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Analog Devices

Künftige Fahrzeuggenerationen werden sicherer, intelligenter und kraftstoffeffizienter als ihre Vorgänger, womit die Anzahl und Komplexität der Elektroniksysteme ansteigt und mehr Steuergeräte im Fahrzeug erforderlich sind. Sie ermöglichen neue Funktionen wie zum Beispiel die Unterdrückung von Umgebungsgeräuschen (Active Noise Cancellation, ANC), Internet-Anbindung und Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs. Mit steigender Zahl von ECUs erhöhen sich aber auch Gewicht und Kosten der erforderlichen Kabelbäume, wodurch der Treibstoffverbrauch steigt. Die Fahrzeughersteller müssen daher einen Kompromiss zwischen der Bereitstellung moderner Infotainmentsysteme mit hohem Funktionsumfang und der Einhaltung behördlicher Umweltvorgaben finden. Eine Reduzierung des Gewichts derzeit üblicher Kabelbäume bedeutet eine wesentliche Verbesserung.

Aktuelle Audio-Systemarchitekturen

Eine Verbindung der Audio-ECUs über einzelne Analogkabel oder über vorhandene digitale Bus-Architekturen bringt in beiden Fällen Einschränkungen und Ineffizienzen mit sich. Analoge Audiosysteme benötigen spezielle und teure abgeschirmte Kabel für jedes Audiosignal beziehungsweise für jeden Kanal, was in der Premiumklasse mit mehrkanaliger (5.1 oder 7.1) Dolby- oder DTS-Decodierung die Zahl der erforderlichen Kabel schnell ansteigen lässt. Zusätzlich erhöhen die notwendigen A/D- und D/A-Wandler die Kosten für das Gesamtsystem und beschränken eventuell die Audio-Qualität.

Eckdaten

Für den digitalen Automotive-Audio-Bus von Analog Devices ist ab 2016 der Transceiver AD2410 erhältlich. Der Bus überträgt Audio-, Steuer- und Taktsignale sowie Versorgungsspannung über ein einfaches UTP-Kabel und verringert Verkabelungsaufwand sowie Systemkosten. Diverse Audiokomponenten werden in Master-Slave-Strangtopologie verkettet und kommunizieren auf maximal 32 Up- und Downstream-Audio-Kanälen mit bis zu 24 Bit Kanalbreite bei 48 kHz Abtastrate über eine Stranglänge bis zu 40 m. Die Entwicklungsumgebung Sigmastudio unterstützt bei der Audiosystementwicklung.

Digitale Busstandards wie MOST oder Ethernet AVB sind in aktuellen Infotainment-Systemen weit verbreitet, weil sie den Verdrahtungsaufwand im Vergleich zu analogen Implementierungen verringern. Allerdings verursachen höhere Leistungsfähigkeit und Flexibilität auch zusätzliche Kosten für teure Mikrocontroller, die zum Management der zugehörigen Software-Protokoll-Stacks erforderlich sind. Diese digitalen Bus-Architekturen sind von Grund auf nicht deterministisch und weisen variable Laufzeitverzögerungen zwischen Knoten auf. Für latenzkritische Anwendungen wie beispielsweise Active Noise Cancellation ist das inakzeptabel.

Der Automotive-Audio-Bus

Beim diesem Datenbus handelt es sich um eine spezielle Technologie von Analog Devices, die das Gewicht von Kabelbäumen um bis zu 75 % senkt und gleichzeitig digitale Audioübertragung in Hi-Fi-Qualität ermöglicht. Der Automotive-Audio-Bus (A2B) ist auf Audio-Anwendungen optimiert, die im Vergleich zu analoger Anbindung eine erstklassige Audioqualität zu wesentlich geringeren Systemkosten als derzeitige digitale Bus-Standards liefern. In seiner einfachsten Form ist A2B ein für hohe Bandbreiten von 50 MBit/s ausgelegter digitaler Bus, über den sich I2S-Audio- und I2C-Steuerdaten zusammen mit Taktsignalen und Versorgungsspannung über eine ungeschirmte verdrillte Zweidraht-Leitung (UTP) zwischen den Knoten übertragen lassen.

Aus Sicht der Implementierung handelt es sich bei A2B um eine Single-Master-Multiple-Slave-Topologie. Der geplante AD2410 unterstützt eine Verkettung im Daisy-Chain-Verfahren von bis zu acht Slave-Knoten auf einer UTP-Leitung und macht redundante Verkabelung überflüssig. Zwischen den einzelnen Knoten können Entfernungen von bis zu 10 m liegen, wobei die gesamte Daisy-Chain bis zu 40 m lang sein kann. Der Einsatz einer Strang- statt einer Ringtopologie ist ein wichtiges Element der A2B-Technologie in Bezug auf die Systemintegrität und Robustheit. Falls eine Verbindung der Daisy-Chain beeinträchtigt ist, fällt nicht gleich das gesamte Netzwerk aus. Vielmehr kommt es lediglich an den Knoten, die hinter der fehlerhaften Stelle platziert sind, zu einer Funktionsbeeinträchtigung.

Synchronität

Die Master-Slave-Strangtopologie ist im Vergleich zu bestehenden digitalen Bus-Architekturen von Grund auf effizienter. Im Anschluss an eine einfache Initialisierung ist für den normalen Audiobusbetrieb kein zusätzlicher Prozessoreingriff erforderlich. Die Technologie verfügt jedoch über eine Interrupt-Möglichkeit, mit der Audio-Knoten eine anstehende Wartung oder Fehler signalisieren können. Ein weiterer Vorteil der Architektur ist die komplett deterministische Systemlatenz (zwei Zyklen Verzögerung) – unabhängig von der Position des Audio-Knotens im Leitungsverbund. Dieses Leistungsmerkmal ist äußerst wichtig für Anwendungen wie Active Noise Cancellation, wo Audiosignale von mehreren entfernten Sensoren zeitsynchron verarbeitet werden müssen.

Bild 1: Der digitale Automotive Audio Bus vernetzt eine Master-ECU und mehrere Slave-ECUs in Strangtopologie (Daisy Chain).

Bild 1: Der digitale Automotive Audio Bus vernetzt eine Master-ECU und mehrere Slave-ECUs in Strangtopologie (Daisy Chain).Analog Devices

Der A2B-Transceiver AD2410 überträgt Audio-, Steuer- und Taktsignale sowie die Versorgungsspannung über nur ein UTP-Kabel und reduziert damit in vielerlei Hinsicht die Systemkosten. So sind gegenüber herkömmlichen Implementierungen nur wenige Leitungen erforderlich, wobei die wenigen Leitungen kostengünstiger und leichter als geschirmte Kabel sind. Gleichzeitig kann eine Phantomspeisung bis zu 300 mA an Audio-Knoten der Daisy-Chain liefern, so dass für kleine Audio-ECUs keine externe Stromversorgung notwendig ist.

Die gesamte A2B-Bandbreite von 50 MBit/s ermöglicht bis zu 32 Up- und Downstream-Audio-Kanäle bei Standard-Audio-Taktraten von 44,1 und 48 kHz und Kanalbreiten von 12, 16 oder 24 Bit. Durch die komplett digitale Audiosignalkette bleibt höchste Audioqualität erhalten.

Fehler erkennen

Die Diagnosefunktionen auf Systemebene sind wichtiger Bestandteil der A2B-Technologie. Alle Knoten besitzen die Fähigkeit, eine Reihe von Fehlersituationen zu identifizieren. Dazu gehören offene Verbindungen, kurzgeschlossene beziehungsweise verpolte Leitungen sowie gegen Masse oder Versorgung kurzgeschlossene Leitungen. Diese Fähigkeit ist aus der Sicht der Systemintegrität wichtig, da bei offenen, kurzgeschlossenen oder verpolten Leitungen A2B-Knoten von der Master-ECU bis zur Fehlerstelle noch immer voll funktionsfähig sind.

Zielmärkte und Anwendungen

Zahlreiche etablierte und künftige Märkte können von der Effizienz der A2B-Technologie profitieren. Sie findet Einsatz bei Verbindungen von Audio-ECUs (Head Unit, Verstärker, intelligente Antennen), in Mikrofon-Arrays für Freisprechfunktion, Spracherkennung und zur Kommunikation innerhalb des Fahrzeugs, zur Unterdrückung von Umgebungsgeräuschen (ANC) sowie in aktiven Lautsprechern.

Breitband-ANC ist ein Derivat der bisherigen Anwendungsbereiche zur Störgeräuschunterdrückung und wird derzeit von Automobilherstellern untersucht. Mit dieser Funktion lassen sich Geräusche, harmonische oder nicht-harmonische Oberwellen eines Referenzsignals sowie zufällige Geräusche auslöschen. Die Referenzsignale stehen normalerweise über Beschleunigungssensoren (Körperschallmikrofone) zur Verfügung, die im Fahrzeug verteilt angeordnet sind – in den meisten Fällen in den vier Radschächten. Im Fahrzeuginnenraum verteilte Fehlermikrofone liefern zusätzliche Eingangssignale für das ANC-System. Für jede Ruhezone im Bereich eines Fahrgasts ist ein separates Fehlermikrofon erforderlich. Die herkömmliche Implementierung nutzt spezielle Analogverbindungen von jedem Mikrofon zur ANC-Verarbeitungseinheit (Sterntopologie). In punkto Verkabelungskosten und Komplexität sowie erhöhtem Stecker-Platzbedarf an der ECU ist dieses Konzept schnell unattraktiv.

Bild 2: Implementierung von Active Noise Cancellation mit dem Automotive-Audio-Bus (orange) im Vergleich zu einer Standard-Verkabelung (grün).

Bild 2: Implementierung von Active Noise Cancellation mit dem Automotive-Audio-Bus (orange) im Vergleich zu einer Standard-Verkabelung (grün).Analog Devices

Mikrofone zusammenfassen

Die effiziente und kostengünstige Mikrofonverkabelung ist ein Dauerthema mit hoher Entwicklungspriorität. Bluetooth-Verbindungen, Freisprech- und Spracherkennungssysteme werden immer mehr zur Standardausstattung, E-Call-Systeme in einigen Regionen sogar zur Pflicht. Der Trend aus OEM-Sicht geht in Richtung Multi-Mikrofonsysteme, die individuell oder als Module konfiguriert sind. In jedem Fall bedeutet ein Einsatz der A2B-Technologie wesentlich geringere Systemkosten verglichen mit analoger Verkabelung, speziell bei Multi-Mikrofon-Arrays. Jeder AD2410 kann bis zu vier Eingangsmikrofone unterstützen und damit drei der vier Mikrofonleitungen in einem Array einsparen.

Die Vernetzung von Audio-ECUs könnte sich in naher Zukunft zum attraktivsten Anwendungsbereich für die A2B-Technologie entwickeln. In einem Fahrzeug der Premiumklasse beispielsweise verringert die A2B-Technologie den Verkabelungsaufwand bei der Vernetzung von Head Unit, Audio-Verstärker, Navigation, Mobiltelefon, Signalton (Chime), Mikrofonen und Lautsprechern. Für die meisten Leitungen in diesem System kommt ein preiswertes Zweidraht-UTP-Kabel zum Einsatz. Das Automotive-Audio-Bus-Konzept ist bereits im Hinblick auf die hohen EMV-Konformitätsanforderungen für den Automotive-Bereich qualifiziert.

Entwicklungshilfe

Die grafische Entwicklungsumgebung Sigmastudio vereinfacht die Entwicklung des Audio-Bussystems und unterstützt auch die Prozessorfamilien Sigma-DSP und Sharc von Analog Devices. Mit Sigmastudio kann der Entwickler das A2B-Netzwerk initialisieren und alle Register über eine anwenderfreundliche Toolkette konfigurieren. Das Entwicklungstool enthält einen Rechner für die Bus-Bandbreite, einen Bit-Error-Rate-Test (BERT) und diverse Evaluierungsmöglichkeiten. Mit dieser Entwicklungsumgebung lassen sich Prototypen eines A2B-Netzwerks zügig realisieren und Konzepte möglichst frühzeitig testen, verifizieren und korrigieren.