訊號傳遞/量測/校正眉角多　汽車乙太網路測試看門道

因此，車用網路也由較簡單的架構演變為更複雜的脈絡，傳輸頻寬的需求越來越大，高頻通道的特性就更為重要。

為了符合更快速、穩定的傳輸效率，Open Alliance為物理層傳輸通道Cable/Connector訂定了TC-2-100Base以及TC-9-1000Base的RF測試規範，並允許非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pair, UTP)作為Standalone Communication Channel(SCC)、Whole Communication Channel(WCC)使用。

本文主要討論的樣品種類與測試項目皆為TC-9，內容包含Connector、Cable/Channel和WCC等量測項目的探討與纜線成品製作注意事項，以及對於量測儀器與治具本身的規格要求。

TC-9量測項目探討

其對於頻率範圍的要求在1~600MHz，測試分類如表1、表2、表3所示。

上述獨立通訊通道(Standalone Communication Channel, SCC)的量測項目LCL、LCTL屬於Common Mode Conversion，其他四項是在高頻測試中比較常見的項目：差分特性阻抗(Characteristic Impedance)、傳輸延遲(Propagation Delay)、插入損耗(Insertion Loss)、反射損耗(Return Loss)。

在Cable Insertion Loss的規範中有定義最大長度10m及15m的規格，並依據實際測試樣品有浮動規格線。須注意的是，製造商在開發的過程中，因為可能會有Inline Connector的需求，在評估線損時也必須將Connector Loss考慮進去；另外，由於TDR的量測會隨著時間越長產生失真(波形上飄)，因此規範對於電纜的Impedance Evaluation Window定義在0.5m至1.5m之間。

而在一個複合式的傳輸環境中，訊號的傳遞不能只單一考量自身的通道特性，不同的差動訊號對(Differential Pair)之間相互影響都可能會造成訊號的失真，因此當終端產品為Multi Lane時，除了SCC以外還必須考量到整個系統環境(Environment System, ES)的相互串擾(表4)。

纜線成品製作注意事項

Common Mode Noise

在談到雜訊之前，首先要有的概念是：「通道是被動元件，不可能會有Noise的產生」，那麼Noise又從何而來？

雜訊主要是來自於訊號源以及外在環境，訊號源的訊號強度及潔淨度在IC的設計、封裝時早已確定，而身為高速通道的PCB Design、Cable、Connector能做的，就是要替訊號傳遞保持良好的傳輸環境，否則將成為雜訊的溫床。

Common Mode Noise的產生在高頻電路中是無可避免的，因為線路中有太多的不匹配，包含走線、材料、折角、時滯(Skew)等，隨著傳輸頻率的增加、大功率供電與資料同步傳輸，若在設計時Differential Signal無法有效的相互抵銷，就很容易造成雜訊的產生。 藉由表4的測項中可以理解到，Car Ethernet與一般家用的數據、影音傳輸線在Common Mode Noise考量上略有差異的部分，除了Longitudinal Conversion Transfer Loss(LCTL)為人們所熟悉的C2D/D2C之外，更是加入了Longitudinal Conversion Loss(LCL)，其參數為SDC11/SDC22)的反射轉換參數。這是因為所有的IC、車用電裝品、線束都在有限的空間中同時作動，若只考量到遠端變異是不夠的，當雜訊遇到不連續面反射時，很容易在訊號源端造成發散，進而影響其他控制訊號的正確傳送/接收。

事實上，在車體移動的過程中存在很多可能發生的雜訊干擾(圖1)，生活中較常見的外部干擾源包含如下：

・人工雜訊

其中Intentional包含廣播電台、手機基地台、雷達站、遙控器等；Unintentional則包括電廠/塔、變電站、高壓電等。

・自然雜訊

如Electrostatic Discharge以及Thunder Strike等等。

至於車內干擾主要分為輻射干擾、傳導干擾(包含暫態充放電行為)，以及靜電放電。

電纜導體趨膚效應與訊號完整性

人們都知道，當訊號傳遞頻率變高會使導體中心的電阻增加，這個時候導體中的電流會聚集於導體表面，這個現象稱為趨膚效應(Skin Effect)，隨著頻率的變化，趨膚效應的深度也會改變，以最常見的銅導體材料來說，其對應關係如表5所示。

正因如此，所以在產品設計初期，走線、端子轉折型態、材料、加工都必須納入考量範圍，否則當訊號產生反射或損耗的時候會造成訊號間的干擾與失真。維護訊號完整性(Signal Integrity)的根源在於特徵阻抗(Characteristic Impedance)，當特徵阻抗的不連續面越大，訊號越容易在通道中反射、延遲甚至造成訊號時滯，這些都是在傳輸過程中不希望遇到的情形。若以微帶線(Micro Strip)來說，其中的差分訊號因趨膚效應與庫倫力的影響，電荷會聚集在靠近線對之間的位置；反之當有共模訊號在微帶線中，電流則會在線對兩旁，因此更容易造成輻射干擾。在解決訊號完整性的問題，一般常見的做法包括：降低時滯、確認走線設計中是否有截線(Stub)、減小迴路面積、增加/優化屏蔽、加工是否優良，以及是否需加共模扼流圈等。
共模扼流圈即是在線材外被加上一個電感，對差分訊號來說在通道中傳輸時磁場方向相反，磁通量相消，等同於無阻抗線圈，不過當同模訊號流過時、由於磁通量增加為兩倍，因此形成高阻抗線圈抑制雜訊(圖2)。

為了得到精確的量測結果，不論是測試環境或是治具特性都有一定程度的要求，值得一提的是，線材最大組件長度為15m並允許最多附帶4顆串接連接器(圖3)，若是待測物以不正常的捲線狀態擺放或是測試平台為導電材質，都可能造成在測試過程中待測物受到訊號干擾進而影響量測數據，因此在測試時均需使用特殊設計的導電平台(Conductive Plate)或導電桶(Conductive Drum)，如圖3所示，並依TC-2/TC-9規範固定區間擺放樣品電纜待測物(Cable Under Test, CUT)。

量測治具規格要求

量測治具(Measurement Fixtures)

量測治具基本要求：低插入損失、差動線高頻訊號對稱性及良好的阻抗匹配。

阻抗匹配與終端電阻(Impedances and Termination)

Car-Ethernet量測治具的阻抗要求相較於商用產品嚴格(表6)：在不包含連接器的治具要求為100±5%Ω，唯獨於SMA Connector的部分允許於阻抗在100±10%Ω內，且持續時間不得超出120ps的單次偏移(Round Trip)。

高頻訊號差動走線對稱性(Balance)

量測治具不僅要求高頻訊號之差動走線長度須<30mm，並且對於此訊號走線的對稱性用以LCL(Sdc11)參數來判斷(表7)。至於實際量測結果則如圖4所示。

直立式導電桶(Conductive Drum)

由於Cable可能達到15m的長度，加上測試規範對於Common Mode & Differential Mode Noise的要求嚴苛，在量測環境也有許多限制，包含Isolation的厚度、Isolation相對介電常數<1.4、Cable/Cable Assembly的擺放方式等，皆是為了防止待測物在電磁場互相干擾的情況下取得最精準的測試數據(圖5)。

當要量測15m長度的Cable時，一般的導電桌面可能會造成量測人員的操作困難。因此，可以使用導電桶(Conductive Drum)的方式達到縮小量測面積。為了服務有意加入Car-Ethernet的客戶，有測試實驗室如百佳泰降低量測門檻，並使Car-Ethernet能夠迅速發展，該公司特別製作實用性質高的Conductive Drum(符合TC-2/9量測)(圖6)。

設備校正與設備延伸環境要求

TC9對於產品(待測物)的雜訊、反射損耗要求相當高。在設備本身校準完成後，還需要透過Mode Conversion和Return Loss等量測參數以確保量測環境是否符合需求；相對地，若是在設備本身與設備延伸量測環境雜訊過大的情形下進行量測，則會造成量測結果失真進而影響測試結果的準確性，不僅可能抓不到問題，還耗費De-bug的時間。

百佳泰在量測環境的精確度都有一定要求，各項儀器校正結果如圖7、圖8、圖9所示。

相信有很多製造商是從傳統電子產業欲跨足到車用電子，由於產品運用層面不同，因此不管是在材料特性、加工，甚至產品設計都跟以往的訴求有所差異。訊號完整性更是整個系統中每個環節都需要顧慮到的，實體層所要求的高頻項目都是為了讓訊號擁有更好的傳輸通道，然而在最終的產品特性與成本考量將是產品前期開發的一大課題。

業者不只提供測試上的服務與技術的探討，同時能提供客戶不同連接器測試治具與直立式導電筒的設計與製作，讓客戶能在自己的實驗室執行Car-Ethernet的測試要求，提升相關產品的品質。

(本文作者皆任職於百佳泰測試實驗室)