[첨단 헬로티]

ADAS 

첨단 운전자 지원시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)은 운전 중 발생할 수 있는 많은 상황을 자동차 스스로 인지하고, 이 기술을 통해 차량내 관련 장치를 자율적적으로 제어하는 기술이다. 자율 주행 차량에 대한 관심이 커지면서 자동차를 운전하는 운전자와 탑승자에 대한 안전 문제가 더욱 큰 관심사가 되고 있다.

ADAS를 통한 가장 크 혜택은 안전과 더 나은 운전 환경이다. 안전은 운전자와 승객의 안전은 물론 주변의 보행자 및 운전 중인 다른 운전자들을 포함하는 개념이다. 또한, 주차를 쉽게 할 수 있도록 해주는 보조 주차 시스템 및 최적화된 성능으로 차량을 유지할 수 있도록 할 수 있다.

“차량이 보다 안전하고 개선된 최적의 운전 환경을 제공할 수 있도록 차량이 주변 환경을 모니터링 할 수 있는 기술”이 ADAS의 핵심 장점이라 할 수 있다. ADAS 시스템은 정보를 획득하여 정보를 처리하여 해당하는 정보를 처리하는 3 가지 동작을 기본으로 한다.

센서 프로세서

[그림 1]에서는 기본적인 ADAS시스템의 블록도를 나타낸다. ADAS 시스템은 카메라, 라이다, 레이더, 오디오, GPS, V2X 등을 포함한 다양한 입력 센서들을 통해 차량 주변 환경에 대한 정보를 프로세서는 센서에서 수집된 정보를 처리하는 장치로 정보를 전달한다. 센서 카메라를 이용하는 이미지 센서의 예를 보면, ADAS에서 카메라는 주변 환경의 이미지 데이터를 카메라 프리-프로세서로 프로세서에서 디스플레이로 빠르고 효율적인 방법으로 정확하게 전달해야한다. 비전 기반 물체 감지를 기반으로 하는 ADAS 시스템은 데이터를 이미지에 의존하므로 카메라 시스템을 포함한 데이터 전달 경로는 이미지 품질, 1Gbps 이상의 데이터를 전송할 수 있는 대역폭, 전력 소비, 전자기적 방사등 다양한 사항을 고려해야 한다. 

ADAS 시스템 블록에서 확인할 수 있는 것처럼 고속 시리얼 링크는 카메라 모듈과 프리-프로세서 장치 인터페이스에 사용된다. 일반적으로 프로세서 방향으로 전송되는 링크는 데이터 속도가 빠르고, 제어용으로 사용되는 다운 스크림 링크는 비교적 느리다. 고속 시리얼 링크에 사용되는 프로토콜은 칩 벤더에 따라 다른 프로토콜이 적용된다. APIX (Inova Semiconductor), GSML(Maxim), FPD-LINK III(TI) 등이 주로 사용된다. GSML3의 경우, 6Gbps의 업스트림(카메라에서 ECU)과 다운스트림(ECU에서 카메라) 링크가 동일한 케이블을 통해 전송된다는 특징이 있다.

Passive ADAS 센서 프로세싱 기술에서 사용하는 자동차 이더넷은 차량의 네트워크 백본 역할을 수행한다. 주로 ECU들과 센서 퓨전 모듈사이의 통신을 담당한다. 100BAEE-T1(100Mb/s)과 1000BASE-T1(1Gb/s) 프로토콜이 사용된다.

그림 1. ADAS 시스템 기본 블록도

ADAS 시리얼 링크 디버깅 및 측정 고려 사항

이 기사에서는 Active ADAS 센서 프로세싱 링크와 passive ADAS 센싱 링크 두 부분에 대한 피지컬 레이어(Physical Layer)를 측정하고 디버깅에 사용하는 오실로스코프의 측정 기능을 다루기로 한다. 고속 시리얼 링크는 자동차 인포테인먼트 및 ADAS 시스템에 필요한 고대역폭, 상호 연결 및 데이터 무결성 요구 사항을 모두 만족해야 한다. 

칩 벤더에 따라 다른 프로토콜이 적용되어 상호 호환은 되지 않지만 물리 계층에서는 ADAS 시스템과 자동차에서 만족해야 하는 몇 가지 유사한 특징들을 가지고 있다. 예를 들면, 이미지 데이터를 전송하기 위해 4Gbps 이상의 데이터 전송 속도를 가지고 있으며, 링크에서 발생할 수 있는 손실을 보상하기 위해 이퀄라이져가 적용된다. 또 경량화를 위해 여러 가닥의 케이블을 하나의 페어로 사용하고 EMI를 고려해 차동 LVDS 및 SSCG 기술을 사용하고 있다.

동일한 칩 공급업체의 칩을 트랜스미터와 리시버에 적용하므로 링크가 동작하기 위해 필요한 몇 가지 신호 레벨에서의 필요사항이 있다. 신호 무결성을 위한 기준 클럭과 데이터 스트림의 지터, 리시버 CDR PLL에서 입력되는 데이터 스트림에서 클럭 복원을 위한 입력 지터 톨러런스, SSC 등이다. 이 외에 트랜스미터 이퀄라이제이션, 디 앰퍼시스(De-emphasis) 및 프리슛에 관련된 사항들이 측정에 포함되며, 채널 손실을 보상하기 위한 이퀄라이제이션 과정 등이 신호 레벨에서 확인할 사항들이다.

시그널 퀄리티(Signal Quality) 측정

시리얼 데이터 전송 속도는 애플리케이션의 요구에 맞추어 높아지고 있지만 채널에 사용되는 전송 매질은 속도에 변하지 않고 있다. 따라서 빠른 전송 속도로 전송되는 신호의 주파수 성분이 트랜스미터와 리시버 사아이의 채널에 의해서 매우 크게 감쇠된다. 채널에 의한 감쇠 정도는 주파수 성분이 낮은 데이터 열에서는 무시할 만한 수준이지만, 전송 속도가 높아지면서 신호의 상승시간과 하강 시간이 같이 빨라지고 있기 때문에 무시할 수 있는 것은 아니다. 채널에 의한 효과는 디자인 당시에 확보한 지터 마진을 방해할 수 있기 때문에 아이다이어그램과 비트에러율(BER:Bit Error Rate) 특성을 나빠지게 한다.

고속 시리얼 데이터 링크에 채널 효과가 미치는 영향을 정확히 이해하려면 채널을 에뮬레이션할수 있는 툴이 필수적으로 필요하다. 트랜스미터에서 출력되는 신호만을 가지고 확인하는 신호 품질은 케이블, 비아, 커넥터 등의 채널이 연결되면 채널을 통과한 후의 신호가 리시버에 도착하기 때문이다. [그림 2]의 예에서 왼쪽에 보이는 아이다이어그램은 트랜스미터에서 출력되는 신호의 아이다이어그램이다. 동축 케이블, 백플레인 또는 다른 커넥터들이 모두 채널에 포함되며, 오른쪽에는 리시버에서의 아이다이어그램을 보이고 있다. 트랜스미터 출력과 리시버 입력 신호의 품질을 비교했을 때, 확실히 알아볼 수 있는 것은 ISI(Inter-Symbol Interference)에 의해 리시버 입력측의 신호 레벨이 낮아졌다는 것이다. 

만약 실제의 케이블을 연결하기 전에 케이블이 연결되었을 때 리시버의 입력신호가 어떻게 보일지를 알게되면, 트랜스미터에서 Pre-/De- 앰퍼시스에 대한 또는 리시버에서 적응형 이퀄라이져를 어떻게 적용시켜야 하는 지에 대한 정보를 미리 알아 볼 수 있을 것이다. 

 

이런 시나리오에서 정확한 결과를 얻기위해 수행해 볼 수 있는 방법은 S-Parameter 터치스톤(Touchstone) 파일 형태 모델을 이용해 채널 효과를 제거하는 시뮬레이션을 진행하는 것이다. 반대로 채널을 나타내는 S-Parameter를 적용해 전송한 신호가 채널에 의해 어떤 영향을 받고 리시버에서는 신호가 어떻게 보일 지를 미리 확인할 수도 있다. 시뮬레이션에 채널을 임베드해 링크의 성능을 관측하고, 개선점을 찾고 디자인을 변경하는 용도로 사용할 수도 있다.

그림 2. 데이터 전송 속도가 높아지는 속도에 비해 채널 매질은 변화가 적어서 채널에 의해 신호품질이 떨어진다.

SSC

[그림 3]은 실제로 포착된 파형의 SSC 프로파일을 보이고 있다. [그림 3]의 왼쪽은 SSC를 적용하지 않은 결과이며, 오른쪽 그림들은 SSCG 가 적용된 파형을 분석한 예를 보이고 있다. 이는 SSC(Spread Spectrum Clocking)에 관계된 디지털 인코더의 문제를 확인해 볼 수 있을 뿐만 아니라, 사양에서 정하고 있는 스프리드 스펙트럼(Spread Spectrum)의 프로파일과 주파수 모듈레이션 주기 및 최대 최소 범위가 사양 내에서 제어되고 있는지를 확일 할 수 있다. 

[그림 3]의 오른쪽에서 보이는 것과 같은 삼각형 모양으로 클럭 주파수의 인터벌을 조절해 SSC를 생성하는 것이 일반적인 모습이다. 또한 주파수 도메인에서 관측했을 때 SSC가 적용되지 않은 주파수 분석 결과는 왼쪽 아래에서 볼 수 있는 것처럼 특정 주파수의 성분에서 피크가 나타나, 에너지 방사가 나타나게 됨으로써 주변 채널과 다른 장치에 영향을 줄 수 있다. 하지만 SSC가 적용된 오른쪽에서는 왼쪽의 주파수 분석 결과에서 피크를 보이던 주파수에서 크기가 줄어있으며 전체 에너지가 넓게 분포하고 있다는 것을 볼 수 있다. 텔레다인르크로이 오실로스코프에서는 SSC 프로파일을 클럭 또는 시리얼 데이터 신호에서 바로 추출할 수 있으며, SSC에 대하 모듈레이션 주파수 및 프로파일로부터 최대, 최소 등을 바로 측정할 수 있는 파라미터를 제공한다. 

그림 3. SSC가 적용되지 않은 클럭의 FFT(왼쪽)과 SSC가 적용된 클럭의 FFT(오른쪽), 화면의 위쪽에는 각 클럭의 주파수 변화를 트랙하여 SSC 프로파일의 형태를 보이고 있다.

자동차 이더넷

ADAS 개요에서 언급한 것처럼 ADAS는 수동형 또는 능동형으로 구분할 수 있다. 수동형 ADAS 시스템은 차량이 주행 차선을 벗어 났을 경우, 단지 운전자에게 위험 발생 가능성이 있다는 것을 경고 또는 알려 준다. 이와 다르게 능동형 ADAS는 경고를 넘어 올바른 조치(차량을 차선안으로 되돌리거나 자동으로 비상 제동)를 취하도록 차량을 제어한다. 두 가지의 예를 들면, 수동형 ADAS의 예는 후진할 때 후방의 상황을 화면에 보여주는 후방 카메라를 예로 들며, 능동형 ADAS는 스스로 주차를 하는 차량을 예로 들 수 있다. 

다른 네트워킹 시스템들과  마찬가지로 해당 시스템의 많은 부품들이 신뢰성있는 데이터를 주고받을 수 있는 지에 대해 확인할 수 있도록 자동차 이더넷도 표준화의 대상이며, 프로토콜에 대한 표준이 정해져 있는 장치라면 해당 표준을 준수하는지 테스트해야한다.

자동차용 이더넷은 100BASE-T1, BroadR-Readh 그리고 10000BASE-T1의 사양이 적용되고, 자동차 이더넷 테스팅에는 여러 측정 범주가 정의된다. 또 오실로스코프를 기반으로 측정하는 전기 신호 측정에 관한 사항들은 PMA(Physical Media Attachment) 테스트 그룹에 정의 되며, 최근 활발하게 측정이 진행되고 있다. PMA 그룹에 정의된 테스트 항목들은 테스트 대상 제품이 BroardR-Reach 또는 IEEE802.3bw 사양에 기술된 전기적 트랜스미터와 리시버 사양을 준수하고 있는 지의 여부를 판단하는 것이 주된 목적이다.

자동차 이더넷 테스트에서는 적합성 테스트 기준은 IEEE802.3bw에 정의되고 있는데, “T1”이라고 명명하여 기존이 T1 사양과 구분해1 페어 자동차용 이더넷을 규정하고 있다. 컴플라이언스 테스트에서는 ▲Maximum Transmitter Output Droop ▲Transmitter Clock Frequency ▲Transmitter Timing Master Jitter ▲Transmitter Timing Slave Jitter ▲Transmitter Distortion ▲Transmitter Power Spectral Density(PSD) ▲Transmitter Peak Differential Output 항목을 측정한다. [그림 4]는 이들 측정 항목 중 1000BASE-T1의 PSD 측정의 예를 나타낸다. 

그림 4. 1000BASE-T1의 PSD 측정 예. PSD 테스트는 100BASE-T1, 1000BASE-T1 컴플라이언스 테스트 항목중의 하나이다.

신호 품질 링크 통신 문제 디버그

컴플라이언스 테스트는 사양에 따라 PMA의 전기적 테스트를 수행한다. 일반적으로 오실로스코프에서 수행하는 테스트에서는 실수없이 측정을 완료할 수 있도록 텟트 셋업 및 결과를 보고서 형식으로 제공한다. 이들 컴플라이언스 테스트는 DUT 단독으로 측정되므로 실제 링크가 형성되었을 때의 신호 품질은 확인할 수 없다.

특히 차량용 이더넷 링크는 하나의 페어 선으로 연결되어 데이터가 양방향으로 진행하므로 측정 장치에서 각각의 신호를 구분해 측정하기가 쉽지 않다. 텔레다인르크로이는 TF-AUTO-ENET 픽스쳐[그림 5]를 이용해 양방향으로 진행하는 트레픽을 마스터와 슬레이브의 신호로 분리함으로써 각각의 신호에 대한 품질을 확인할 수 있다. 텔레다인르크로이의 TF-AUTO-ENET 픽스쳐 및 툴킷은 내부에 신호를 보정할 수 있는 루틴을 가지고 있어, 다른 방법에 비해 뛰어난 신호 충실도를 제공한다.

그림 5. 텔레다인르크로이의 TF-Auto-ENET, 양방향 트레픽으로부터 마스터·슬레이브의 신호를 구분해 측정할 수 있는 픽스쳐와 오실로스코프 연결 상태.

자동차 이더넷 신호는 PAM3 인코딩을 사용하므로, 신호 품질을 확인할 때 아이 다이어그램의 윗쪽과 아래쪽을 구분해 확인해야 한다. 르크로이의 툴에서는 아이다이어그램과 위쪽·아래쪽의 진폭을 포함해 12개의 측정 파라미터를 제공하고, 신호 품질을 완벽하게 특성화 및 정량화가 가능하다.

[그림 6]에서는 1000BASE-T1 링크에서 신호를 포착해 확인한 아이다이어그램(Eye Diagram)의 예이다. [그림 5]의 왼쪽에는 채널 효과가 포함돼 있는 파형과 그에 대한 아이다이어그램을 보이고 있으며, 데이터 신호가 포함하고 있는 주파수 성부에 따라 그 크기가 다르다. 신호가 빠른 부분의 크기는 신호가 느린 부분의 데이터 형태보다 매우 작아져서 아이다이어그램에서 여러 레벨로 보이게 된다. 

반면 오른쪽에서 보이는 파형과 아이다이어그램에서는 PAM3의 정확한 레벨과 일정한 크기의 데이터열을 확인할 수 있다. 텔레다인르크로이의 AUTO-ENET툴 킷은 리브레이션 기능을 포함하고 있으며, 피드 포워드(Feed Forward) 이퀄라이징 기능을 가지고 있어서, 리시버 내부에서 파형이 어떻게 보일 것인지를 확인하거나 이 기능을 통해 최적의 신호 품질을 얻기 위해서 가장 적합한 탭수와 가중치를 결정하는 데 도움을 준다.

그림 6. 채널 효과가 포함된 1000BASE-T1 신호의 아이다이어그램(왼쪽), 보정 및 이퀄라이져를 적용한 아이다이어그램(오른쪽)

결론

텔레다인르크로이의 오실로스코프와 신호분석 툴은 ADAS 시스템에서 시리얼 데이터 링크 분석 및 링크의 최적 조건을 디자인하기 위한 툴을 제공하고 있으며, 호환성 테스트와 디버깅에 적용할 수 있는 다양한 기능을 제공한다.

칩셋의 내부에서 동작하는 이퀄라이져 출력 신호는 프로빙이 불가능하므로 신호 확인이 어렵다. 하지만 텔레다인르크로이의 에뮬레이션 기능을 사용하면 APIX, GSML, FPD-LINK III 등의 시리얼 링크 리시버의 내부 동작은 물론 100BASE-T1, 1000BASE-T1의 리시버 내부의 이퀄라이제이션 동작을 에뮬레이션을 수행할 수 있는 기능을 제공함으로써 최적의 채널 및 가중치와 조건 설계에 적용할 수 있다.

글 : 오창훈 텔레다인르크로이 코리아 이사(기술지원팀)