2030年に向けた車載イーサネット不具合解析の決定打、Teledyne LeCroyが描く「Sパラ×TDR」の解析革命

近年のSDVおよびゾーンアーキテクチャ開発、検討に伴い、特に高速の車載イーサネットはEV特有の激しいノイズ環境下での「信号品質確保」と「機能安全維持」という、かつてない高難度の課題に直面しています。

このような状況下で、コンプライアンステストのFailや原因不明のリンクダウンに直面した際、従来の「オシロスコープで波形を見るだけ」のデバッグ手法では、もはや太刀打ちできません。PHYチップのレジスタ設定を見直すだけでなく、ケーブル、コネクタ、PCB配線を含めた伝送路全体（チャネル）を、周波数領域（Sパラメータ）と時間領域（TDR）の両面から透視し、物理的な不整合箇所をミリ単位で特定する能力が求められています¹²。

本記事では、2025年の最新技術動向を踏まえ、複雑化するMulti-Gigビットイーサネットの物理層トラブルに対し、Teledyne LeCroy（テレダイン・レクロイ）が提供する「オシロスコープ」や「WavePulser 40iX」といった最新ソリューションがどのように課題を解決するのか、その技術的優位性と具体的な解析フローを徹底解説します。

2025年の車載イーサネット動向と物理層の課題：ゾーンアーキテクチャが招く「見えないノイズ」の脅威

ゾーンアーキテクチャがもたらす新たなEMC課題

E/Eアーキテクチャの変革は、物理層テストに新たな難題を突きつけています。ゾーンアーキテクチャでは、車両の各「ゾーン（領域）」に配置されたゾーンコントローラー（ゲートウェイ）が、その領域内のセンサー、アクチュエータ、ECUを束ね、イーサネットバックボーンを介して中央のコンピューターと通信します¹。

この構造により、以下の2つの大きな課題が浮上しています。

1. 高密度実装とノイズ結合:
   ゾーンコントローラーには、通信機能だけでなく、電力分配（Power Distribution）やI/O制御機能も集約されます。そのため、PCB上では高速なイーサネット信号ラインと、大電流を扱う電源ライン、さらには高周波スイッチングを行うDC-DCコンバータが近接して配置されることになります²。これにより、基板内部でのクロストーク（漏話）や、電源ノイズの信号ラインへの結合が起こりやすくなります。特にEVにおいては、トラクションインバータが発生させる強力な磁界ノイズが、ケーブルやコネクタを通じて通信ラインに侵入するリスクが高まります⁷。
2. ケーブルとコネクタの複雑化:
   配線総長は短縮されるものの、ゾーン間を結ぶリンク（Link）には、これまで以上に高品質なシールドケーブル（STP/SPP）と高性能コネクタが必要となります。しかし、コストダウンの圧力から、シールド性能や製造公差にばらつきのある部材が使用されるケースも少なくありません。特に、Multi-Gig帯域では、コネクタの結線部分やケーブルの曲げ半径によるインピーダンス変化が、リターンロス（反射）の主要因となります²³。

今後の物理層テストに求められる要件

これらの技術動向から、今後の物理層テストには以下の3つの要件が必要となってきます。

• 広帯域・高分解能な解析能力:高周波成分（ナイキスト周波数以上）まで正確に捕捉し、微細なインピーダンス不整合を検出できること。
• ミックスモードSパラメータ解析: 差動信号とコモンモードノイズの変換（モード変換）を定量的に評価し、EMI/EMS問題の原因を探れること。
• 実動作環境でのデバッグ: リンクアップ確立のプロセス（ハンドシェイク）や、実トラフィック下での信号品質を、ノイズ環境下で評価できること。

コンプライアンステストFailの真因とSパラメータ/TDR：なぜDC抵抗測定だけでは不十分なのか

車載イーサネットの導入において、エンジニアが最初に直面する壁が「コンプライアンステスト（適合性試験）」です。OPEN AllianceやIEEEが定める厳格な基準に対し、多くの開発現場で「リターンロス（Return Loss）」や「モード変換損失（Mode Conversion Loss）」の項目でFail（不合格）となる事例が後を絶ちません²⁶。

低速なCANやLINの時代であれば、テスターによるDC抵抗値のチェックや導通確認で配線の健全性を確認できました。しかし、Multi-Gigビットイーサネットのような高周波伝送の世界では、DC的な導通が正常であっても、高周波特性において「断線」と同等の振る舞いを見せることがあります。なぜ、DC測定だけでは不十分なのでしょうか？

リターンロスFailのメカニズム：インピーダンスの「暴れ」が信号を殺す

リターンロスとは、信号が伝送路のインピーダンス不整合点（ミスマッチ）で反射して戻ってくるエネルギーの比率（dB）です。車載イーサネットの差動インピーダンスは理想的に100Ωで設計されていますが、現実の伝送路には多くのインピーダンスの不整合点が存在します²⁸。

• コネクタ接続部: 異なる素材や形状が接する箇所では、必ずインピーダンスが変化します。
• PCBのビア（Via）: 層間を移動するためのビアは、寄生容量やインダクタンスを持ち、高周波においては大きな反射源となります。
• ケーブルの曲げ・圧着: ケーブルの急な曲げや、コネクタ圧着部の変形は、特性インピーダンスを局所的に変化させます。

IEEE 802.3ch（2.5G/5G/10G）などの高速規格では、信号の周波数が高くなるほど波長が短くなります。例えば、5GHzの信号の波長は基板上で数センチメートル程度です。このため、わずか数ミリメートルのインピーダンス不整合箇所でも、信号の波長に対して無視できない大きさとなり、そこで発生した反射波が入射波と干渉し、信号のアイ開口（Eye Opening）を閉じてしまいます²⁴。

モード変換Failの恐怖：差動信号がノイズに化ける瞬間

さらに厄介で、かつ深刻なのが「モード変換（Mode Conversion）」です。車載イーサネットは、2本の線に逆位相の信号を流す「差動信号（Differential Mode）」を用いることで、外来ノイズをキャンセルし、自身の放射ノイズも抑制する仕組みになっています。しかし、これは「2本の線が電気的に完全に対称である」という前提に基づいています³¹。

もし、ケーブルの撚りピッチの乱れ、コネクタ端子の長さの不揃い（スキュー）、PCB配線の等長配線ミスなどにより、2本の線に物理的な「非対称性」が生じるとどうなるでしょうか？

1. 差動信号 → コモンモードノイズ変換（Scd21など）:
   本来、打ち消し合うはずの電磁界がバランスを崩し、差動信号の一部がコモンモード信号（同相信号）に変換されます。このコモンモード信号は、ツイストペアケーブル全体を一つの導体として流れ、ケーブル自体を「アンテナ」として外部に強力なノイズを放射します。これが、CISPR 25などのEMIエミッションテストで不合格となる主要因です²³。
2. コモンモードノイズ → 差動ノイズ変換（Sdc12など）:
   逆に、インバータなどから飛来した外部ノイズ（コモンモード）が、非対称性によって差動モードのノイズに変換され、本来の通信信号に重畳します。これによりS/N比が悪化し、通信エラー（CRCエラーやリンクダウン）を引き起こします（EMSイミュニティ低下）³³。

モード変換によるFailは、現象としては「EMIテストで落ちる」「通信が不安定」として現れますが、その根本原因は物理層の微細な構造的欠陥にあります。これを特定するためには、単一のSパラメータ（Sdd11など）だけでなく、ミックスモードSパラメータ（Sdc11, Scd21など）を正確に測定し、さらにTDRを用いてその発生箇所をピンポイントで特定する必要があります。

Teledyne LeCroyソリューションの技術的優位性：WavePulser 40iXによる「空間分解能1mm」の視覚化

Teledyne LeCroyが提供するWavePulser 40iXは、高速インターコネクト解析の常識を覆すゲームチェンジャーとして位置づけられています。その最大の特徴は、従来は別々の機器で測定していたVNA（ベクトルネットワークアナライザ）のSパラメータ測定能力と、TDR（Time Domain Reflectometry）のインピーダンスプロファイル測定能力を、たった1回の接続で同時に、かつ高度に統合して実行できる点にあります¹²。

1. 圧倒的な空間分解能と広帯域性能：1mmの欠陥も見逃さない

WavePulser 40iXは、DCから40GHzまでの広帯域をカバーしています。これは、現在主流のMulti-Gig（2.5G/5G/10G）はもちろん、近い将来に本格化するIEEE 802.3cy（25GBASE-T1）やその先の50G/100G規格にも余裕を持って対応できるスペックです¹²。

しかし、帯域幅以上に特筆すべきは、1mm未満という極めて高い空間分解能です。

従来のTDR測定器では、立ち上がり時間が遅いため、数センチメートル以内の近接した不連続点（例：コネクタと直下のビア、あるいは短いスタブなど）を分離して表示することが困難でした。WavePulser 40iXは、内部で生成される理想的なパルスと高度な校正技術により、コネクタ内部のわずかなピンの緩み、PCB上のビアの加工不良、ケーブルのかしめ部の変形など、これまで「ぼやけて」見えなかった微細な障害箇所を鮮明に分離・特定できます¹²。

この「見えなかったものが見える」能力こそが、原因不明の物理層トラブルを解決する鍵となります。

2. ミックスモードSパラメータの完全対応と自動校正

車載イーサネットの評価では、前述の通り、差動特性（Sdd）だけでなく、コモンモード変換特性（Sdc, Scd）を含むミックスモードSパラメータの測定が必須です。WavePulser 40iXは、4ポートの測定端子を備え、シングルエンド、差動、コモンモードの全Sパラメータを網羅的に測定可能です¹²。

3. 独自技術「インピーダンス・ピーリング（Impedance Peeling）」の衝撃

Teledyne LeCroyが誇る独自の解析技術に**「インピーダンス・ピーリング（Impedance Peeling）」**があります。これは、測定結果からテストフィクスチャやケーブル、プローブの影響を数学的に除去（ディエンベディング）する際に、その精度を飛躍的に高めるアルゴリズムです³⁸。

従来の「タイムゲーティング」や「ポートエクステンション」は、単に時間を遅らせて基準面（Reference Plane）を移動させるか、単純な伝送線路モデルを仮定して除去するものでした。しかし、実際のフィクスチャには、コネクタやビアによる局所的なインピーダンスの乱れが存在します。これらを無視して基準面を移動させると、DUT本来の特性とは異なる誤った結果が得られてしまうリスクがありました。

インピーダンス・ピーリングは、TDR測定で得られたインピーダンスプロファイルを活用し、フィクスチャ内のインピーダンス変動を「玉ねぎの皮をむくように（Peeling）」層別化して、反射の影響を考慮しながら数学的に除去します⁴¹。これにより、フィクスチャの奥にあるDUT（例えばECU基板上のPHYチップ直下の端子）の真の特性を、物理的にプローブを当てられない場所であっても、かつてない精度で抽出・評価することが可能になります。

4. ワンストップ・ソリューションの価値：QualiPHY 2との連携

WavePulser 40iXの真価は、単体での測定にとどまりません。Teledyne LeCroyのオシロスコープ上で動作するコンプライアンステストソフトウェア**「QualiPHY 2（クオリファイ・ツー）」**とシームレスに連携することで、物理層の評価をワンストップで完結させることができます²⁵。

QualiPHY 2はオシロスコープによるトランスミッタテスト（ジッタ、ドループ、PSDなど）と、WavePulserによるリターンロス/モード変換損失テストを、一つのGUI上で統合管理します。ユーザーは複雑な手順書を読み込む必要なく、画面の指示に従って接続を変えるだけで、IEEE 802.3chやTC8などの規格に準拠した全てのテストを自動実行し、合否判定付きのレポートを生成できます²⁵。

ミックスモードSパラメータ測定例

インピーダンスプロファイル表示

ケーススタディ：不具合解析から解決までのフロー 〜インピーダンス不整合の特定と対策〜

ここでは、実際の開発現場で起こりうる「10GBASE-T1 ECUのEMIテスト不合格」というシナリオを例に、Teledyne LeCroyのソリューションを用いたトラブルシューティングの具体的な流れを解説します。

Step 1: 現象の把握と仮説の設定

ある新型ADAS用ECUの開発において、CISPR 25の放射エミッションテストを実施したところ、FMラジオ帯域から2GHz帯にかけて、特定の周波数で許容値を超えるノイズ（リミットオーバー）が観測されました。

一方、オシロスコープで10GBASE-T1のPAM4信号波形を確認すると、アイパターンはそれなりに開いており、通信自体は辛うじてリンクアップしています。しかし、EMI不合格は「コモンモードノイズの異常な増大」を示唆しています。

エンジニアは以下の仮説を立てます。

「通信信号（差動成分）は流れているが、伝送路のどこかに不平衡（アンバランス）があり、差動信号がコモンモードノイズに変換され（モード変換）、ケーブルから放射されているのではないか？」²³

Step 2: WavePulser 40iXによるSパラメータ測定

仮説を検証するため、WavePulser 40iXをECUのMDI（Medium Dependent Interface）コネクタに接続し、Sパラメータを測定します。QualiPHY 2またはWavePulserのGUIから測定を開始すると、短時間で全ポートの特性が取得されます。

解析結果:

• リターンロス (Sdd11): 規格のリミットラインに対してマージンがほとんどなく、特定の周波数でディップ（落ち込み）が見られる。
• モード変換損失 (Sdc11/Scd11):1GHz付近で値が-30dB以下（規格割れ）に急激に悪化していることが判明しました。

このデータにより、**「2.1GHz付近の周波数成分を持つ差動信号が、ECUの入力部でコモンモードノイズに変換されている」**という事実が確定しました³³。

Step 3: インピーダンスプロファイル（TDR）による位置特定

「モード変換が起きている」ことは分かりましたが、「どこで」起きているのかはSパラメータだけでは分かりません。そこで、WavePulserの表示を「インピーダンスプロファイル（時間軸）」に切り替えます。

画面には、コネクタから基板上の配線に沿って、インピーダンスの変化が詳細なグラフとして表示されます。WavePulserの高い空間分解能により、以下の異常が発見されました。

1. インピーダンスのディップ: コネクタ接合部から約5mmの位置で、差動インピーダンスが理想の100Ωから85Ωまで急激に低下している箇所がある³⁰。
2. コモンモードのスキュー: 差動モードだけでなく、コモンモードのインピーダンスプロファイルを詳細に見ると、プラス側（D+）とマイナス側（D-）の波形の立ち上がりに、わずかな時間差（スキュー）が生じていることが可視化されました。

Step 4: 原因の特定とインピーダンス・ピーリングによる検証

特定された「コネクタから5mm」の位置をCADデータと照合すると、そこはコネクタから基板内層へ信号を引き込むための**「ビア（Via）」**の配置場所でした。

詳細に解析すると、ビアの周辺にあるGNDリターンパス用のビア配置が非対称であり、片側の信号ラインだけGNDとの結合が強くなっている（＝インピーダンスが下がり、伝搬速度が変わる）ことが判明しました。これがインピーダンスの不整合とスキューを生み、強力なモード変換の発生源となっていたのです。

Step 5: 対策後の確認と信号分離（Signal Separation）による最終評価

基板の改版を行い、再度WavePulserで測定したところ、インピーダンスのディップは解消され、モード変換損失も規格をクリアしました。EMIテストも無事パスすることができました。

修正後の基板において、双方向通信時でもアイパターンが十分に開いていること、および10GBASE-T1のリンクアップ・ハンドシェイクが正常に行われていることを確認し、デバッグは完了しました。Teledyne LeCroyのソリューションがあったからこそ、迷宮入りしそうなノイズ問題を、論理的かつ迅速に解決できたのです。

[Image Prompt]: Create a technical workflow infographic titled “Automotive Ethernet Troubleshooting Flow”.

• Step 1: Icon showing an “EMI Test Fail” warning symbol with a radiated noise spectrum graph.
• Step 2: WavePulser screen showing an “S-parameter (Sdc11)” graph with a spike crossing the red limit line.
• Step 3: TDR Impedance trace zooming into a connector/PCB interface, highlighting a specific “Impedance Dip” at a Via location.
• Step 4: A PCB layout comparison showing “Asymmetric Vias” (Before) vs “Symmetric Vias” (After).
• Step 5: An Oscilloscope screen showing a clean “Signal Separation” eye diagram with a green “PASS” checkmark.
  Connect the steps with arrows indicating the flow of analysis.

まとめ：2030年に向けた展望とNext Step

技術志向：Sパラ×TDRの融合がもたらす「確信」

今後の車載イーサネット開発において、Multi-Gigビット帯域の物理層トラブルはもはや避けて通れない課題です。しかし、本記事で見てきたように、リターンロスやモード変換といった複雑怪奇な現象も、WavePulser 40iXのような「周波数と時間を融合した解析ツール」を用いれば、その物理的な発生源をミリ単位で特定可能です。

DC的な接続確認や、ブラックボックス的な合否判定から脱却し、「波形とインピーダンスの相関」という高周波の視点を持つこと。これこそが、コンプライアンステストを一発でパスし、手戻りのない堅牢な設計を実現する唯一の道です。Teledyne LeCroyの技術は、そのための「確信」をエンジニアに提供します。

未来展望：次世代規格への架け橋

通信速度が上がれば上がるほど、物理層の「質」がシステム全体の信頼性を左右します。

Teledyne LeCroyは、現在のMulti-Gigソリューションに加え、PCIeやUSB4などの高速シリアルインターフェースで培った技術（CrossSync PHYなど）を車載分野に応用し、次世代の自動運転技術やコネクテッドカーの安全性を支えるロードマップを描いています⁴⁸。今、正しい計測手法とツールを導入することは、未来のモビリティ社会を支える土台を築くことに他なりません。

Q&A：よくある疑問と技術的回答

Q1: WavePulser 40iXは、一般的なVNA（ベクトルネットワークアナライザ）と具体的に何が違うのですか？

A1: VNAは主に周波数領域（Sパラメータ）の測定に特化した高価な汎用機ですが、WavePulser 40iXは高速インターコネクト解析に特化して設計されています。最大の違いは、VNAと同等の40GHz Sパラメータ測定能力に加え、TDR（時間領域）による高分解能インピーダンスプロファイル測定を一度の接続で同時に行える点です。また、本体に自動校正基準を内蔵しており、VNAのような複雑で専門的な校正手順（電子校正キットの接続など）が不要で、誰でもボタン一つで高精度な測定が可能です。コストパフォーマンスの面でも、同等の帯域を持つVNAと比較して安価に導入できる点が強みです¹²。

Q2: 「インピーダンス・ピーリング」と従来の「ポートエクステンション」の使い分けは？

A2: 「ポートエクステンション（タイムゲーティング）」は、ケーブルやフィクスチャの「遅延時間（長さ）」と「損失」のみを考慮して基準面を移動させる機能です。フィクスチャのインピーダンスが50Ω（または100Ω）で一定している理想的な場合はこれで十分です。

一方、「インピーダンス・ピーリング」は、測定されたインピーダンスプロファイルに基づき、フィクスチャ内のコネクタやビアによる**局所的なインピーダンス変動（反射）**の影響まで考慮して、数学的にその区間を「剥ぎ取る（Peel）」ように除去します。したがって、コネクタやビアが介在する複雑な実基板の測定において、フィクスチャの奥にあるDUT（チップ端など）の真の特性を知りたい場合は、インピーダンス・ピーリングが圧倒的に有利です³⁹。

Q3: 1000BASE-T1やMulti-Gigのデバッグで、TF-AUTO-ENETを使う利点は何ですか？

A3: 車載イーサネットは1対の線で双方向同時通信（全二重）を行うため、オシロスコープでそのまま波形を見ても、送信波と受信波が混ざり合ってしまい、信号品質（アイパターン）を評価できません。

TF-AUTO-ENETは、高性能な方向性結合器を内蔵し、さらに独自のソフトウェアアルゴリズムで結合器の指向性誤差を補正することで、この双方向信号をマスタ側とスレーブ側にきれいに分離して表示できます。他社のハードウェア結合器のみの手法に比べて信号の忠実度（Fidelity）が高く、真の信号品質を評価できるため、リンクアップ不良や通信エラーの原因が「相手側の送信信号」にあるのか、「自局の反射」にあるのかを明確に切り分けることができます¹²。

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引用文献

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