미래에는 자동차에 장착된 많은 전자장치 덕분에 운전자는 360도 전체를 볼 수 있게 될 것이다(이를 위한, 특히 네트워크에 관련된 기술적 과제에 대해서는 [1] 참조). 그리고 비디오, 적외선 및 단거리 레이더가 안전 운전에 도움을 줄 것이다. 차량용 네트워크는 멀티미디어 네트워크 연결에 사용되는 것과 같은 정도의 속도를 요구하게 될 것이다.

물리 계층 정의

OSI 모델의 7계층 중 첫 번째 층이 물리 계층이다. TCP/IP 참조 모델의 4번째 또는 5번째 층에 위치하기도 한다. 물리 계층은 네트워크 하드웨어 및 물리적 케이블과 관련되어 있으며 전기적 특성, 충돌 제어 및 다른 물리 계층 기능에 영향을 준다.
물리 계층은 순수 데이터 전송을 책임지며, 에러에 대한 면역성을 최대화한다. 클록 신호의 생성 및 분배도 중요한 문제다.

성공적인 데이터 전송을 위한 목표
1. 송신기(TX)가 깨끗한 신호를 공급하여, 감도 좋은 전이, 계층의 안정화, 오버슛 및 링잉(ringing)의 최소화를 이룬다. 신호는 미디어 로드 안으로 공급돼야 한다.
2. 미디어에 의해 TX 신호가 감손(degradation) 없이 운반된다. 실제로는 어느 정도 알려진 한계 내에서의 감손은 있기 마련이다.
3. 수신기(RX)에 의해 실제의 감손 신호가 이해된다. 입력되는 데이터를 RX가 직접 정확하게 처리한다는 뜻이다. 시험 목적을 위해, 수신기 출력의 어떤 지점에서 수신 신호의 정확성을 확인할 수 있다.

본 글은 1과 3에 초점을 맞출 것이다. 두 번째 사항에 관한 자세한 사항은 [3] 및 [4] 참조하기 바란다.

디지털 신호

디지털 신호는 비트라고 불리는 일련의 “0”과 “1”의 조합으로 이루어진다. 그림 1의 스코프 뷰는 이것을 시간 경과에 따른 전압 값으로 표시하고 있다. 비트 속성은 고수준(Vhigh) 및 저수준(Vlow)으로 나타낸다. 1비트의 길이는 시간에 대해 측정되며, 데이터율, 구간 또는 단위 간격(Unit Interval, UI)이라 부른다.
전이시간은 상당히 중요한 디지털 신호 파라미터로서 “0”에서 “1”(상승 시간)로 또는 “1”에서 “0”(하강시간)으로의 전환이 얼마나 빨리 일어날지를 정의한다. 통상, 전이시간은 전압의 10~90% 또는 20~80% 수준에서 측정된다. 전이시간이 빠르면 파형이 직각을 이룬다.
그림 2의 디지털 신호는 아이 다이어그램을 보이고 있다. 매 비트마다 트리거링 현상이 일어나고 있다. 모든 신호 트레이스의 오버레이가 얻어진다. 시간 및 전압에 따른 눈 열림이 명기됐다.
그림 1~3에서 보이는 디지털 신호는 데이터율 = 10 Mb/s(구간 = 100 ns), Vlow = 0V, Vhigh = 200 mV, tt = 3 ns 등의 파라미터를 갖는다. PRBS 27-1 패턴이 사용됐다.

스펙트럼 뷰
그림 3은 완전히 다른 디지털 신호의 뷰를 보이고 있다. x축에는 주파수, y축에는 에너지를 나타낸다.
x축의 거리는 중심 주파수 및 주파수 영역(간격당 주파수 증가분)이다. y축은 로그함수이며, 여기서는 dB 단위를 쓴다.
10 Mb/s의 데이터 신호는 5 MHz에서 기본 주파수를 갖는다. 10 MHz 및 모든 짝수 고조파(k4 = 20 MHz, k6 = …)에서 최소 에너지를 유지하고 있다. 홀수 고조파(k3 = 15 MHz, k5 = …, k7 = …)에서 최대치가 보이면서 고주파로 확장되고 있다. 좀 더 빠른 전이시간들이 좀 더 많은 에너지를 짝수 고조파에 투입하고 있다.
아이 다이어그램 - 질 판정 기준

아이 다이어그램은 신호의 무결성을 평가하기 위한 매우 가치 있는 측정 도구이다. 시간 및 전압의 변화에 따른 눈 열림을 관찰할 수 있다. 모든 눈 닫힘을 지터라 부른다. 그림 4~6에는 지터와 관련된 두 가지의 상황이 펼쳐지고 있다. 하나는 임의 지터(RJ: Random Jitter), 다른 하나는 결정적 지터(DJ: Deterministic Jitter)와 관련된 것이다. 둘 다 포함된 지터의 양은 동일하다. 문제는 어떤 경우를 선호하느냐이다.
그림 5와 6의 차이점은 측정 시간이다. 시간이 길면 지터의 양도 증가한다. RJ의 경우, DJ의 양에는 변함이 없다. 따라서 아이 다이어그램에서 지터를 볼 경우에는 측정 시간을 특정할 필요가 있다. 아쉽게도 시간 특정을 위해서는 도구를 이용해야 하는데, 샘플링 성능이 빠른 스코프들이 그것이다. 몇 비트를 측정할 것인지 분명히 하는 것이 최선의 방법이다. 이에 의해 아이 다이어그램의 비트 에러율(BER)이 정의된다(그림 7).
BER은 수신 비트를 실시간으로 비교한 것이며, BER 비는 에러 비트 수를 처리된 총 비트 수로 나눈 값이다. 그림 6은 두 가지의 정보를 제공한다. 첫째로, 차트는 측정된 데이터를 보여주고 있다. 아이 다이어그램에서 짙은 회색 부분의 BER은 1e-3보다 크며, 좀 더 넓은 밝은 회색 부분의 BER은 1e-6보다 크다. 둘째로, 차트는 BER < 1e-6(차트 우측 부분의 옵션에 따라 BER 1e-15까지)에서의 눈 열림에 대한 추정된 정보를 제공한다. 이러한 추정은 RJ/DJ 분리 알고리즘에 기인한 것이다.
궁극적인 해결책은 BER 수치에 따라 아이 다이어그램을 특정화하는 것이다. 이것은 에러 수정을 위한 요건을 정의하는 데도 도움이 된다.

채널

전송선(TML)
전류는 전하의 흐름이다. 전류가 전선을 따라 흐르면서 전하 밀도는 시간에 대한, 그 지점에서의 전하의 함수로서 변환한다. 이러한 전하 밀도는 전선으로부터 벡터로서 직접 방사되는 전기장을 형성한다.
전류가 흐를 때, 전선 주위로 자기장도 생성된다. 이러한 자기장은 전선으로부터 원형을 그리며 방사된다. 이러한 두 개의 장이 결합된 것을 전자기장이라 부른다. 전류가 흐르는 곳에는 반드시 전자기장이 형성된다. 이 세 가지 요소는 함께 움직인다. 자기장은 전기장의 앞이나 뒤에 위치할 수 없다. 전기장은 다른 두 장의 앞이나 뒤에 위치할 수 없다. 이 세 요소는 함께 움직이기 때문에, 이를 ‘파’라고 지칭한다.
그림 8의 아래 부분에 차동 트레이스에 대한 전기장 및 자기장선이 보이고 있다. 아래 지면으로부터 먼쪽(좌측)과 가까운 쪽(우측)의 트레이스의 커플링에 차이가 난다. 임피던스는 DC로부터 AC로 저항 개념을 일반화한 것이다. 이것은 특정한 AC 전압에서 어느 정도의 전류가 흐르느냐를 나타낸다.
신호 전달 시간은 전자기장이 매체를 얼마나 빠르게 통과하느냐에 따라 결정된다.
손실은 전자기간섭(EMI)에 의한 방사와 직렬 및 병렬 저항의 함수이다.
종단된 전송선은 종단에서 전자기파를 흡수한다. 이 파는 저항기를 지나면서 AC 전압 및 전류로 전환된다. 이 파에 저장된 에너지는 기본적으로 열로 전환된다.

차동 종단
차동 선로에 100 ohm 저항을 사용하는 것은 차동 선로에 대한 차동 데이터 신호를 위한 종단 장치로서 충분하다. 하지만 이런 차동 저항은 공통 모드 신호에 대한 종단을 제공하지는 않는다. 이러한 신호들은 송신기(TX)에 의해 생성된다기보다, EMI에 의해 선로 안으로 결합된다. 공통 모드 신호는 양 선로 모두 동시에 동일한 신호를 운반하도록 한다.
이론적으로, 차동 신호는 공통 모드에 의한 영향을 받지 않기 때문에, 수신기(RX)는 이러한 공통 모드 신호에 대해 민감하지 않다. 실제로 수신기의 공통 모드 제거 성능은 제한적이기 때문에, 종단되지 않은 공통 모드 노이즈가 선로 상에 진폭이 큰 정상파를 생성하는 경우 문제가 발생할 수 있다.
공통 모드에 의한 영향을 줄이기 위한 해결책이 그림 10의 하단에 제시돼 있다. 100 ohm 차동 저항은 중앙점 25 ohm 저항(Rs)이 있는 50 ohm 저항 두 개로 분리된다. 이로써 공통 모드 신호에 대해 50 ohm 종단이 이루어지게 되는 것이다.

반사
비균질적인 매체 또는 불연속적인 기생 요소들에 의한 임피던스 불일치는 반사 현상을 초래한다(그림 11). 이동하는 파는 전진부와 후진부로 분리된다. 후진부는 원래 파의 에너지 손실에 해당한다. 신호 무결성은 하나의 TML 시스템 내에서 두 개 이상의 불일치 부위가 발생하는 경우 영향을 받는다.
스텁이 있는 네트워크 토폴로지
스텁(stub)이 있는 네트워크 토폴로지는 본질적으로 반사에 의한 신호 무결성 문제가 발생하게 돼 있다(그림 12). 다음의 실험은 자세한 설명을 제공하고 있다.

실험

실험에는 패턴 생성기와 오실로스코프가 필요하다(그림 14). 패턴 생성기는 차동적으로 또는 정상 및 보충 모드의 2채널로 10 Mb/s의 속도로 데이터를 공급한다. 스코프는 50 ohm 종단의 최소 두 개의 인풋을 필요로 한다. 이로써 시험 기기의 양끝에 대한 적절한 종단이 이루어진다.
시험 대상 기기(DUT)는 여러 쌍이 꼬인 리본 케이블이다. 케이블의 총 길이는 12미터이고, 한 쌍에 신호를 입력하고 다른 쌍에 대해서 그 신호를 반송함으로써 버스 길이 24미터를 확보하도록 했다. 커넥터를 용이하게 결합할 수 있도록 케이블에는 부분이 있다. 따라서 케이블의 양끝으로부터 3미터 되는 지점에 스텁을 연결할 수 있다. 스텁은 크림프 커넥터에 끼워진 플러그에 부착된 꼬임 쌍선 케이블에 의해 형성된다. 다르게 정함이 없는 한 스텁의 케이블 길이는 1미터이다. 하이 임피던스 스코프 프로브를 부착하기 위한 것을 제외하고 모든 스텁 케이블은 말단부가 개방돼 있다. 따라서 스터브의 비종단 말단부에서의 측정이 가능하다.

10 Mb/s에서의 실험
그림 15는 기준 측정치를 보여주고 있다. 이것은 표준형 동축 케이블에 의해 스코프에 연결된 패턴 생성기 추력이다. 동축 케이블은 신호 무결성에 영향을 주지 않는다. 100%에서 눈 열림 현상이 관찰되고 있으며, 전이시간은 3 ns(10%에서 90%에서 측정)이다.
그림 16은 종단 케이블의 말단부에서의 신호 측정치를 보여주고 있다. 전이가 원형의 분포를 보이면서 신호가 감손 현상을 보이고 있다. 이런 원형 분포 현상을 드룹(droop)이라고도 한다. 드룹에 의해 전이시간이 약 27 ns(10%에서 90%에서 측정)로 늦추어졌다.
신호는 데이터 주기인 100 ns 내에, 100%에서 대부분 안정화되며, 눈 열림은 98.5%에서 일어난다.
드룹 현상은 케이블 내 손실로 설명할 수 있다. 감쇠 현상은 주파수에 비례해서 발생하기 때문에 손실 발생 정도는 가변적이다. 이런 사실은 그림 3의 스펙트럼 뷰와 일치한다.
다음 단계는 스텁 수 늘리기이다. 그림 17에서는 하나가, 그림 18에서는 여섯 개가 추가됐다. 두 경우 모두 케이블의 종단 말단부에서의 신호 측정치를 제공하고 있다. 그림 19는 비종단 스텁의 말단부에서 여섯 개의 스텁과 관련하여 일어나는 현상을 측정한 결과이다.
스텁으로 인해 전자기파는 세 부분으로 분리된다. 한 부분은 소스로 돌아가고, 한 부분은 스텁 내로 이동하며, 나머지 한 부분은 케이블을 따라 계속해서 움직인다. 비종단 스텁에서처럼 잠시 후 파는 되돌아오며, 말단부의 신호는 초기파와 스텁으로부터의 다중의 반사로 구성된다. 이로 인해 전이시간의 감손 및 단계적인 안정화가 일어난다. 다수의 스텁이 관련된 경우, 신호의 드룹/로스도 증가세를 보이고 있다.
스텁 말단부의 신호의 경우 더 불리할 수 있다. 신호의 안정화를 위해서는 다수의 반사가 필요하다. 측정되는 파형은 스텁의 배치 상태에 의해 중대한 영향을 받으며, 그림 19의 예는 최악의 상황 중 하나이다.
간단히 정리하면, 이러한 결과들은 스텁화한 네트워크 토폴로지가 10 Mb/s에서 실현가능하긴 하지만, 각 노드에서의, 특히 비종단 노드에서의 신호의 무결성을 잘 점검하는 것이 중요하다는 것을 의미한다.

50Mb/s에서의 실험
패턴 생성기가 주어진 속도로 데이터 신호를 공급한다는 점과 스코프의 대역폭이 충분하다는 점을 제외하고, 50 Mb/s에서의 실험은 그림 13과 동일한 설정을 이용한다.
그림 20은 기준 측정치를 보여주고 있다. 패턴 생성기에 의해 공급된 전이시간 3 ns는 신호의 모습을 눈(eye)처럼 보이게 한다. 눈은 실험 완수에 충분할 정도로 선명하고 빠르다.
그림 21은 스텁이 없는 케이블 종단 말단부의 50 Mb/s 신호를 보여주고 있다. 이제 손실이 현저하게 증가하고 있다. 100%에서 드룹으로 인한 신호 안정화는 더 이상 일어나지 않을 것이다. 데이터 주기가 시작되는 시점에 전이가 있는 경우, 그 다음 데이터 주기의 에지(edge)가 일찍 시작된다. 이로 인해 에지 변위가 일어나며, 이을 지칭하여 지터(jitter)라 한다. 이것은 데이터 콘텐트 의존형 지터이며, 이런 형태의 지터를 인접 심벌 간섭(ISI: InterSymbol Interference)라 한다.
그림 22 및 그림 23은 기준 신호(좌측) 및 종단 케이블 말단부 신호(우측)를 비교하고 있다. 기본 주파수를 기준으로 하여 9번째 고조파의 크기를 비교한다. 케이블 말단부가 기준치보다 6.2 dB 낮았다. 물론 모든 고조파에 대해 유사한 감쇠 현상이 일어난다.
케이블 내 ISI(그림 21 참조)에 의해 2.5 ns의 지터가 발생하며, 이는 단위 간격의 12.5%에 해당한다. 무시하기에는 너무 큰 수치다.
그림 24에서처럼 중요성이 떨어지는 신호를 생성함으로써 이러한 손실을 보충하는 방법이 있다. 중요성이 떨어지는 신호는 주요 데이터 신호에 포스트 커서를 첨가한다. 4개의 계층을 갖는 신호가 생성된다. 데이터 전이 후, 중요성이 떨어지는 신호의 진폭(16 dB)이 커지면, 다음의 데이터 주기에서 전이가 일어나지 않는 경우 진폭은 감소한다. 그림 25에서처럼 이로써 ISI에 대한 보상이 일어난다. 아이는 17.5 ns에서 19 ns까지 열리며, 전이시간은 16 ns에서 9 ns로 개선된다(그림 21 결과 참조).
이제 스텁을 첨가한다. 그림 26은 6개의 스텁을 추가한 후 케이블 종단 말단부의 신호를 보여주고 있다. 이것은 속도가 높은 외에 그림 18과 설정이 동일하다. 반사에 의해 눈이 완전히 감기지만, 이를 다시 되돌릴 방법은 없다.
50 Mb/s에서의 실험 결과는 다음과 같다.
* 매체의 손실은 무시할 수준 이상이기 때문에 이에 대한 보상 방법이 요구된다.
* 종단 환경이 필수적으로 요구된다. 더 이상 비종단 스텁을 사용할 수는 없으며, 반사도 허용 한계를 벗어났다.

AEM_Automotive Electronics Magazine