透過汽車 SerDes 打造下一代汽車 ADAS 系統所需的攝影機和感測器

建立車載網路標準化測試方法的使用案例 汽車產業近來的技術創新速度，已到了令人驚嘆的地步。汽車電氣化歷經了長達20年的緩步線性發展，到了最近2到3年，則開始呈現指數級的爆炸性成長。 過去，汽車是從甲地到乙地的交通工具。我們可以確定，今日和未來的新車絕對令人耳目一新。今天，幾乎每一輛新出廠的汽車都配有倒車顯影、停車輔助和死角監控等功能，有些還提供360度環景輔助系統。其他功能包括：即時交通流量更新，以及可顯示潛在危險、用路人、車輛或行人資訊的行動通訊連接。有些功能甚至可偵測駕駛是否分心或疲勞。另外，駕駛有時會過度陶醉於資訊娛樂系統提供的影音娛樂，無法專心開車。上述功能皆需仰賴感測器、攝影機和網路來維持運作。 隨著需求不斷攀升，下一代先進駕駛輔助系統（ADAS）需配備更高解析度的攝影機和雷達系統，因而需要更高的速度和頻寬，來支援汽車網路、交換器和傳輸資料的連接。為符合先進技術的要求，汽車產業飛快加速創新，而這些技術需在現有的布線基礎設施上，以高於1 Gbps的資料速率運作。高頻寬和低延遲網路，是因應未來汽車之時效性和複雜技術挑戰的關鍵。 頻寬高達10 Gbps的汽車乙太網路，已足以應付大部分的需求。然而，有些攝影機開始要求高達3,500Mbps的傳輸速度，因此我們必須思考是否能使用其他技術，來傳輸如此大量的資料。 頻寬要求 為了更充分地了解頻寬要求，您可使用以下的公式，來計算視訊串流的近似位元速率： •畫面尺寸=解析度x色彩深度•位元率=畫面尺寸x畫面速率 因此，以24位元色深和30 fps速率，擷取ADAS攝影機的1080p影像時，所需的位元速率應為： •畫面尺寸= 1920 x 1080 x 24 = 49,766,400•位元率= 49,766,400 x 30 = 1,493 Mbps 下表顯示，自動駕駛汽車中，不同感測器的典型資料量： 產業要求 推動汽車市場發展的因素很多。其中幾個最具影響力的驅動因素包括： •高頻寬和輕質材料的需求不斷增加•駕駛輔助系統的需求迅速上升•豪華車的需求增加•可因應未來變化的技術•增強的資料安全性 汽車產業開始追逐高頻寬技術和輕質材料，以便將燃油（或電池）效率最大化。為符合ADAS和自動駕駛汽車（AV）技術的要求，許多新車配有用於倒車顯影、停車和車道變換輔助的感測器，以及新型的抬頭顯示器和副駕駛顯示器，甚至還安裝了資訊娛樂系統。 此外，網路架構師還需了解，如何隨著技術的進步，全面提升汽車性能。今天，人們期望汽車使用壽命可達10至15年。互連解決方案可提供額外的頻寬。在此情況下，工程師可能現在就要開始進行設計，以便在汽車生命週期中提供客戶需要的ADAS/AV功能。當然，安全性是汽車設計的另一重要訴求。當越來越多AV和ADAS功能接管了汽車駕駛操作，乘客安全成了備受關注的焦點。 區域架構 工程師一直在努力降低複雜性，包括車載網路的複雜性。 圖1是一個使用背板上多種資料速率的抽象汽車版本。雖然有點過度簡化，但這樣的討論，可以幫助我們想像這些技術和標準如何協同運作。 汽車區域架構可整合多個輸入，以便降低布線線束的複雜性、成本和重量，進而將原本的「多對一」架構，轉變為一對一的菊鏈架構。上圖顯示一個基於區域（zone-based）的架構，有些工程師則開始構思基於領域（domain-based）的架構。不論是區域或領域，這類架構都可匯集攝影機和感測器資料，而汽車乙太網路則可將各個區域或領域互連。由於中央運算複合體（central computing complex）需透過連網區域閘道器，連接到各個感測器和設備，因此區域架構可提供更出色的擴充性，以及更高的可靠性和功能性。 SerDes簡簡 在當今的資訊娛樂系統中，車載攝影機和顯示器通常透過串列器/解串列器（SerDes）連接到圖像處理電子控制單元（ECU）。而各家供應商分別使用封閉的專屬技術來開發解決方案。 如欲延伸SerDes鏈路的距離，則SerDes需在較低波特率和較高階調變（例如PAM-4）下運作。此外，它需要頻寬更高的汽車乙太網路鏈路，以作為區域之間的主要互連；802.3ch或許可支援高達10 Gbps的傳輸速率。 多家晶片供應商尤其關注行動產業處理器介面（MIPI）A-PHY和汽車SerDes聯盟（ASA）等新興SerDes標準。這樣有助於提高市場競爭態勢，讓汽車製造商能獲得成本更低的元件，來提供特定應用所需的功能。整個生態系統都希望建立標準化的測試方法，以因應互通性要求。對於部署和測試業者而言，這有助於對晶片、一級（Tier 1）供應商，以及原始設備製造商（OEM）提出統一的要求，而晶片供應商、Tier 1供應商和OEM廠商，則可縮短開發週期、降低成本，並提高與其他商用裝置的互通性。 下一代SerDes將提供可支援未來服務導向式架構（Service Oriented Architecture）的協定穿隧和調整功能，使得新興的SerDes標準能夠沿著菊鏈鍊路，將傳統汽車協定，轉送至適當的ECU或橋接裝置。此外，安全關鍵型系統可利用串流複製（stream duplication）功能，在主要鏈路故障時進行自我複製。透過菊鏈，您可將多個SerDes埠進行背對背連接，以便在資料到達ECU之前，聚合鏈路上的所有資料。最後，藉由採用符合ISO 26262標準的端對端保護機制，您可解決各種功能安全問題。 它們是下一代ADAS/AV汽車的必備功能。與此同時，汽車業者需克服不少挑戰，包括林林總總的媒體相關介面（MDI）纜線和連接器、網路安全防護、與其他供應商的互通性，以及發射器測試的技術問題，以確保PAM-N網路的線性度和PSD。驗證接收器是否能夠抗電磁干擾（EMI）也至關重要，確保接收器能在惡劣的汽車環境中運作。為執行這項複雜的量測，工程師需在SerDes接收端注入預先定義、經過校驗的雜訊位準，並同時在可接受的誤差限制範圍內，監視其符碼時脈對齊的能力。 實體層測試 互通性是個關鍵問題。收發器是極為敏感的元件，必須在嚴苛的汽車環境中運作，包括高溫、震動、靜電放電（ESD）和EMI。 我們將收發器測試分為三個項目：傳輸–確保傳送的信號符合預期。接收器功能–決定您的裝置（閘道器、模組、交換器、實體層）是否能夠可靠地接收正確的信號。最後是鏈路–亦即收發器之間的被動互連效能。實體層驗證同時涵蓋這三個項目。 這些測試的最終目標，是確保不同裝置供應商的產品能彼此互通。單單一輛汽車，可能就需要超過100家供應商投入研發，而標準組織則負責制定相關規格。這些應用軟體可根據已知標準進行評估，以確保資料完整性。 發射器測試 測試發射器的主要用意是確保良好的信號特性。因此，我們需使用可當作接收器的工具，在本例中是示波器。待測裝置（DUT）會進入一系列已知狀態，而接收器則負責確認信號是「有效」的。 圖3是包含線條的倒車顯影畫面範例。這些線條相當於傳輸中的間隙，即遭到丟棄的封包。一次或兩次斷訊，我們仍可看到圖像，但如果車後方有個小孩，您絕對不希望畫面整個變黑。 這輛汽車配備的攝影機、纜線、負責路由信號的交換器，以及處理資料的GPU或ECU，還有汽車剎車裝置等等，全都由不同廠商生產製造。有鑑於此，供應商必須通力合作，而這就是互通性如此重要的原因。 此外，當資料傳輸速率從比CAN快100倍，一下子提高到快1,000倍，而且信號傳輸速度也變得更快時，複雜度也會隨之大幅提高。調變類型只會變得越來越複雜。CAN等舊式標準使用NRZ或PAM-2信令，汽車乙太網路和汽車SerDes則使用PAM-3或PAM-4信令。因此，您還需檢查這些發射器的測試資料完整性，包括： •抖動測試，因為時脈誤差會導致發射器抖動。•功率頻譜密度是指在一定頻率範圍內進行的雜訊量測（使用快速傅立葉轉換（FFT）或頻譜分析儀），因為在高速下，PCB軌跡可當作天線使用。•您可藉由進行線性測試，來找出任何由反射引起的失真，避免出現發射器誤差和位元誤差。 通道測試 用於將這些裝置連接的纜線、連接器、測試夾具或線束，形成了鏈路或通道。 向量網路分析儀（VNA）可分析通道對信號的影響，確保發射器和接收器之間的信號完整性。在惡劣汽車環境中，纜線長度對於信號完整性影響甚鉅，因此嚴密監測阻抗與頻率的關係，對於預測通道在汽車中的表現至關重要。 此鏈路區段由纜線和Inline連接器，以及兩端相匹配的連接器所組成。最後，布線線束負責傳輸控制和酬載資料，並為遠端感測器提供直流電源。 對SerDes鏈路進行通道特性分析時，需執行時域和頻域分析，因此您需檢視布線系統、MDI，以及測試夾具和測試配置要求。實際的MDI連接器並非符合標準的配置，但有一些嚴格的規格，可將MDI和纜線之間的交互作用降到最低。圖4顯示H-MTD連接器範例，可用於多Gigabit汽車乙太網路，也可用於新興的SerDes標準。 檢視通道測試結果時，請留意一些誤差，例如： •阻抗不匹配•信號失真或缺陷•纜線之間的串擾 接收器測試 接收器負責分析透過鏈路傳送的資料，然後將其傳遞給ECU或顯示裝置，以進行進一步的處理。接收器如出現位元誤差，將導致來自攝影機、雷達和光達等安全感測器的資料遺失或損壞。 接收器越來越難以提供像是PAM-4這樣複雜的調變功能，特別是在暴露於大量雜訊源的長通道上傳送信號時。為了分析接收器的功能，您必須在具有多個雜訊源的情況下量測誤差位準，包括： •窄頻干擾•大電流注入•暫態在線•外部纜線束串擾 所需的量測配置應包括雜訊源、放大器和耦合電路，以便將精確的雜訊位準，注入使用中的SerDes鏈路。接收器必須能夠在充斥雜訊的情況下正確解讀符碼。接收器測試的重點是，對接收器進行應力測試，確保它能維持所需的誤碼率（BER）速率。 未來發展預測 隨著攝影機、網路連接，以及感測器的數量激增，加上汽車駕駛人對準確度、重量以及安全性，有更嚴苛的要求，車載網路必須能夠平穩地處理這些要求，並克服伴隨而來的挑戰。這些車載網路必須具備互通性和安全性。 詳細資訊 如欲深入了解是德科技如何因應車載網路技術的需求，例如汽車乙太網路和汽車SerDes，請點擊以下連結： www.keysight.com/find/autonomous-driving 本文件資訊如有 修改，恕不另行 通知。© Keysight Technologies, 2023,Published in USA, July 20, 2023, 3123-1528.ZHTW