する方法、ティア1のOEMのエコシステムが車両の 生産期間中に相互運用可能な装置を供給できるかどうかなどの考慮が必要です。 このようなアプリケーション要件が車載ネットワーク(IVN)に課す要求により、スループットの高い通信リンクが 強く求められています。この通信リンクは閉域通信リンクよりも高いデータレートをサポートする必要があります。 現在は、これらの要求を満たすために独自のシステムが使用されています。 OEMは市場での差別化とコストの目標に最適なアーキテクチャーを自由に実装できますが、独自の閉域通信リン クではOEMがこのビジョンをサポートするために法外なコストがかかる可能性のあることが明らかになってい ます。 さまざまなベンダーがセンサや電子制御装置(ECU)を提供するサプライチェーンは、OEMがそれらのリンクと期待 通りの機能を保証するために役立ちます。ベンダーが標準化された通信リンクを使用し、承認された実装方法(MOI) を用いてテストを実施すれば、相互運用性を達成することができます。車載シリアライザー／デシリアライザー (SerDes)や車載イーサネットのような標準化された車載通信リンクの登場が、このビジョンを実現可能にしてい ます。 IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 2

データレートの向上がもたらす影響 アプリケーション要件により、車両に実装されるE/Eアーキテクチャーの選択が決まります。アーキテクチャーは、 使用される通信リンクに最低限の性能要件を課します。例えば、特定のゾーンアーキテクチャーの最小ビット レートは、それをサポートするために必要なIVNに関連しています。接続されている複数のセンサが、生の高解像 度データをゾーンECUに送信することを考慮することが重要です。図1は、ケーブルの重量とコストを減らすため にさまざまなセンサを1つのリンクに集約すると、より高いスループット要件が必要になることを示しています。 パワーステアリング、 パワーシートコントロール インフォテインメント パーキングアシスト／ 車線変更アシスト V2X ミラー型バックカメラ ゾーン1 ゾーン3 スイッチ スイッチ アダプティブLED ヘッドライト アンチロックブレーキ（ABS） CPU/GPU CPU/GPU ゾーン2 ゾーン4 スイッチ スイッチ クライメートコントロール パワートレイン パーキングアシスト／ 車線変更アシスト タイヤ空気圧モニター LEGEND CAN-FD/10 Mbps 100 Mbps 1 Gbps 10 Gbps ＞10 Gbps 車載イーサネット 車載イーサネット 車載イーサネット 車載イーサネット SerDes 図1.　新しい車両のゾーンアーキテクチャー IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 3

従来のNRZ電気通信 従来の非ゼロ復帰(NRZ)電気通信は、1または0の論理値を表すために2つの電圧間で信号を変調します。アプリケー ション要件により2倍のビットレートが必要な場合は、NRZ信号が動作する基本周波数を2倍にすれば実現でき ます。 この方法では、データスループットの問題を容易に解決できる一方で、シグナルインテグリティーとデータ忠実度 の観点からいくつかの問題が発生します。例えば、データ送信のユニットインターバル（1ビット周期）が半分にな るため、所定（固定）のタイミング干渉源（ジッタ）によって生じる水平アイクロージャーが2倍になります。 ユニットインターバル ユニットインターバル ÷ 2 Jitter＝N ps Jitter＝N ps 図2.　シンボルレートが2倍になると、ジッタによるアイクロージャーが顕著に現れる 受信回路はこの境界条件内で動作するため、入力ピンにおいてデータ有効ウィンドウが、許容可能なエラーレート でビットを受信できる程度に十分開いている必要があります。 多くの民生用エレクトロニクス規格は、送信信号に存在するジッタの量を制限することで、このような問題に対応 しています。この技法は十分に定義されたテスト手法をもたらし、重要なジッタの種類、許容される最大量、測定 器内部でレシーバーのフィルター応答をエミュレートする方法などが明確になりました。標準化委員会によりテス ト要件と実装手法が明確に定義されると、認証済みのテストラボやプリコンプライアンス測定のためのベンチにソ リューションが導入されます。 テストの不具合を早い段階で発見すれば、それに応じて早い段階で修正でき、同時に製品コストとリリーススケ ジュールを最適化することができます。ジッタを使用しながら、ピーク出力電圧、垂直方向のアイ開口、スルー レートなどの他のパラメータも物理層メディア接続部(PMA)で測定可能です。さまざまな業界がこの種のテストの 重要性を証明しており、トランシーバーレベルのいくつかのテストにコンフォーマンス要件を課しています。この ような規格の例としてPCI Express®やUSBがあります。 IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 4

信号のビットレートが上昇した結果、他の問題も生じます。車載用のリモートセンサやディスプレイには10 mか ら15 mのケーブルが必要です。これは、民生用エレクトロニクスやコンピューター業界で使用されている他の 規格よりもはるかに長いものです。ケーブルの種類や長さが同じ場合、挿入損失(IL)のようなケーブルの減衰が 周波数に伴って増加する可能性があることもまた事実です。延長されたケーブル長で必要なデータレートを達成す るには、従来の低電圧差動信号(LVDS)のNRZリンクでビットレートを高めても不十分です。 PAMシグナリングとシグナルインテグリティーへの影響 車載用のイーサネットやSerDesでは、各シンボルが伝送する情報の密度を高めるために、パルス振幅変調(PAM) シグナリング方式が採用されています。従来のNRZとは異なり、PAMでは中間電圧を導入して1シンボルごとに 複数ビットを伝送します。図3は、同じシンボルクロック（PAM4信号を使用したボー）でNRZ変調の2倍のスルー プットを実現できることを示しています。 PAM4の場合、NRZ変調の半分のシンボルレートで動作すれば同じビットレートを達成できるため、最大のケーブ ル長で挿入損失の影響を最小限に抑えられるという明らかな利点があります。すなわち、PAM変調は、車載IVNの 最新規格に不可欠な機能です。 • 4つの振幅レベル • すべてのシンボルに2ビットの情報が 含まれる（同じボーレートで2倍の スループット） • S/N比が低く、ノイズの影響を受けやすい 図3.　PAM4信号とアイダイアグラム IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 5

PAMシグナリングはチャネル長の要件に対応できますが、その一方で、S/N比を始めとするいくつかの新たな 複雑さをシステム全体の実装にもたらすことを考慮することが極めて重要です。PAM4信号では、1つのNRZアイ と同じ電圧スイング中に3つのアイ開口部が必要なので、レシーバーが正常に動作するために垂直方向の干渉が 重要な役割を果たします。 さらに、PAM4送信デバイスの非線形特性は、レシーバー側のすでに厳しいS/N比環境に悪影響を及ぼします。 そのため、多くのPAM4技術では、トランスミッターのリニアリティーの測定とテストリミットを実装する必要が あります。 トランスミッターのジッタとリニアリティーは、下流にあるレシーバーでの動作品質を予測するためにトランス ミッターレベルで行う重要な測定項目の例です。特定のトランスミッター測定はレシーバー動作の予測的な性質に 対処するものですが、これ以外の測定では送信信号自体の重要な特性を明らかにするための知見が得られます。 その一例がパワースペクトラム密度(PSD)です。この重要なトランスミッター測定により、放射性電磁波障害(EMI) に関する車内要件を確実に順守することができます。この測定により、車載ネットワークに近い電気システムが 設計ガイドラインの範囲内でしか干渉にさらされないことを保証することができます。 レシーバーテストの複雑化 例えば、民生用エレクトロニクス業界の初期の規格では、トランスミッターのPMAテストによりレシーバー性能 を十分に決定できたので、これを重視することが通例でした。しかし、規格が毎秒数ギガビットという高速なライ ンレートに移行したため、この状況は変化しました。かつて信号イコライゼーション手法はトランスミッターのみ で使用されていましたが、ビットレートの上昇に伴い、実装の複雑さはレシーバーへと移りました。 最新の通信リンクでは、デジタル信号処理(DSP)によるフィルタリングやイコライゼーションとともに、リードソ ロモン前方誤り訂正(RS-FEC)や再送信のような最新の物理層(PHY)誤り訂正手法を採用したデジタルアーキテク チャーのレシーバーを使用しています。レシーバーは、S/N比が本質的に低い変調方式を使用する損失の大きいチャ ネルを通過した減衰の高い信号伝送を受信できる必要があります。 自動車環境には、広帯域の周波数を占有する動的な干渉源があるため、この機能性が必要です。つまり、予測的な トランスミッターテストは相変わらず必要ですが、レシーバーの複雑な機能が最悪のシナリオで適切に動作するこ とを保証するためには十分ではないということです。そのため、ユーザーはIVNレシーバーテストがどのようにあ るべきかという前提条件を再検討する必要があります。 IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 6

今日の高速なIVNでのレシーバーは、過去の低速用規格よりも複雑なタスクを実行しています。アナログ実装が 過去の規格であったのに対し、最新レシーバーの実装にはA/Dコンバーターが採用されています。これはイコライ ザー、エコーキャンセラー、データスライサーなどの複雑なDSP機能にデータを転送するものです。 これらの機能の総合的な性能により、ビットエラー比(BER)が適切なレベルに維持されます。BERは、受信ビット 総数に対する受信誤りビットの比を表す一般的な指標です。あらゆるリンクの目標BERはしきい値であり、これを 超えると許容できない数の誤りが上層のリンクに伝搬されます。車載IVNでは、これらの障害は次善のユーザー 体験よりもはるかに悪くなる可能性があります。ビデオフレームの欠落やセンサデータの破損は、運転手、乗客、 歩行者の安全を確保するためのシステムの致命的な障害につながる恐れがあります。 レシーバーの設計にイコライゼーションを組み込む場合には、さまざまな種類と組み合わせが考えられます。連続 時間リニアイコライザー (CTLE)は、最も一般的なイコライザーの種類です。CTLEは、周波数を減衰させる一方で、 レシーバーにとって最も有用な周波数成分を強調するフィルターとして動作します。 1 0 1 dB –1 –2 2 dB 3 dB –3 4 dB –4 5 dB –5 6 dB –6 7 dB –7 8 dB –8 9 dB –9 図4.　CTLEの伝達関数の例（利得が1 dB～ 9 dBの場合） IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 7 CTLE gain (dB)

図5は、最新のレシーバーアーキテクチャーが、送信データのシンボルシーケンスを解釈する能力に及ぼす影響を 示したものです。CTLEを適用した場合と適用しない場合の信号を示すために、一般的な8 GbpsのSerDes規格を 使用して図示しています。イコライズされていない生信号をリアルタイムオシロスコープで処理することで、その 効果をシミュレートしました。 図5.　CTLEがオフ（左側）の場合とオン（右側）の場合の信号アイ開口部の比較 アイダイアグラムの中央領域では、電圧と時間の両者についてアイ開口部に顕著な違いがあることがわかります。 イコライズなしの場合、アイはほぼ閉じているように見えます。このとき、レシーバーのデータスライサーは誤り ビットを検出するのと同じ頻度で正しいビットを検出します。レシーバーは、イコライゼーションの適用後にアイ が開くまで、許容できるBERレベルで動作できません。CTLEは、多くの場合、多くの誤り処理および訂正手法の 中で最初にIVNレシーバーのハードウェアレベルで実装される技術です。 前方誤り訂正、リトレーニング、再送信などの追加機能を実装すれば、フィルタリングのみでは軽減できない誤り も管理できます。レシーバーが、破損のないデータを上位のアプリケーション層に転送するという期待に確実に応 えられるかどうかは、これらすべてのメカニズムの複雑な相互作用によって決まります。予測的なトランスミッター テストでは、レシーバーが入力ピンに存在するデータをどのように管理するのかを十分に証明することができま せん。 レシーバーの誤り訂正と誤り処理メカニズムの堅牢性をテストすると、開発プロセスのさまざまな段階で豊富な 知見を得ることができます。最も重要なことは、早期のシリコン検証によって、設計時に選択した実装の有効性を 保証することです。効果的なテストを行えば、イコライザーの影響や、それらの設定が最適化の対象かどうかが明 らかになります。また、テストを行えば、チャネルの減衰や電気的干渉などのストレス要因がある場合の誤り訂正 メカニズムの適正な動作範囲を把握することができます。 PMAレベルでのレシーバーテストを検討する場合でも、量産デバイスの相互運用性テストを実行する場合でも、 テストセットアップでは、レシーバーにストレスを与えるような障害信号を導入して、許容可能なBERレベルを 決定します。 IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 8

規格によりこのような機能を実装する方法は異なりますが、テストモードを開始して、性能指標の診断レジスタに アクセスするための手段が必要です。規格がこのような基本機能を提供すれば、測定器を使用して意図的に信号を 劣化させることができます。 最新の車載イーサネットやSerDesの規格では、チップ、センサ、モジュールが実際の車載環境で遭遇することが 想定される障害の要因が明確に定義されています。障害の要因には、さまざまな過渡的EMIイベントや広帯域ノイ ズプロファイルが含まれます。これらは、ハーネスまたは媒体依存インタフェース(MDI)の環境ノイズやエイリア ンクロストークとして現れます。 MIPI® A-PHY車載SerDesレシーバーテスト 通信の進歩に伴い、クリティカルな指標とそれらの測定に必要な手順を正確に特定するための新しいテスト仕様が 導入されています。そのような指標の1つにBERがあります。MIPI® A-PHY車載SerDes規格の例では、被試験デ バイス(DUT)とリンクパートナーの間にアクティブリンクが発生します。図6は、DUTとリンクパートナーの接続 チャネル内で、発生させたノイズプロファイルをリンクに注入するための増幅結合回路をテストセットアップに 導入する方法を示しています。 M8195A 任意波形発生器 AE2090A ノイズ Infiniium UXRオシロスコープ リンク 注入フィクスチャ パートナー A-PHYチャネル DUT 監視（バンド内） 図6.　MIPI A-PHYレシーバーテスト用の車載SerDesテストセットアップ IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 9

通常、I2C(Inter-Integrated Circuit)などのサイドバンド通信チャネルを介して、DUTのレジスタ空間でBERやそ れ以外の相関的なリンク品質指標を監視することができます。例えば、Keysight AE2010R MIPI A-PHY車載 SerDesレシーバー・テスト・ソフトウェアは、そのようなサイドバンドチャネルを介してDUTの構成と監視を行 います。ソフトウェアでは、Keysight M8195A AWGなどのプログラムを作成して、仕様で定義されているノイ ズプロファイルを出力することもできます。この手法により、任意の規格のコンプライアンスリミットに対応する あらゆるデバイスのテストが可能になります。ノイズプロファイルの周波数、振幅、組み合わせをさまざまに変更 することで、コンプライアンスリミットの範囲外でデバイスの動作範囲を評価できるので、より堅牢な実装を実現 でき、競合他社との差別化が可能になります。 まとめ 新しいアプリケーション要件は新しいシグナリングパラダイムの原動力になり、これが電子計測の既成概念に影響 を与えます。この技術記事で取り上げた最新の高速通信リンクは、将来のE/Eアーキテクチャーを実現する鍵とな るテクノロジーです。エンジニアリングコストは、長距離にわたって動作する高速通信リンクと関連します。 レシーバーの実装の複雑さとそれに伴うテストのニーズは劇的に増大しています。シグナルインテグリティーは、 周波数が高いほど劣化しやすくなります。IVNリンクの総合的な性能は、トランスミッター、レシーバー、チャネ ルの性能を評価することによって測定されます。 電子計測の目的は変わりませんが、これまでの低速インターコネクトのセットアップ手法はもう使用できません。 新しい変調方式、シンボルレートの上昇、ケーブル長の延長により、ユーザーは電子計測の標準化環境を必要とし ています。 標準化された車載通信リンクの登場により、自動車業界は、データセンターや民生用エレクトロニクス業界ですで に実証されている標準化された電子計測手法のメリットを享受できます。 IVN物理層テストの課題を克服する方法 | 10

その他の情報 車載ネットワーク(IVN)の詳細： • 車載ネットワーク・テスト・ソリューション • 車載SerDesレシーバーの適合性をテストする方法 • 車載用シリアル＆ネットワーキングハードウェアとコネクタ キーサイトは、設計、エミュレーション、テストの課題を迅速に解決し、最高の製品体験を 生み出すことで、技術革新の限界を押し広げます。 イノベーションのスタートはこちらから。 www.keysight.co.jp 本書の情報は、予告なしに変更されることがあります。© Keysight Technologies, 2023, Published in Japan, August 18, 2023, 7123-1077.JA