Jak otestovat přijímač pro Automotive ethernet?

V tomto článku si přiblížíme simultánní situaci, ve které si budeme potvrzovat, zda správně fungují přijímací části komunikačních jednotek využívající protokol Automotive Ethernet v současných Automotive systémech. Součástí ověření je i chování přijímače při nezkresleném signálu, jeho odolnost v případě rušení a zkreslení (jitter, šum), dále při nesprávné úrovni napětí a podobně.

Autor: Bohumil Vítovec

 

Předpokládejme, že chceme otestovat přijímač pro rychlou sériovou sběrnici, jako je Automotive Ethernet ve verzi 100Base-T1.

 

Při vývoji komunikace v současných Automotive systémech využívajících stále častěji Automotive Ethernet je třeba potvrdit si, zda správně fungují přijímací části komunikačních jednotek, které s tímto protokolem pracují. Dále je nutné ověřit, jak se přijímač chová při nezkresleném signálu, ale také jak je odolný, když čelí rušení a zkreslení, jako je jitter, šum, nesprávné úrovně napětí a podobně.

 

Abychom mohli sledovat a vyhodnotit přenášený signál, potřebujeme vhodný osciloskop s žádoucími parametry.

 

Osciloskop Teledyne LeCroy WavePro 254HD je vybaven nativně dvanáctibitovým převodem a dokáže tak zobrazit měřený signál do nejmenších detailů. Šířka pásma základního modelu WavePro 254HD je 2.5GHz a vzorkovací frekvence 20GS/s plného vertikálního rozlišení 12 bitů. Pokryje tak veškeré aspekty potřebného testu.

Navíc osciloskopy Teledyne LeCroy disponují celou řadou nástrojů pro ověřování stavu sériové komunikace po sběrnici Ethernet. K tomu jsou k dispozici i komplianční testy s využitím nástroje QualiPHY compliance Test.

 

 

Obrázek 1:Osciloskop Teledyne LeCroy WavePro HD, má plně dvanáctibitovou architekturu a dokáže pokrýt signály až do rozsahu šířky pásma 8GHz

 

Dále potřebujeme zdroj datového signálu sériové sběrnice, který bude dostatečně flexibilní, přesný a snadno použitelný k vytvoření sekvence testovacích signálů a umožní nám tak zjistit, jaké jsou skutečné provozní limity našeho přijímače.

 

Obrázek 2: Arbitrární generátor signálu Teledyne Test Tools T3AWG3K, disponuje DAC převodníkem s šestnáctibitovým rozlišením a velkou akviziční pamětí pro generování signálu do nejmenších detailů.

 

Sběrnice Automotive ethernet ve verzi 100Base-T1 pracuje se signály modulovanými PAM3, což je ternární (pozn: vzniklá ze tří složek) amplitudová modulace, schopná přenášet ternární symbol (+1, 0,-1) pro každou periodu hodinového signálu.

 

Verze standardu 100Base-T1 využívá takt 66,667 Mb/s a signály o jmenovitém napětí 1 V, nebo 0 V a -1 V odpovídajících vysílanému symbolu, takže přijímač pracuje se dvěma úrovněmi rozhodovacího prahu a musí rozlišovat mezi třemi povolenými symboly.

 

Přesně v těchto případech vyniká Arbitrární generátor průběhu signálu AWG.

 

Potřebujeme jako výchozí bod čistý signál PAM3 s adekvátní frekvencí a amplitudou, který není snadno dostupný ve standartních generátorech funkcí. Také se neobejdeme bez celé řady „zkreslených“ signálů PAM3, abychom mohli náš přijímač otestovat při jakých situacích zvládne uspokojivě pracovat.

 

Podívejme se, jak generovat takovou sekvenci stimulačních signálů pomocí moderního arbitrárního generátoru, modelu T3AWG3K od Teledyne Test Tools (divize Teledyne Lecroy).

 

Předpokládejme, že chceme vygenerovat sekvenci stimulačních signálů sestávající z čistého pseudonáhodného průběhu PAM3, po kterém následuje podobný, ale šumem ovlivněný průběh, další ovlivněný ještě větším šumem a tak dále, celkem pět průběhů.

 

Segmenty a komponenty generátoru T3AWG3K.

 

V režimu AWG můžeme velmi snadno vytvořit pseudonáhodný stimulační signál PAM3 pomocí programu Waveform Editor. V tomto prostředí lze produkovat průběhy libovolného typu a složitosti kombinací různých segmentů a komponent. Segmenty odpovídají po sobě jdoucím částem tvaru vlny v časové oblasti. Každý segment tvaru vlny může být složen ze superpozice několika složek.

 

 

Obrázek 3: WaveForm editor arbitrárního generátoru T3AWG, s přednastavenými standartními průběhy signálu

 

Abychom vytvořili sekvenci stimulačních signálů stále více ovlivněných šumem, duplikujeme dříve vytvořený průběh a přidáme do segmentu novou komponentu. Tentokrát z předdefinovaných signálů dostupných v editoru Waveform Editor vybereme bílý šum a nastavíme úroveň 100 mV. To je vše. Nyní máme k dispozici i zašuměný signál.

 

 

Obrázek 4: Zobrazení ethernetového signálu na osciloskopu Teledyne LeCroy WavePro HD, na levé straně obrazovky je signál PAM vytvořený arbitrárním generátorem T3AWG, na pravé diagnostika oka signálu.

 

 

Obrázek 5: Návrh testovací sekvence v arbitrárním genrátoru T3AWG, pro základní nezkreslený signál a několik dalších signálů PAM s přidaným šumem

 

Stejným postupem můžeme vytvořit další průběhy ovlivněné zvyšující se úrovní šumu.

 

V tomto bodě je možné využít schopnosti Sequencer generátoru T3AWG3K k vytvoření kompletní sekvence stimulačních signálů, které budou odeslány do našeho testovaného přijímače.

 

Do každého vstupu sekvenceru načteme dříve vytvořené vzorové průběhy signálu, počínaje čistým, po kterém následují ty s rostoucí úrovní šumu. Pro každý vstup nastavíme režim nekonečného opakování a přechod na další průběh až po stisknutí tlačítka.

 

Nyní můžeme testovat.

 

Spuštění sekvence nejprve vygeneruje čistý signál PAM3. Pokaždé, když stiskneme tlačítko, zvýšíme úroveň šumu, abychom stále více zatěžovali náš přijímač a vyhodnocovali jeho provozní limity.

 

 

Obrázek 6: Na osciloskopu Teledyne LeCroy je zobrazen signál PAm zatížený šumem a vyhodnocení diagramu oka, na kterém je vidět že některé části už nevyhovují specifikacím pro automotive ethernet reciever.

 

Závěr

 

Stejně jako jsme vytvořili průběhy ovlivněné šumem, mohli bychom lehce vytvořit další průběhy s jinými nedokonalostmi. Například změnit jeden nebo více symbolů přímou intervencí na jejich napěťové úrovni, nebo přidat jiter či napěťový offset, eventuálně bychom mohli vytvořit stimulační signály s více překrývajícími se defekty.

 

Dostupná velká paměť a vysoké rozlišení v generátoru T3AWG3K nekladou žádné praktické omezení na složitost stimulačního signálu.

 

Navíc v případě offsetu nabízí generátor T3AWG3K další výhodu. Vzhledem k tomu, že úroveň offsetového napětí na výstupním signálu je přidávána hardwarem, umožňuje nám to vždy plně využít vysoké vertikální rozlišení nástroje (16 bitů), i když je výstupní signál silně nesymetrický.

 

Související článek: Je rozlišení 8 bitů u osciloskopu dostatečné? (blue-panther.cz)

Osciloskopy Teledyne LeCroy WavePro HD

Nabízí nativní rozlišení 12bitů, nízký šum se šířkou pásma až 8 GHz při vzorkování 20GS/s. Unikátní rychlá paměť až 9G vzorků se snadnou navigací.

Arbitrární generátor T3AWG3252 a T3WAG3352

Vysokovýkonnový dvoukanálový arbitrální generátor T3AWG3252 a T3WAG3352 s vysokým rozlišením a inovativní architekturou umožňuje generovat 8mi kanálové digitální signály při práci jak v pravém arbitrárním modu či v přímé digitální syntéze. Jsou ideálním řešením pro automobilový průmysl, letectví, obranu, výzkumná centra, univerzity, průmysl 4.0.

Osciloskopy

Stolní laboratorní osciloskopy až do šíře pásma 100 GHz a vzorkování až 250 GS/s z produkce Teledyne Lecroy, GW Instek a Teledyne Test Tools