【汽車以太網測試】系列之一： 全雙工通信帶來測試挑戰，泰克信號分割法讓你獨具慧眼

隨著汽車行業加快轉向汽車以太網技術，全方位設計驗證對保證多個ECU之間的互操作能力和可靠運行至關重要。汽車以太網概念是由OPEN聯盟SIG提出來的，也叫IEEE 802.3bw (原BroadR-Reach)，是為汽車聯網應用設計的一種以太網物理層標準，如高級安全功能、舒適和信息娛樂功能。通過汽車以太網，多個車載系統可以經過一條非屏蔽單絞線電纜同時訪問信息。對汽車制造商來說，這一技術降低了聯網成本和線纜重量，同時提高了信號帶寬。

為實現更高的信號帶寬，汽車以太網在雙絞線電纜上采用全雙工通信鏈路，支持同時收發功能及PAM3信令。采用PAM3實現全雙工通信，可能會令查看汽車以太網業務及信號完整性測試變得非常復雜。

OPEN聯盟為元器件、信道和互操作能力制訂了汽車以太網測試規范。測試系統整合了電子控制單元(ECU)、連接器和非雙絞線電纜。測試要求系統在車內苛刻的環境條件和噪聲條件下工作。為此，用戶必需能夠在系統級表征和查看信號完整性和業務，才能執行可靠性測試。客戶需要在系統級進行信號完整性測試的應用實例有：

? TC8信號質量測試

? ECU元器件表征和測試

? 汽車以太網電纜、連接器、電纜長度和路由表征和測試

? 電磁噪聲或高斯噪聲測試

? 大電流注入測試

? 生產單元測試

? 汽車系統對汽車以太網性能的影響

-    DC馬達開/關

-    發動機開/關

? 汽車以太網系統調試

泰克建議在設計階段執行信號完整性測試，在系統整合前確定潛在的問題。

圖1：汽車以太網全雙工通信鏈條。

全雙工通信和測試挑戰

全雙工通信及PAM3信令為在真實世界條件下驗證ECU增加了復雜度。大多數串行標準都在單工模式下工作，一次只有一臺設備通信，有些通信標準對發送和接收使用一條單獨的鏈路，而在汽車以太網中，主設備和從設備可以通過同一條鏈路同時通信。(參見圖1)

因此，來自主設備的信號與來自從設備的信號相互疊加。主設備知道它發送的是哪些數據，它可以從疊加的信號中確定從設備的信號，反之亦然。盡管收發機是為處理這種情況而設計的，但在示波器上隔離信號，進行信號完整性測試或協議解碼幾乎是不可能的。

主信號與從信號沒有分開時看到的汽車以太網信號。

為了在鏈路上進行信號完整性分析，使用示波器在實際系統環境中進行協議解碼，汽車設計人員必需分開查看每條鏈路，用戶必須先把信號分開，然后再進行分析。

應該指出的是，最好在汽車整合階段執行信號完整性測試，選擇電纜、檢查ECU在電磁噪聲條件下的性能，確定最優的電纜長度和路由等。對這類分析，可以把眼圖測試作為非常重要的工具，來查看系統健康狀況，我們在后面將對此展開討論。

分隔汽車以太網PAM3信號

目前，有兩種方法把主信號與從信號分開。第一種是傳統方法，要求用戶斷開或剪斷汽車以太網電纜，插入定向耦合器來分隔和測試信號。這種方法在以最小干擾實現準確測試方面本身存在著缺陷。第二種方法也就是泰克信號分隔方法，這是一種新方法，采用先進的軟件和探頭，非插入式分隔信號，用戶可以更清楚地查看真實的信號。這種方法克服了傳統定向耦合器方法的缺點。下面我們將討論并比較這兩種方法。

?   定向耦合方法

如前所述，定向耦合器方法要求斷開汽車以太網電纜，輸入定向耦合器分隔信號。在系統級剪斷電纜并不是一件易事，因此這種方法并不適合進行系統級測試。

通過這種方法，用戶可以查看主信號和從信號，但它引入了插損和回損，很難確定錯誤是系統引起的，還是新增硬件引起的。此外，盡管我們可能能夠消除定向耦合器的影響，但反嵌可能會放大系統中的噪聲，影響測量和表征精度。

定向耦合器方法

主信號的眼圖顯示了定向耦合器插損和回損的影響。

我們使用的設置包括把汽車以太網轉換到SMA連接器的夾具、定向耦合器、把SMA轉換到汽車以太網電纜的夾具。

眼圖顯示了在安裝定向耦合器后插損和回損對汽車以太網信號的影響。最大幅度是100 mVpp，因為定向耦合器采用定向原理工作，插損和回損結果使眼圖閉合。直到最近，定向耦合器方法一直是默認的汽車以太網測試方法，因為之前一直沒有泰克基于軟件的信號分隔測試方法。

?   泰克信號分隔方法

泰克信號分隔方法于2019年7月問世，它同時從主測試點和從測試點查看電壓波形和電流波形，來分隔全雙工信號，并采用專有軟件算法提供分隔后的信號。泰克信號分隔方法是一種基于軟件的解決方案，它不用剪斷汽車以太網電纜，用戶就能看到真實信號。這種方法的優勢之一，是它可以顯示主信號和從信號，而不會像定向耦合器方法那樣增加插損和回損及反嵌影響。

泰克信號分隔方法。

下面的眼圖采用泰克信號分隔軟件。與定向耦合器眼圖相比，信號質量更高，眼圖“更清楚”。用戶可以準確地表示汽車以太網信號，實現信號質量測量，并能夠更快地確定潛在的性能問題。

采用泰克信號分隔軟件的主信號的眼圖。

信號分隔方法與定向耦合方法比較

我們使用上面提到的兩種測試方法，進行測量測試，對比測試結果。

在測試中，我們先使用泰克信號分隔技術、一只電流探頭和電壓探頭設置和運行測試。對定向耦合器方法，我們剪斷汽車以太網電纜，插入帶有SMA連接器的定向耦合器。然后我們運行測試，測試條件與定向耦合器方法相同，然后調用信號分隔方法波形，對比這兩種測試方法。

泰克信號分隔方法和定向耦合方法的測試結果對比。

比較結果顯示，這兩種方法的幅度存在著明顯差異，說明了定向耦合器的影響。在采用定向耦合器方法時，主信號的幅度約為90 mVpp (峰峰值電壓)，從信號的幅度約為85 mVpp。相比之下，信號分隔方法中主信號的幅度約為1.5 Vpp，從信號的幅度約為1.45 Vpp。在本例中，定向耦合器增加了20 dB損耗。

為消除定向耦合器引入的斷點，反嵌必不可少，以補償插損和回損。如前所述，盡管有可能能夠消除定向耦合器的影響，但反嵌可能會放大系統中的噪聲，影響測量和表征精度。還應該指出，反嵌可能會耗用很長時間，極具挑戰性。此外，對汽車的系統級測試和維護保養來說，剪斷電纜、安裝定向耦合器可能會極具挑戰性。

相比之下，信號分隔方法不用干擾系統就能顯示真實信號。通過這種全新的汽車以太網測試方法，用戶可以表征信號，精度更高，時間更少，而且不會增加費用和測量挑戰。用戶可以使用這種方法，在系統級執行信號完整性測試，執行應用環境中提供的所有測試。

小結

本文介紹了汽車以太網、全雙工通信、隔離主信號與從信號的需求、信號分隔測試方法，以及當前定向耦合器插入方法與泰克新型信號隔離方法比較。

通過比較兩種汽車以太網測試方法，可以了解泰克信號分隔解決方案的優勢，如比定向耦合器信號方法更準確地查看真實信號，簡化了元器件級和系統級測試設置，縮短了測試時間，滿足了汽車整個生命周期的測試需要。