徹底執行接收器測試，大幅提升車載網路效能

白皮書 徹大幅底提執行升車接載收器網測路試效，能 自需動依駕賴駛可和重電複動的車測系試統日益複雜， 目錄 高速車載網路需求節節攀升3 實體層測試5 為進行接收器測試做好準備6 接收器測試成為跟上汽車發展潮流的關鍵8 複雜調變格式–NRZ和其他10 對接收器進行實體層驗證13 符合汽車標準14 未進行測試的後果17 裝置特性分析20 伴隨高速網路而來的問題21 是德科技讓您高枕無憂21 了解詳情21 高速車載網路需求節節攀升 隨著汽車產業開始將重心轉移到全自動駕駛汽車和純電動車，車載電子架構也變得越來越複雜，不但包含更多感測器、控制裝置和介面，也進一步擴充了汽車功能。 隨著形形色色的車用電子大量湧現，現代汽車需處理比5或10年前多更多的感測器、控制裝置和介面。而汽車應用不但數量激增，同時也變得日益複雜。這些應用要求更高的頻寬、更快的資料傳輸速率，以及更可靠的網路。 將多項功能整合於同一區域或網域架構中，有助於減少需要處理的總節點數，但各個節點的複雜性會升高。現在，每個電子控制單元（ECU）或閘道器都可提供更豐富的處理功能，例如多種不同的輸入/輸出 光達通訊 （IO）。大勢所趨，汽車業者無不積極提高新車的自動駕駛等級，因此感測器和電子裝置收集到的資料，必須快速準確地傳送到主CPU。 V2XGPSE-call/Era-glonass E-call IVN 攝影機和雷達 請想像一下這個情境，在您倒車時，一名騎自行車的孩童從車後經過。細心的您在檢視現代汽車標配的倒車攝影機之餘，還會轉頭看看汽車後方有沒有東西，這樣就算倒車攝影機傳輸失敗或畫面變黑一兩秒，您也可以發現並避開這名孩童。但是，全自動駕駛汽車幾乎完全依賴倒車攝影機，因此即便傳輸僅短短中斷1秒，都可能危及孩童性命。 圖1：倒車攝影機畫面出現雜訊的範例 汽車需為駕駛和乘客提供準確的資訊。從倒車攝影機到資訊娛樂系統顯示器，這些裝置均需以真實且即時地呈現汽車背後的狀況。為此，車內需配備可靠的網路。汽車內的網路可將車尾後視攝影機產生的信號，傳送到中控台並透過螢幕顯示出來。這些重要資料不能夠因為保險槓與顯示器之間有任何干擾而遭到破壞或改變。為確保萬無一失，您必須以可重複的方式和標準化的極限值測試系統元件，確保不同供應商提供之元件可彼此互通。透過如此縝密的測試，工程師可將製造現場失敗的風險降到最低，進而確保駕駛、乘客和用路人的安全。 但是，您如何證明傳輸過程中未遺失任何資料？ 實體層測試 是德科技將測試劃分為不同層級—測試實體層（或實體層信號），以了解它如何傳送訊息，以及另一端如何接收訊息。實體層測試可確保信號完整性，以便消除其他來源導致的失真、反射、衰減和/或耦合雜訊。下一步是在更高層級上驗證待測裝置（DUT）功能、實體層和ECU之間的傳輸流量，以及是否指派了正確的優先等級。過程中，您需對DUT進行一連串的壓力測試，以便找出待測裝置何時會承受不住而故障。雖然您的第一要務是測試整個系統，但本白皮書將重點介紹如何在實體層進行接收器測試。 IVN實體層測試架構 汽車SerDes 發射器（Tx） SoC或感測器 連接器/纜線（Lx） 接收器（Rx） SoC或顯示器 MIPIA-PHY 串列器/解串列器（SerDes） 行動產業處理器介面（MIPI）A-PHY 、 ASA 汽車SerDes聯盟（ASA） 系統單晶片（SoC） 電子控制單元（ECU） 汽車乙太網路 量測儀器 即時示波器 向量網路分析儀（VNA） 任意波形產生器（AWG） 圖2：以相同方式測試鏈路的不同部分，不論它們使用的是汽車SerDes還是單對乙太網路 本白皮書提及的鏈路，是兩個ECU之間、ECU與顯示器之間，或是感測器與ECU之間的連接。每一條鏈路均由3個元件組成：發射器、接收器，以及被動式互連，包括纜線和in-line連接器。針對雙向汽車乙太網路，您需測試鏈路並評估兩端所連接的發射器和接收器，並測試之間的連接。一條串列器/解串列器 （SerDes）鏈路則包含下行和上行鏈路發射器與接收器，以及之間的連接。SerDes具有不對稱性，因此鏈路兩個方向的測試要求各不相同。 即時示波器會密集對資料進行倍增取樣，以便將類比特性與規格進行比對。測試發射器時，您需擷取基礎符碼頻率的多個諧波，以便深入洞察特定部署的線性度、功率頻譜密度（PSD）和輸出抖動。 您可使用任意波形產生器（AWG）進行接收器測試，以產生複雜的寬頻雜訊特性。AWG是極為通用的儀器，可將數位記憶體記錄轉換為類比輸出。您可將汽車雜訊特性視為電壓相對於時間的函數，並使用測試計畫所需的各種不同寬頻雜訊源，對AWG進行程控。 向量網路分析儀（VNA）則可分析被動互連、纜線或轉接器的響應，進而指出哪裡有阻抗不匹配，或者哪裡會出現不可接受的衰減位準。您也可以使用VNA來量測發射器並評估各個埠的回返損耗。 為進行接收器測試做好準備 在實體層執行接收器測試的目的是，藉由對接收器施加壓力，來驗證它們能否在汽車嘈雜且惡劣的環境中運作。過程中，您可量測接收器復原受損輸入信號資料的能力，以確保數位傳輸的品質。誤碼率（BER），亦即接收到的錯誤位元除以接收到的總位元數的比率，是最主要的評量標準。 BER= 該測試的最終目的是確定當環境中存在動態雜訊源時，接收器是否仍可正常接收發射信號。為此，您需重新設計一個能夠產生可控失真信號的發射器，進而分析失真對傳輸的影響。這樣做的用意是建立一個最糟的狀況—如果汽車同時出現失真、干擾、高溫、振動和雜訊，接收器是否仍然能夠檢測到正在傳送的信號？ 高速數位系統測試包含兩個階段，藉以檢查接收器是否可正常運作。 1.首先，您需對已知信號進行測試，以確定在理想條件下，接收器的基本狀態。 2.接著您需在信號中加入雜訊，以查看接收器在壓力下的表現。 第一階段是在低功率和高功率位準，以及各種操作頻率下，在接收器的整個操作範圍內進行測試。一般而言，信號產生器的效能必須優於典型的發射裝置。 第二階段是藉由施加壓力來進行測試，如此可量化接收器在目標環境中的效能，並確認真實條件對鏈路效能所造成的衝擊。此測試的重點是，當環境中出現明確定義的各種干擾源，如何維持目標BER位準。 以汽車為例，雜訊可能來自多個不斷變化的來源。測試儀器必須產生寬頻環境雜訊，並同時產生窄頻電磁干擾（EMI）。此外，某些測試架構需要將動態雜訊耦合到待測裝置與其鏈路夥伴之間的主動鏈路。這需要搭配使用放大和耦合機制，但系統響應會因而受到影響；在產生複雜的雜訊資料時，您須考慮到可能出現的損耗。將特定的配置檔編寫入AWG的記憶體後，您可將它們當作雜訊源使用。 或者，您可使用誤碼率測試儀（BERT），為支援回返測試的裝置提供雜訊和資料。 接收器測試成為跟上汽車發展潮流的關鍵 許多高速數位技術都需執行接收器測試。隨著這些高速技術開始支援更快的資料速率，並採用PAM4等更為複雜的調變，接收器測試需求也變得越來越高。透過接收器測試，您可在環境中充斥各種不同信號衰減來源的狀況下，評估接收器效能，以便證明接收器可擷取正確的信號。同時，BER還可反映在此情況下，接收器將受損資料復原為原始資料的能力。 車用電子系統必須與各種不同的雜訊源搏鬥。這些高速電氣鏈路很容易遭受電磁干擾。窄頻射頻、瞬間脈衝和寬頻分布等，是汽車環境中常見的干擾。此外，纜線越長（車載網路的纜線可能長達15公尺），傳輸資料就越容易受到干擾，使得纜線束內部出現嚴重的插入損耗。因此，執行徹底的電磁相容性（EMC）特性分析，是驗證汽車內部各種複雜電子系統之效能的有效方法。 高資料速率和複雜調變格式的趨勢，驅使汽車業者將測試重心轉移到接收器驗證上，以便維持這類有線通訊技術的順暢運作。隨著資料速率不斷提高且調變格式變得越來越複雜，接收器必須採用等化和誤差修正技術，來消除通道缺損和干擾。如此一來，業者需投資於更有效的接收器測試方法。僅只驗證發射信號已不能滿足需求，當務之急是確認接收器是否能控管汽車獨有的雜訊環境，使其能維持正確無誤的運作。 及早投資於合適的測試與量測設備與方法，有助於避免汽車遭遇更嚴重的災難性問題，因而蒙受 更高的損失。 根據其他產業和資料中心的經驗，汽車業者必須知道接收器測試已成為強制的測試項目，以因應 MIPIA-PHY、ASA和Multi-Gigabit汽車乙太網路等新興標準，對更高資料速率的要求。 晶片供應商和其他廠商均需投入於接收器測試 隨著資料速率快速攀升，除了晶片供應商，有許多不同領域的廠商也開始密切關注接收器測試。不同供應商的接收器，所採用自適應等化技術，以及其他誤差修正機制的效能，都略有不同。整合入ECU設計的晶片，會跟配電網路、雙倍資料速率（DDR）和低功耗資料速率（LPDDR）記憶體匯流排，以及PCIe等其他高速互連元件，一起安裝在多層印刷電路板（PCB）上。一級（Tier1）供應商和原始設備製造商（OEM）必須在汽車雜訊下，以及布滿各種數位和射頻系統的獨特操作環境中，驗證接收器效能。 安全問題則是業者的另一隱憂。任何車用電子產品、先進駕駛輔助系統（ADAS）、自動駕駛（AD）系統或子系統故障，都可能導致無法挽回的傷亡事故。安全問題可能導致汽車製造商面臨全面召回的嚴重後果，甚至還會損及品牌形象，造成消費者喪失信心。為了避免發生上述慘劇，業者必須下定決心開發確定性測試方法，以便及早在設計階段，在實驗室中（而非道路上）進行完整測試並發現問題。在初始階段投資於測試和量測解決方案，可將災難性安全問題消弭於無形。 複雜調變格式–NRZ和其他要求 新興的汽車網路技術必須能夠支援長度達15公尺的纜線，並須將資料速率維持在16Gbps或更高。要實現這樣的資料速率，除需支援不歸零（NRZ）信號傳輸外，業者還需因應各種其他要求。高於16Gbps的資料速率，會帶來通道損耗的問題，導致NRZ表現不盡理想。相較於PAM4、8或16，NRZ雖然耗電量和信噪比（SNR）都更低，而且使用更簡單的調變機制，但缺點是NRZ需要比PAM4大兩倍的符碼率，才能達到相同的位元率。簡言之，PAM4每個傳輸符碼的編碼位元數，是NRZ的兩倍。在相同資料速率下，PAM4操作頻率僅為NRZ奈奎斯特（Nyquist）頻率的一半。在低頻下，通道插入損耗比較不明顯，因此可實現更長的傳輸距離。 而PAM4、PAM8和PAM16等高階調變格式，可增加每個符碼的位元數，並維持很低的鮑率（baud）和奈奎斯特頻率，以便支援長距離纜線。進行最終線束組裝時，PAM4對纜線和連接器提出了新的要求，使得收發器設計和測試變得更複雜。 針對某些測試模式，Multi-Gigabit汽車乙太網路、行動產業處理器介面（MIPI）A-PHY，以及汽車SerDes聯盟（ASA）等，全都使用PAM4調變。汽車乙太網路標準採用現有的網路協定和現成的技術，來提供對稱的點對點和多點連接。SerDes則採用非對稱設計，並透過高速下行鏈路來傳輸資料。舉例而言，從汽車攝影機到中央處理單元（CPU），再到較低速的上行鏈路，均支援裝置監視與控制等要求不高的應用。這類鏈路非常適合用於車載遠端感測器，這類遠端感測器要求高速輸出，但其部署複雜性、功率要求和成本相對較低。 使用PAM4時，更高的量測複雜性，帶來了更多挑戰。及早對PAM4鏈路進行測試和量測，有助於深入了解導致偽影的原因和機制，以避免鏈路錯誤修正效能下滑。時脈回復和眼圖閉合挑戰（例如時脈偏差、壓縮和非線性度），都是導致缺損的原因。可分析發射器輸出特性的新量測方法即將問世。此外，隨著PAM4技術持續進化、業界對PAM4挑戰有更深入的認識，加上各種解決方案不斷湧現，業者未來將能夠以新的壓力缺損，來測試並分析接收器輸入。 PAM4測試挑戰 從時域角度來看，PAM4有4個數位振幅位準（-3、-1、1和3），如圖4所示。在相同鮑率（28GBaudPAM4 =56Gb/s）下，PAM4每個位準或符碼可用比NRZ或PAM2快兩倍的傳輸速率提供2位元資訊。PAM2是一種