特集

車載 Ethernet 物理層シミュレーション技術
Physical Layer Simulation Technology for Automotive Ethernet＊

川内偉博

Takehiro Kawauchi

Akihito Iwata

岩田章人

Hirofumi Urayama

浦山博史

泉萩原剛志

高山浩一

達也

Tatsuya Izumi

Takeshi Hagihara

Koichi Takayama

近年、自動車には自動運転を含む高度運転支援システムの普及が進み、それに伴う通信量増大により、車載ネットワークに高速な車載Ethernet が導入されつつある。安全性確保の観点から、車載ネットワーク製品は熱やノイズ等厳しい条件下での通信信頼性が要求されるため、EMC 性能が重要な指標の一つとなっている。しかし、これまでの試作による EMC 対策には、EMC 性能を確保するために、多くの開発期間や、開発コストが費やされてきた。そこで、コネクタ、ワイヤーハーネス、ECU 等から構成される車載 Ethernet 通信システムの物理層モデルを構築し、各条件下における通信システムの EMC 性能を効率的に検証するシミュレーション技術を開発した。

The introduction of high-speed automotive Ethernet to in-vehicle network has been accelerated by the increase ofcommunication volume with spreading advanced driving assist systems (ADAS) including autonomous driving. Since
in-vehicle network products require communication reliability even under severe conditions associated with extreme heatand noise to ensure safety, electromagnetic compatibility (EMC) performance is one of the important factors. However,conventional trial countermeasures required a lot of efforts and development costs to ensure EMC performance. Therefore,
we have developed a simulation technology to efficiently verify the EMC performance of automotive Ethernet communication
systems under various conditions by constructing the physical layer model of a communication system composed ofconnectors, wire harnesses, and electronic control units.
キーワード：自動車、シミュレーション、車載 Ethernet、物理層

1.

緒

言る通信システムの EMC 性能を効率的に検証できる、物理

近年、自動車には高度運転支援システムの搭載が進み、自層シミュレーション技術を開発した。これを活用すること動運転システムも導入されつつある。これらのシステムの普で、EMC 対策にかかる工数や開発コストの低減を図れるだ

及や高度化に伴い、車内の通信量が爆発的に増大することがけでなく、対策部品の最適化を行うことで各製品コストの予想される。従来の車内 LAN（Local Area Network）で使抑制も期待できる。本稿では、100BASE-T1における物理用されてきた CAN 通信（1）では帯域が不足するため、企業や層シミュレーション技術を紹介する。

家庭内の LAN で使用されてきた民生 Ethernet 技術を発展させた、車載 Ethernet 通信規格（100BASE-T1）が2015年に IEEE（米国電気電子学会）にて策定された。100BASE-T1
は CAN 通信より50倍以上の速度を実現できるが、IEEE ではさらなる高速通信を実現できる車載 Ethernet 規格の策定が進められている。
安全性確保の観点から誤動作が許容されない車載製品に

2.

車載 Ethernet の概要

本章では、物理層シミュレーションの導入として車載Ethernet の概要について説明する。
車載 Ethernet は前述の通り、民生 Ethernet 技術を発展させた技術である。そこで、本章は100Mbps の伝送速度をおいては、民生製品よりも EMC ※1性能の要求が格段に厳し実現する、民生 Ethernet（100BASE-TX）と車載 Ethernet

く、最も重要な指標の一つである。これまでは、目標の性（100BASE-T1）の差分を示す。

能を満たすように EMC 対策を盛り込んだ電子制御ユニット

1つ目の差分は通信方式とケーブルの本数である。民生（Electronic Control Unit: ECU）やコネクタ（Connector:Ethernet では、送信・受信で1対ずつ、計2対の UnshieldedCON）、ワイヤーハーネス（Wire Harness: W/H）を試

Twisted Pair（UTP: シールドなし撚り対線）を使って片作して、EMC 試験の結果から効果を検証するサイクルを回方向通信を行う。これに対して、車載 Ethernet は Hybridすことが一般的であった。特に ECU においては、試作・検回路と呼ばれる送受信分離回路を導入することで、1対の証サイクルの増加に対する開発工数、コストの影響が大きUTP で双方向通信を可能とした（図1）。これにより、車載

く、効率的な対策検討のスキームが重要となる。

Ethernet はケーブル本数を削減して軽量化と低コスト化を

そこで、我々は ECU、CON、W/H 等の車載 Ethernet 通信システムの物理層モデルを構築し、様々な条件下におけ実現している。
2つ目の差分は符号化とそれに伴う信号帯域である。民2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

19100BASE-TX

3.

100BASE-T1

物理層シミュレーションの構成を図4に示す。

Hybrid回路の導入
TX

C
O
N

RXRXC
O
N

TX

TX
RX

UTP2対4本で片方向通信

図1

CO
N

C
O
N

H
B

物理層シミュレーションの概要

H
B

RX
TX

UTP1対2本で双方向通信

ECU(TX)
PHY(TX)

Front-end
回路

通信方式とケーブル本数の比較
図4

ECU(RX)

外来ノイズ
C
O
N

W/H

C
O
N

Front-end
回路

PHY(RX)

物理層シミュレーションの構成

生 Ethernet は、シンボルレートが125M シンボル／秒である。しかし、2値のパルスで信号を伝送するために連続値

車載 Ethernet 信号の送受信を行う PHY トランシーバモを回避するように5ビットの内4ビットをデータとして扱いデル（PHY モデル）、コモンモードチョークコイル等の受（4B/5B）、100Mbps の通信速度を実現している。一方、動部品や基板上の伝送線路を含む Front-end 回路モデルか

車載 Ethernet では3値のパルス変調方式（PAM3）を用いら構成される2台の車載 Ethernet ECU モデルがある。これて、1シンボルで3値、2シンボルで9値を表現し、その内8らが W/H、CON モデルを介して接続され、通信システム値の3ビットのデータとして扱う符号化技術（3B/2T）をを構成している。これらを Keysight Technologies, Inc. の利用している。これにより、民生 Ethernet の約半分のシンシミュレーションソフトウェア Advanced Design Systemボルレート（66.7M シンボル／秒）でも100Mbps を実現（ADS）で構築した。

しつつ（図2）、車載ラジオなどで使用される FM 帯の電磁放射低減を実現している（図3）。

物理層シミュレーションでは、ADS の解析エンジンを用いて、①信号波形の過渡解析と②通信システム全体及び各構成要素の S パラメータ解析が可能である。例えば、①の過渡解析では、PHY 内部の受信波形をアイパターン※2とし100BASE-TX

100BASE-T1

1

100-1
4/5

125M

[Symbol/s][bit/bit]

外来ノイズを自由に設定できるので、様々な外来ノイズが印加された時の通信システムのイミュニティ性能※1を定量的に評価することができる。さらに、②の S パラメータ解
析によって、通信システム全体及び各構成要素の差動伝送

66.7M

3/2

[Symbol/s]

4B/5B
図2

PAM3て表示することが可能である（図5）。ここで、ユーザーは信号の挿入損失やモード変換（2）などの特性を解析して、①[bit/symbol]のイミュニティ性能の分析と設計改良の検討を行うことが3B/2T可能である。

符号化と信号帯域の比較
外来ノイズ
ノイズ波形【ノイズ波形【入力入力】-20
100BASE-TX

Power (dBm)-30PHY(TX)

100BASE-T1-40

送信波形-50受信波形
受信波形【波形【出力出力】((アイパターンアイパターン))
アイパターン-60-70-80
050100150200

Frequency (MHz)図320PHY(RX)

送信信号の周波数特性比較

車載Ethernet物理層シミュレーション技術

250

図5

時間応答による信号波形の解析例

4.

シミュレーションモデルの構築

①波形
整形

PMD

①

PAM3

3B/2T

PHY(TX)

①波形
補償

3B/2T

PHY 送信（TX）モデルの構築

100BASE-T1における送信ブロックを図6に示す。

②

PAM3について構築手法とその特徴を説明する。
4－1①PHY(RX)PMD

本章では、物理層シミュレーションを構成する各モデル②②
図8100BASE-T1 受信ブロック②

3章で記載したように、物理層シミュレーションでは受信波形のアイパターンで受信性能を評価するため、符号化や変調を行う3B/2T や PAM3ブロックは導入せず、波形の特性図6に寄与する PMD 受信ブロックのみの設計とした。この PMD

100BASE-T1送信ブロック

受信ブロックは信号波形の周波数特性を補償するイコライザなどで構成されるが、PHY 内部の受信波形は測定不可であるため、実測とシミュレーションモデルの整合性を検証でき
100BASE-T1の 信 号 波 形 に 関 連 す る 部 分 は3B/2T、ない。そこで、通信事業者向けの民生 Ethernet 製品実績を

PAM3、PMD ※3ブロックである。各 PHY メーカで共通の持つ当社の知見を活用して、定数の最適化を行った。

3B/2T 及び PAM3ブロックは、ADS でサポートされている4－3基本ブロックを活用した。一方で、信号の波形整形を行う
PMD 送信ブロックは PHY メーカ毎に異なる特性を持ってFront-end 回路 , W/H, CON モデルの構築

これらのモデル化には、各々の特性を示す S パラメータを活用することとした。

いる。そこで、車載 Ethernet の技術資料（3）を参照し、フィ物理層シミュレーションにおける Front-end 回路モデル

ルタなどの波形整形基本回路を検討した上で、各 PHY メーは、基板配線とコモンモードチョークコイルやコンデンサなカの実機波形に整合するように各回路の定数を設定した。

どの各受動部品から構成される。設計レイアウトを取り込時間領域における、ある PHY メーカの実機送信波形と構築

んでそのまま解析できる利点から、電磁界解析ソフトウェした PHY 送信（TX）モデルの送信波形の比較結果を図7にアを活用して、S パラメータを導出しモデル化を行った。

示す。両波形がよく一致していることがわかる。

一方で、W/H と CON に関しては、配策による特性の変化を忠実に表現するために、ベクトルネットワークアナラ
イザ（VNA）※4と VNA 接続用冶具を用いた測定系（図9）3.0ー シミュレーションを構築して、S パラメータを実測した。W/H と CON は差ー 実測動の入出力端子を持つため、4Port での測定となる。

電圧 (V)

2.5

なお、測定値には冶具の影響が含まれるため、ディエン

2.0

ベディング※5による冶具の特性を除去した W/H と CON の1.5

S パラメータからモデル化を行った。

1.00.50510152025

ベクトル
ネットワークアナライザ

30時間 (ns)
図74－2

実機とPHY 送信モデルの整合性検証結果

PHY 受信（RX）モデルの構築

100BASE-T1における受信ブロックを図8に示す。

CON
図9W/H

冶具基板

W/H, CON 測定系

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

21

5.

車載 EMC 試験のシミュレーションと検証例している。SQI 値は値が小さいほど受信信号の信号品質が物理層シミュレーションが、様々な条件下における通信悪いことを示しているため、20～50MHz 付近は信号品質システムの EMC 性能を正しく検証できることを立証すべ

を劣化させるほど大きなノイズ量が、逆に60MHz 以上はく、車載 EMC 試験の実測結果と物理層シミュレーションで信号品質に影響しない程度の小さなノイズ量が PHY に流入計算した結果の整合性を検証することとした。本章では、していることがわかる。シミュレーション結果からも、前その一例として車載 EMC 試験の1つである Bulk Current

記と同様のノイズ量の傾向が確認できることから、実測結Injection（BCI）試験（4）における両結果の整合性検証につ果と非常に高い整合性を示していると言える。また参考結いて述べる。

果として、受信ノイズ量が大きく SQI 値が低いノイズ注入

BCI 試験は、ノイズ発生器から BCI プローブを介して、周波数25MHz 付近と、受信ノイズ量が小さく SQI 値が高W/H にコモンモード（同相）ノイズを注入し、製品の耐性いノイズ注入周波数70MHz 付近の受信波形アイパターンを評価する試験である。図10に示す試験系を電波暗室に構のシミュレーション結果を図13に示す。

築した。今回は車載 Ethernet の W/H に対して、各周波数（1～100MHz）のノイズを注入した時に、EUT（被試験装置）側の PHY が出力する SQI 値※6を実測結果として取得

図11に示す。実機試験に使用した対向機と EUT（図11の開発ボード）は4章で記載した手法により、各モデルを構築した。ノイズを注入する BCI プローブに関しては、W/Hと CON を含めた5Port で S パラメータを測定することで、1つのモデルとして構築した。

12実測結果--- ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ結果-50-60

SQI値

一方、物理層シミュレーションにおける BCI 試験構成を-40

受信ノイズ量 (dB)した。

-70-80-90-10000

電源/GND線

図1220406080

ノイズ注入周波数 (MHz)100

BCI 試験の実測とシミュレーション結果の比較

対向機
EUT

車載Ethernet用
W/H

ノイズ発生器
図10CO
N

W/H

time
(b)ノイズ注入周波数70MHz付近

図13

受信波形アイパターンのシミュレーション結果

結言

開発ボード(RX)BCIノイズFront-end回路

time(a)ノイズ注入周波数25MHz付近

BCI 試験の実機試験系開発ボード(TX)
PHY(TX)BATT LISN

CON

Front-end
回路

PHY(RX)

6.

EMC 対策にかかる工数や開発コストの低減、そして対策

BCIプローブ、W/H・CONを含む5Port S-parameterを実測

部品の最適化を目的として、様々な条件下で通信システム

図11

ン技術を開発した。この技術を用いて、通信システムで活BCI 試験のシミュレーション構成の EMC 性能を効率的に検証できる、物理層シミュレーショ用される当社関連製品（ECU, W/H, CON）の EMC 性能検証と設計改良に向けた対策検証を進めている。今後は IEEEにて規格化が完了した1Gbps や現在策定中の2.5Gbps 以

ノイズ注入周波数が1～100MHz の実測結果とシミュレーション結果を図12に示す。横軸はノイズ注入周波数であり、実線（右縦軸）は PHY の SQI 値（実測値）、点線（左縦軸）は PHY の受信ノイズ量（シミュレーション値）を示

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車載Ethernet物理層シミュレーション技術上の伝送速度を実現する車載 Ethernet への対応を進めていく。

用 語 集 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

参※1（1）	ISO 11898-1：2015, Road vehicles -- Controller area network（CAN）--, Part 1：Data link layer and physical signaling（2）	W. Fan, A. Lu, L. L. Wai, and B. K. Lok,“Mixed-mode S-parametercharacterization of differential structures,”in Proc. 5th Electron.
Packag. Technol. Conf., Dec. 2003, pp.533–537（3）	K.Matheus, T.Koenigseder,“Automotive Ethernet, 2nd ed.,”Cambridge University Press, Cambridge（2017）（4）	ISO 11452-4：2011, Road vehicles – Component test methods
for electrical disturbances from narrowband radiatedelectromagnetic energy --, Part 4：Harness excitation methods

EMC

Electromagnetic Compatibility の略で、電磁両立性のこと。電気・電子機器が動作中に他の機器やシステムに影響を与えず、加えて他の機器などが発する電磁波の影響を受けないことを指し、前者は EMI（Electro MagneticInterference）もしくはエミッション性能と呼ばれ、後者は EMS（Electro Magnetic Susceptibility）も し く は イ
ミュニティ性能と呼ばれる。
※2

考文

献

アイパターン

信号波形を一定時間サンプリングし、重ね書きをした波形を指す。由来は波形を重ね書きした時に生じる中央の開口執部が「目（アイ）」に似ていることから来ている。信号品質

川内偉 博＊ ：自動車新領域研究開発センター

岩田章人：自動車新領域研究開発センター主査

浦山博史：自動車新領域研究開発センター
主席

泉達也：自動車新領域研究開発センター
グループ長

萩原剛志

：㈱オートネットワーク技術研究所室長

高山浩一：自動車新領域研究開発センター部長

筆者 ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

が劣化すると、信号の振幅や時間軸にバラツキが生じることになるので、アイは狭くなる。アイの幅や高さから、定量的に信号品質を評価することができる。
※3

PMD

Physical Medium Dependent の略。光や電気等の伝送媒体に応じて波形の変換や増幅を行う層。
※4

ベクトルネットワークアナライザ

高周波回路網の透過・反射電力といった周波数特性を測定する機器。
※5

ディエンベディング

測定用冶具などの非対象測定物の影響を除去することで、対象測定物のみの特性を抽出する手法。
※6

SQI 値

Signal Quality Indicator の略で、相対的な信号の品質を表す。受信信号を本来のデータである送信信号（Signal）とノイズ（Noise）に分離し、その比 :SNR（Signal NoiseRatio）が算出され、その値に応じた SQI 値が出力される。
一般的に、SQI 値が大きい程、ノイズが少なく信号品質が良好であることを示す。

・Ethernet は富士ゼロックス株式会社の登録商標です。

ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー＊主執筆者

2019 年 1 月・S E I テクニカルレビュー・第 194 号

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