車載Ethernet 100/1000Base-T1測定とプロトコル・デコード手法
宮崎 強
アプリケーション・エンジニア
オートモーティブWEBセミナ 2DAYS
17 SEPTEMBER 2020

本日の内容
車載ETHERNET 100/1000BASE-T1 測定とプロトコル・デコード手法• 車載用の新しいシリアル通信規格とトレンド• 車載用 Ethernet 規格とコンプライアンス・テスト• PAM3 アイ・ダイアグラム試験の課題と解決方法• プロトコル・デコード• まとめ

出典： Dr. Kai Richter and Jonas Diemer of Symtavision and Daniel Thiele, Philip Axer andDr. Rolf Ernst of Technische Universität Braunschweig

17 SEPTEMBER 2020

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車載用の新しいシリアル通信規格とトレンド

自律走行、コネクティビティ、電化、シェアでもたらされる革命
A 自律走行（Autonomous）で求められる優れたセンサ
C コネクティビティ（Connectivity）で実現される新しい車載通信
E 電化（Electrification）で求められる新しいパワートレイン技術S シェア（Shared）モビリティで求められる新しい規格、試験
CASE
17 SEPTEMBER 2020

44

車載用の新しいシリアル通信規格
トレンド

• 標準化

• 全二重シグナリング• 変調信号（ PAM3 / PAM4 / PAM8 /PAM16 ）新規格• 10BASE-T1 (IEEE 10Mbps)• 10GBASE-T1 (IEEE 10Gbps)• A-PHY (MIPI 12Gbps)• HDBASE-T (1-6Gbps)

Source: Brösse, BMW, March 2018

• 25G Ethernet• 車載用光Ethernet

Source: Dr. Kirsten Matheus, AEC-2019 presentation

17 SEPTEMBER 2020

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車載用Ethernet規格の概要とコンプライアンス・テスト

車載用 Ethernet 規格• 業界アライアンス（OABR）によって発行された、IEEE Ethernetの派生規格（BroadR-Reach）• IEEEは、独自の規格として100BASE-T1 (P802.3bwTM) 、1000BASE-T1 (802.3bpTM) 規格を発行• 初期展開は100Mbps、1Gbpsに注力し、10Gbpsは初期段階の開発中• 自動車用途、低コストのために設計された、シールドなし、シングル・ツイスト・ペア・ケーブル• 100Base-T1/1000Base-T1はPAM3変調を採用：低速の立上り時間、EMIの低減• 全二重通信：ケーブルの削減と有効帯域の向上

100BASE-TX

自動車環境、低コストのために設計された、シールドなし、シングル・ツイスト・ペア・ケーブル
17 SEPTEMBER 2020

MLT3

BRR/100BASE-T1

PAM3
UTPC

7

車載用 Ethernet の試験要件
CANから車載用Ethernetへ
OSI

CAN

7. アプリケーション層 アプリケーション

プロトコル
試験

OSI

車載用Ethernet

7. アプリケーション層

アプリケーション

プロトコル適合性試験

6. プレゼンテーション層

6. プレゼンテーション層
5. セッション層

プロトコル・デコード、タイミン
グ測定

4. トランスポート層
3. ネットワーク層
2. データリンク層

DLL

1. 物理層PHY

17 SEPTEMBER 2020

アイ・ダイアグラム

5. セッション層
4. トランスポート層

TCP/UDP

3. ネットワーク層

IP

2. データリンク層

ネットワーク・アクセス

1. 物理層100/1000BASE-T1

プロトコル・デProtocolコード、タイミン
Decodeグ測定

アイ・ダイアグラム、
コンプライアンス

8

IVN – ネットワーク・レイヤと評価機器
Layer 7Layer 6Layer 5Layer 4Layer 3Layer 2
Layer 1

17 SEPTEMBER 20209

統合ソリューションの例
Tektronix ファンクション・ジェネレータ
Tektronix 6シリーズMSO オシロスコープ

Intrepid CS Rad-Moon 、AVB/TSN neoECU
Spirent C50

17 SEPTEMBER 202010

テクトロニクスのテスト・ソリューション
5/6-CMAUTOEN、OPT.BRR（車載イーサネット・コンプライアンス・テスト）• MSO5/6シリーズなどのオプション・ソフトウェア

ウィザードによる自動テスト

取り込み中または以前に保存した波形でテスト

テスト規格を選択

17 SEPTEMBER 2020

11

車載用 Ethernet の PMA 適合性試験• PHY Media Attachment 適合性試験• PHY 試験のモード構成は、PHYのベンダが提供• トランシーバの PHY 電気試験は以下の項目を含む◦ 最大出力ドループ◦ タイミング・ジッタ（マスタ／スレーブ）◦ MDI 出力ジッタ◦ 歪み◦ パワー・スペクトラム密度◦ クロック周波数◦ ピーク差動出力◦ MDI リターン・ロス◦ MDI モード・コンバージョン・ロス
コンプライアンス・テスト・ソフトウェア
17 SEPTEMBER 202012

100BASE-T1 compliance
100BASE-T1 Electrical Measurement
Measurement

Test Mode Pin

Test Pattern

Spec

Instrument

Tx Droop
Measurement

1

BI_DA Transmit fifteen {+1} symbols followed by fifteen {–1}symbols continually

最初のピークから
500ns 後のDroopが 45%未満

Tx Distortion
Measurement

4<15mV

Clock Jitter (Master)2

BI_DA Transmit the sequence of symbols generated by thescrambler generator polynomial per Equation (97–12)
when in test mode 4, 40us long
BI_DAFrequency reduced version of Transmit symbol clock

Clock Jitter (Slave)3

BI_DA Frequency reduced version of Transmit symbol clock

Tx Power spectral
Density (PSD)

5

BI_DA Sequence of -1, 0, +1

Scope

Scope+ AWG

Scope
RMS Jitter <50ps (Master)
Scope
RMS Jitter <150ps (Slave)

Freq

PSD Upper

PSD Lower@1MHz@20MHz@40MHz-63.3 dBm/Hz-64.8 dBm/Hz-68.5dBm/Hz-70.9dBm/Hz-75.8dBm/Hz-89.2dBm/Hz

57MHz -200MHz -76.5dBm/Hz<2.2Vpp

Tx Peak Diff output

5

BI_DA

Tx Clock Frequency

2

BI_DA +1, -1 Clock sequence

66.66 MHz ± 100ppm

Scope

Scope
Scope

MDI
MDI Return Loss (S11)

BI_DA

Rx mode (Slave)

MDI Mode Conversion
loss (Sdc11)

BI_DA

Rx mode (Slave)

17 SEPTEMBER 2020

below -20dB (1-30MHz)
20 - 20log10(f/30) dB (30-66MHz)≧43dB (1MHz-33MHz)≧43dB－20 log(f/33)dB (33MHz-200MHz)

Scope+AWG/VNA
VNA

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1000BASE-T1 compliance
1000BASE- T1 Electrical Measurement
Measurement

Test
ModeTx Droop Measurement
6PinSpec

Test Pattern

Instrument

BI_DA Transmit fifteen {+1} symbols followed by fifteen ゼロ・クロス・エッジから4ns後を基準に、ゼロ・クロ Scope{–1} symbols continually
ス・エッジから16ns後のDroopが10% 未満

Tx Distortion
Measurement

4

BI_DA Transmit the sequence of symbols generated by
the scrambler generator polynomial when in test
mode 4, 40us long

<15 mV

Tx_TCLK125 Jitter(Master)
Tx_TCLK125 Jitter(Slave)
MDI_output_Jitter1<5ps RMS, <50ps pp

Scope<10ps RMS, <100ps pp

Scope<5ps RMS, <50ps pp

Scope

Tx PSD

5BI_DA Frequency reduced version of Transmit symbol
cloclk
BI_DA Frequency reduced version of Transmit symbol
clock
BI_DA Transmit three {+1} symbols followed by three {–1} symbols continually
BI_DA Sequence of -1, 0, +1

1

2

Scope+ AWG

Freq

PSD Upper

PSD Lower

0 to 100MHz
100 to 400MHz-80 dBm/Hz-76-f/25 dBm/Hz-86 dBm/Hz-82-f/25 dBm/Hz

400 to 600MHz

Scope
Scope

Tx Peak Diff output

5BI_DA Sequence of -1, 0, +1-85.6-f/62.5 dBm/Hz<1.3Vpp

Tx Clock Frequency

2

BI_DA +1, -1 Clock sequence

750MHz +- 100ppm

ScopeMDI
MDI Return Loss (S11)

BI_DA Rx mode (Slave)

MDI Mode Conversion loss(Sdc11)

BI_DA Rx mode (Slave)

17 SEPTEMBER 2020

below 44dB (1-75MHz) ,26-20log(f/600)dB (75-600MHz)
Below 61dB (10MHz-80MHz) ,83dB－11.51 log(f)dB (80MHz-600MHz)

Scope +AWG/VNA
VNA

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5/6-CMAUTOEN による測定の流れ
ポップアップ・メッセージによるガイド• 複数の測定項目を選択した場合◦ 実行中に表示されたポップアップ画面の指示に応じて、テスト・モード信号と接続を変更◦ ソフトウェアがオシロスコープのスケールを自動設定

17 SEPTEMBER 202015

Transmitter Power Spectral Density（PSD）
5/6-CMAUTOEN、OPT.BRR （車載イーサネット・コンプライアンス・テスト）• オシロスコープを使用してPSDを測定し、マスク・テスト• 規定のマスクに違反しないことを確認• 縦軸はdBmとdBm/Hzの両方をサポート◦Configureメニューで選択
IEEE：dBm/Hz、BroadR-Reach：dBm◦RBWは10kHzで測定

100Base-T1のPSD測定例

17 SEPTEMBER 202016

Droop5/6-CMAUTOEN、OPT.BRR• Test mode 1 の信号を使用（100Base-T1）• オシロスコープを使用してDroopを測定◦ パルスの立上りのピークから500ns後のDroopが45%未満であることを確認◦ 負極性についても同様に立下りのピークから500ns後のDroopが45%未満であることを確認• 複数ヵ所測定した生データもCSVで自動保存

17 SEPTEMBER 2020

17

MDI Return Loss
5/6-CMAUTOEN、OPT.BRR （車載イーサネット・コンプライアンス・テスト）• 100Base-T1 MDI Return Loss測定◦コネクタに注目した測定であって、ケーブルの評価ではない◦VNAあるいはオシロスコープによる測定◦1MHz～30MHz：20dB以上
30MHz～66MHz：20-20*log10(f/30) dB以上
◦テクトロニクスでは、オシロスコープと任意信号発生器を使用して測定▪ フィクスチャを使用してOpen、Short、Loadで校正▪ VNAが不要のため、操作が容易かつロー・コスト▪ 規定のマスクに違反しないことを確認

17 SEPTEMBER 2020

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VNAによるMDI Return Loss測定
5/6-CMAUTOEN、OPT.BRR （車載イーサネット・コンプライアンス・テスト）• VNAによる100Base-T1／1000Base-T1 MDI Return Loss測定◦ TTR503A型またはTTR506A型 VNA◦ フィクスチャ TF-XGbT＋Balunを使用
TTR500AシリーズVNA

17 SEPTEMBER 2020

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100Base-T1／1000Base-T1信号への接続
コンプライアンス・テスト用プローブおよびテスト・フィクスチャ

TDP3500型・TDP1500型差動プローブ

変換ケーブルTF-XGbT Fixture
17 SEPTEMBER 2020

Clock Divider
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参考：RJ-45による被測定回路とフィクスチャの接続• カテゴリ6A/7/7Aのストレート・ケーブル（B配線）を10cm程度にカット• リッツ線より単線タイプがお勧め（ツイストを極力ほどかないで維持）• B配線の場合、オレンジ（2番ピン）が負、白（1番ピン）が正◦ （A配線の場合は、緑と白）• 被測定回路への接続は、半田付け、あるいはピンヘッダ用QIコネクタなど

QIコネクタの接続
17 SEPTEMBER 2020

半田付けによる接続例 変換ケーブルによる接続例

RJ-45のピン配列
21

アイ・ダイアグラム試験の課題と解決方法

アイ・ダイアグラム試験の課題 － 1
全二重通信• 電圧プローブの信号◦ TxとRxが重畳されているためアイ・ダイアグラムにならない

アイが密集している
TxとRxが重畳されている

マルチ・レベルの信号

17 SEPTEMBER 202023

アイ・ダイアグラム試験の課題 － 2
従来の方法• 方向性結合器• 課題：◦ ケーブルの途中に直列に挿入する必要（変換コネクタも必要）◦ 抽出される信号は、元の振幅の約10分の1の小振幅になるため、シグナル・インテグリティ試験のための真の信号にはならない。(20dB減衰）◦ 挿入損失、反射、モード変換損失

17 SEPTEMBER 202024

最新の信号分離方法• 電圧プローブと電流プローブを使用した、テクトロニクス独自（特許申請済）のソフトウェアによる車載用信号分離ソリューション
• 電流波形と電圧波形を使用した、独自の方法による全二重信号の分離• ダイレクト・アクセス・プロービングにより、ECUシステムに負荷をかけない• マスタとスレーブに分離した信号を供給◦ Tx信号とRx信号を分離抽出◦ ソフトウェア・クロック・リカバリ

17 SEPTEMBER 202025

テクトロニクスのソリューション

全二重信号

分離前

PAM3 信号ソフトウェアによる分離後

17 SEPTEMBER 202026

Tektronixのソリューション
5/6-AUTOEN-SS、5/6-PAM3• 100BASE-T1 および 1000BASE-T1に対応• フィルタおよびイコライザをサポート

TxRx分離とPAM3計測ソフトウェア

17 SEPTEMBER 2020

27

PAM3 の解析
5/6-AUTOEN-SS、5/6-PAM3• ソフトウェア・クロック・リカバリ• PAM3 のアイの高さと幅• PAM3 のリニアリティ• ジッタ計測と分離（Rj、Dj）• バスタブ曲線（BER）• アイ・マスク試験

TxRx分離とPAM3計測ソフトウェア
17 SEPTEMBER 202028

PAM3 の解析レポート
5/6-AUTOEN-SS、5/6-PAM3• 測定値、パス／フェイルの一覧、リミット値、プロットによる詳細なレポート

17 SEPTEMBER 202029

100Base-T1 プロトコル・デコード

プロトコル・デコード
5/6-SRAUTOEN1

サーチ・オプション

全二重のプロト
コル・デコード

17 SEPTEMBER 202031

信号分離ソリューション
5/6-AUTOEN-BND（バンドル・パッケージ）

アイ・ダイ
アグラム

プロトコル・
デコード・テーブル

プロトコル・
デコード

17 SEPTEMBER 2020

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車載用 Ethernet のテスト・セットアップ
Near end Eye Diagram

Far end Eye Diagram

17 SEPTEMBER 202033

テクトロニクスの信号分離方法の特長
ソフトウェアによる信号分離• 挿入損失なしに実動作の信号を観測できるため、診断確度を向上• テスト・セットアップが簡単なため、トータルの試験時間を短縮可能• プロトコルと物理層が1つのウィンドウに表示されるため、迅速なデバッグが可能• 設計から保守までのすべての自動車の評価ステージに対応した使いやすさ

17 SEPTEMBER 2020

34

車載用 Ethernet 評価ソリューション
OSI

車載用
Ethernet

7. アプリケーション層

アプリケーション

6. プレゼンテーション層

L1～L7
適合性試験

プロトコル・デコード、タイミン
グ測定

5. セッション層

4. トランスポート層

TCP/UDP

3. ネットワーク層

IP

2. データリンク層

ネットワーク・アクセス

1. 物理層100/1000BASE-T1
アイ・ダイアグラム、適合性

17 SEPTEMBER 2020

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Tx/Rx分離、PAM3評価、プロトコル・デコード用機器構成• オシロスコープ: 5または6 シリーズ MSO◦ 周波数帯域1 GHz 以上を推奨 (100BASEｰT1（1000Base-T1は2GHz以上)• ソフトウェア:◦ 5/6-AUTOEN-SS: Tx、Rx信号分離◦ 5/6-PAM3: PAM3 信号解析 (5/6-AUTOEN-SS, DPOJETが必要)◦ 5/6-SRAUTOEN1: 100BASE-T1 Protocol Decode◦ 5/6-AUTOEN-BND: バンドル・パッケージ(信号分離、PAM3解析、Protocol Decode、コンプライアンス・テストを含む）• プローブ: TDP1500 (1本 または2本 ): 差動プローブ（100Base-T1）
P6022またはTCP0030A (1本 または2本): 電流プローブ（100Base-T1）

TDP3500 (1本 または2本 ): 差動プローブ（1000Base-T1）
CT6 (1本 または2本): 電流プローブ (1000Base-T1） オシロスコープ• フィクスチャ: ECU に依存

17 SEPTEMBER 2020

5/6シリーズMSO

オシロスコープのオプション

プローブ

周波数帯域：1GHz/2GHz以上、ウィンドウズ、5/6-AUTOEN-SS、5/6-PAM3、5/6-SRAUTOEN1

TDP1500型/TDP3500型
P6022型/TCP0030A/ CT6フィクスチャ
ECU に依存36

車載用 Ethernet コンプライアンス・テスト・ソリューション
• オシロスコープ：5/6シリーズMSO、MSO/DPO5KB、DPO7KC/70KC◦ 周波数帯域： 1GHz 以上 (100BASET1)◦ 周波数帯域： 2GHz 以上 (1000BASET1)• ソフトウェア：◦ 5/6-CMAUTOEN：1000BASE-T1/100BASE-T1コンプライアンス◦ 5/6-DJA：オプションの拡張ジッタ解析ソフトウェア（省略可能）• プローブ：TDP1500型（1本） － 100BASET1、RLでは2本
TDP3500型（1本） － 1000BASET1、RLでは2本• シグナル・ジェネレータ：AFG3152C型/AFG31152型（100Base-T1）
AWG5200シリーズ（1000Base-T1）• フィクスチャ：新製品 TF-XGbT Ethernet テスト・フィクスチャ
TF-BRR-CFD Clock divider
オシロスコープ

オシロスコープのオプション

プローブ

フィクスチャ 1

フィクスチャ 2

ジェネレータ

5/6 シリーズ

周波数帯域：2GHz、ウィンドウズ、
5/6-SR AUTO、5/6-DJA、5/6CMAUTOEN

TDP1500型、 TDP3500型

TF-XGbT

TF-BRR-CFD

AFG31152型

DPO5K/7K/70K

周波数帯域：2GHz以上、BRR、DJA、SR-AUTO

TDP1500型、 TDP3500型（VPI コネクタ）

TF-XGbT

TF-BRR-CFD

AFG31152型

17 SEPTEMBER 2020

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参考：BCI イミュニティ試験のデバッグ
ISO 11452-4• RF Injection電流で注入されたコモン・モード・ノイズの実際の電圧振幅を測定• コモン・モードから変換されたノイズの差動成分を測定◦ Common Mode Chokeの効果などを評価◦ IsoVu® の高いCMRRと高いノイズ耐性が効果的▪ 従来型プローブだと近くに置くだけでノイズを拾う

Sdc ≒ Vdiff／Vcom

17 SEPTEMBER 2020

IsoVu®
光絶縁型プローブ

IsoVu
GroundPlaneRF
Monitoring
Probe

100Base-T1/1000Base-T1
Transceiver

Bulk Current
Injection
Probe

From RFInjection(SG & Amplifier& Coupler)

100Base-T1/
1000Base-T1
Transceiver

To Level Monitor(SpectrumAnalyzer)38

参考：10BASE-T1S の概要
10BASE-T1S

100BASE-T1

1000BASE-T1

NGBASE-T1

データ・レート

10Mbps100Mbps

1Gbps

2.5/5/10Gbps

シンボル・レート

12.5MHz66.66MHz

750MHz1.4/2.8/5.6 GHz

コーディング

4B/5B, Differential
Manchester
Encoding

PAM3

PAM3

PAM4

電圧振幅

1Vpp

2.2Vpp1.3Vpp1.3Vpp

通信方式

Half Duplex

Full Duplex

Full Duplex

Full Duplex

トポロジー

Point to Point orMultidrop

Point to Point

Point to Point

Point to Point

ケーブル長15m/25m

15m15m15m

17 SEPTEMBER 2020

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参考：10Base-T1S コンプライアンス・テスト
Wizard-based
automation

Point to Point orMultidrop

10/100/1000BASE-T1

17 SEPTEMBER 2020

40

まとめ

まとめ
車載ETHERNET 100/1000BASE-T1測定とプロトコル・デコード手法• CASE (自律走行、コネクティビティ、電化、シェア)が車載Ethernetを牽引• 車載Ethernetの評価では、コンプライアンス・テストとTx、Rx分離がキー• コンプライアンス・テストは、テスト・モード信号で実施• アイ・ダイアグラム評価やプロトコル・デコードでは全二重通信のTxRx分離が必須• 方向性結合器による従来のTxRx分離手法は、信号品質評価に課題あり• 直列挿入、コネクタ変換、20dB減衰の抽出など• 差動電圧プローブと電流プローブ波形とソフトウェアによるTxRx分離は信号評価に最適• 元の振幅のまま評価。実車内の狭いスペースでも使用可能。

• BCIなどのイミュニティ試験のデバッグにはIsoVu光絶縁型プローブが最適

17 SEPTEMBER 202042

計測課題のご相談、デモ、実機評価のご案内
本日はご聴講ありがとうございました。
本日の内容に関して、以下のメニューを用意しています。
✓計測課題のご相談✓デモ✓実機評価 (お客様の被測定物での計測にも対応可能）◦ オンライン会議形式、面談形式いずれも可能です。
◦ お申し込みはアンケートにご記入ください。
◦ 後日Email、電話でも承ります。
Eメールでのお申込み
ccc.jp@tektronix.com
電話でのお申込み (月曜日～金曜日）
0120-441-046
17 SEPTEMBER 202043

本テキストの無断複製、転載を禁じます
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