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Maxim Integrated

Im Automobil erlebte der Bereich Infotainment über die letzten Jahrzehnte eine kontinuierliche Evolution. Ausgehend vom einfachen, der Fahrzeugumgebung angepassten Audiosystem folgte in der Folgezeit die Einführung weiterer Dienste wie ARI (Autofahrer-Rundfunk-Informationssystem) zum Empfang von Verkehrsfunk-Sendern und Verkehrsnachrichten (Mitte der 70er Jahre) sowie RDS (Radio Data System, 1988), welches später mit TMC (Traffic Message Channel) ergänzt wurde und die Übertragung von Verkehrsinformationsdaten ermöglichte. Da diese Dienste als Zusätze zum analogen Rundfunk arbeiten, waren sämtliche, auf diesen Diensten basierende Funktionen im Autoradio zu finden.

Homogene Infotainment-Landschaft

Um eine umfassende, homogene, platz- und energiesparende sowie sichere und zukunftsfähige Lösung aller Infotainment-Funktionen im Automobil zu gewährleisten, ist die Halbleiterindustrie gefordert, entsprechende Innovationen voranzutreiben. Maxim Integrated bietet diverse Lösungen in alle Richtungen: vom branchenweit ersten DAB/FM-Tuner inRF-to-Bits-Architektur über Automotive-DC/DC-Wandler mit integriertem USB-Ladeemulator oder Displaysteuerungen bis hin zu schnellen seriellen drahtgebundenen Interface-Links, die die Übertragung von Video, Audio und Steuersignalen unterstützen.

Die Entwicklung von Navigationssystemen in den 90er Jahren erforderte neben dem Funktionsumfang des klassischen Autoradios weitere IT-gestützte Datenverarbeitung sowie die Auswertung von GPS-Signalen und anderen Sensoren zur exakten Positionsbestimmung. Auch die Benutzerschnittstelle zur Bedienung und Informationsausgabe musste entsprechend erweitert werden. Hier sind unter anderem aufwändigere Anzeigeeinheiten mit höherer Informationsdichte bis hin zu hochauflösenden Farbdisplays, erweiterte Eingabeeinheiten wie Dreh-Drück-Steller oder später durch Berührung gesteuerte Systeme (Touchscreens) und die Sprach- und Gestensteuerung erforderlich.

Die Verfügbarkeit dieser Benutzerinterfaces ermöglichte die Integration weiterer, vorher autark realisierter Funktionen wie Bordcomputer, Telefonie, fahrzeugspezifische Konfiguration und natürlich eine Vielzahl an Multimedia-Anwendungen. Als erstes ist hier der Radioempfang im Fahrzeug anzuführen, wobei der Tuner durch drei Aspekte geprägt ist:

Bild 1: Beim gegenwärtigen Lösungsansatz ist dedizierte Hardware über dedizierte Interface-Technologie verbunden.

Bild 1: Beim gegenwärtigen Lösungsansatz ist dedizierte Hardware über dedizierte Interface-Technologie verbunden.Maxim Integrated

  • Das klassische AM/FM-Radio wird zum Infotainment-System.
  • Die bisherigen historisch gewachsenen Konzepte haben vielfach eine stark heterogene Struktur.
  • Die einzelnen Funktionen werden dabei oft als eigene Hardwareblöcke realisiert: mit ebenfalls spezifischer Software. Beispiele hierfür sind AM/FM-Radio analog, DAB-Radio digital, TV analog/digital, Navigation und Satellitenempfang digital (Bild 1).

Für jedes Empfangssystem kommen separate Hard- und Softwarekomponenten zum Einsatz, welche die Kosten, den Platzbedarf sowie die Entwicklungszeit in die Höhe treiben und die Flexibilität einschränken. Regional unterschiedliche Standards erhöhen zusätzlich den Aufwand durch Redundanz oder den Koordinationsbedarf für unterschiedliche Ländervarianten. Software-Updates bei sich ändernden Anforderungen sind nur in sehr begrenztem Maß möglich. Der hohe Leistungsbedarf und die daraus resultierende Wärmeentwicklung durch die höhere Packungsdichte sind weitere Probleme. Der Aufwand bei der Systemintegration und die einfache Wiederverwendbarkeit von Funktionsblöcken stellen ebenfalls eine Herausforderung dar.

Neue Generation von Empfangsbausteinen

Der Lösungsansatz für diese Anforderungen ist eine neue Generation von Empfangsbausteinen auf Basis von Maxims RF-to-Bits-Architektur, deren erster Vertreter, der DAB/FM-Tuner MAX2173, sich bereits in Serienproduktion befindet.

Heute stehen moderne Standardprozessoren mit hinreichend kostengünstiger Rechenleistung zur Verfügung, die die bisher verwendeten, jeweils Empfangssystem-spezifischen ASIC-Coprozessoren ersetzen können. Das eigentliche Radio-Frontend stellt diesen Prozessoren das Empfangssignal in digitaler Form zur Verfügung. Die systemspezifischen Aufgaben werden in der Software abgebildet, der HF-Teil lässt sich somit wesentlich flexibler gestalten.

Bild 2: RF to Bits – Eine Hardware unterstützt verschiedene Standards.

Bild 2: RF to Bits – Eine Hardware unterstützt verschiedene Standards.Maxim Integrated

Durch weitestgehend standardisierte Schnittstellen (zum Beispiel I2S oder LVDS) können Systeme sehr flexibel konfiguriert und skaliert werden. Da die Frontends nicht ausschließlich ein einziges Empfangssystem wie beispielsweise FM unterstützen sondern flexibel unterschiedliche Standards abdecken, entfällt damit die bisherige Redundanz, bei der für jedes System ein Empfänger vorhanden sein musste. Hier ist nun lediglich ein universeller Tuner erforderlich; die eigentlichen systemrelevanten Aufgaben wie Demodulation oder Decodierung erledigt der leistungsfähige Prozessor per Software. Mit dieser Struktur (Bild 2) lässt sich somit eine ganze Reihe von Problemen lösen.

Eine Hardware – verschiedene Standards

Die Verwendbarkeit von Frontends für unterschiedliche Standards hilft, Redundanzen zu vermeiden, was zu einer deutlich reduzierten Anzahl von Komponenten und damit auch zu insgesamt geringeren Systemkosten führt. Ein Basisbandprozessor mit standardisierten Schnittstellen für alle Anwendungen und Systeme lässt sich flexibel für verschiedene Regionen konfigurieren. Die applikationsspezifische Software wird nur dann aktiviert, wenn diese benötigt wird, so dass die Rechenleistung somit nur für die jeweils aktiven Applikationen bereitgestellt werden muss.

Die systemspezifischen Funktionen wie Demodulation und Decodierung werden ausschließlich in Firmware abgebildet und sind damit flexibel. Software-Updates – Software over the Air – ermöglicht Anpassung an neue Anforderungen und neue Standards auch nach dem Designstart oder später im Feld.

Diese Strukturen bieten folglich ohne tiefgreifende Hardwareänderungen eine schnellere Reaktionsmöglichkeit auf geänderte Kundenanforderungen und neue Standards (Upgrade-Möglichkeit), was zu einer höheren Kundenzufriedenheit während der Produktlebensdauer führt. Die daraus resultierenden kompakteren Hardwarestrukturen benötigen weniger Volumen in der Head Unit, da Redundanzen entfallen. Ein Frontend deckt nun verschiedene Standards und Systeme ab. Ein weiterer nicht zu unterschätzender Nebeneffekt ist die geringere Leistungsaufnahme, die dazu beiträgt, Temperaturprobleme zu reduzieren.

Durch übersichtlichere Strukturen und klare Schnittstellen zwischen Frontends und Basisband verkürzt sich die Markteinführungszeit. Die Entwicklung analoger und digitaler Blöcke kann unabhängig voneinander erfolgen, und auch die nicht erforderliche feste Zuordnung zwischen HF-Frontend und Basisband durch standardisierte Schnittstellen verbessert ebenfalls die Skalierbarkeit.

Geeignete Architektur zur Kommunikation

Generell ist Skalierbarkeit für das gesamte Infotainmentsystem gefordert, das sich von der einfachen, in sich geschlossenen Radio-Navigation zu einem komplexen verteilten System emanzipiert hat, das auf Funktionen vieler im Fahrzeug integrierter Steuergeräte zurückgreift und diese Informationen parallel zueinander verarbeitet. Ein derart vernetztes System erfordert eine geeignete Architektur zur Kommunikation, da Punkt-zu-Punkt-Verbindungen für einzelne Signale aufgrund der Vielzahl nicht mehr realisierbar sind.

Neben in der Vergangenheit verwendeter proprietärer Lösungen haben sich LIN, CAN, Flexray, Most sowie neuerdings auch Ethernet-basierende Bussysteme beziehungsweise Kommunikationsprotokolle etabliert. In Fahrzeugen kommen sowohl mehrere Bussysteme des gleichen Typs als auch unterschiedlichen Typs zum Einsatz. Ein Beispiel ist die Nutzung eines LIN-Busses zur Steuerung der Innenraumbeleuchtung und Kommunikation mit Bedieneinheiten in den Türen oder dem Fahrzeughimmel neben mehreren CAN-Bussen für Kommunikation im Bereich Motor, Fahrwerk und Komfort sowie Most zur Vernetzung der Komponenten des Multimedia-Infotainment-Systems mit verschiedenen Audioverstärkern, Tunern, CD/DVD-Wechslern und so weiter.

Bild 3: Modernes Infotainment-Bordnetz.

Bild 3: Modernes Infotainment-Bordnetz.Maxim Integrated

Die Notwendigkeit, unkomprimierte Videodaten mit Bandbreiten von 2 GBit/s oder mehr verschlüsselt  oder unverschlüsselt zu übertragen, erfordert neben diesen Bussystemen zusätzliche Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die meist mit Serializern und Deserializern (SerDes) arbeiten (Bild 3). Auch hier ist ein Wandel von der einfachen High-Speed-Videoübertragung zu kombinierten Verfahren zu beobachten, welche die Video- und Audiosignale zusammen mit Steuerkanälen übertragen, die unter Umständen IP-Protokolle unterstützen. Technologien aus dem Bereich der Consumer-Elektronik halten verstärkt Einzug in die im Fahrzeug zu verwendende Elektronik. Diesem Wandel tragen die Produkte aus der GMSL-Familie (Gigabit Multimedia Serial Link) von Maxim Integrated in hohem Maße Rechnung. Neben der Unterstützung von Audio, Video und Kontrollkommunikation und einem breiten Bandbreitenbereich bietet diese Lösung optimierte sowohl Derivate für Displayanwendungen (MAX9263/66) oder Kameraapplikationen (MAX9271/72) als auch die Unterstützung von differenziellen oder koaxialen Übertragungsmedien unter Berücksichtigung der besonderen Anforderungen an EMV, ESD, die Stromaufnahme und den Kostenrahmen.

Hohe Bandbreite zu akzeptablen Preisen

Die rasante Entwicklung im Bereich Computertechnik und Multimedia ermöglicht hohe Rechenleistung, große Speicherkapazitäten, hochwertige Anzeigeeinheiten und die Unterstützung der notwendigen Datenraten zu akzeptablen Preisen. Die dadurch ermöglichten Funktionen und Applikationen, die im Bereich des Heim-Entertainments, der mobilen Kommunikation und der Informationstechnologie Einzug gehalten haben, erwarten die Kunden auch im Fahrzeug. Individuelle Konfiguration (Personalisierung), Einbindung von Mobiltelefonen und Smartphones/PDAs, Unterstützung von Erweiterungen durch Software-Apps sowie ein HMI, welches bezüglich Komfort und Anmutung dem Stand der Informationstechnik entspricht, sind nur einige Beispiele.

Die Folge ist, dass Automotive-taugliche Derivate von Prozessoren und Speichern, wie sie in der Consumer-Elektronik etabliert sind, gefordert und von den Halbleiterlieferanten bereitgestellt werden. Hinzu kommt die Notwendigkeit, typische Interfaces wie USB, HDMI, MHL und Ähnliche. sowie drahtlose Technologien wie Bluetooth, Wifi und kontaktlose Leistungsübertragung zu Ladezwecken zu unterstützen. Speziell im Bereich Infotainment, wo in der Vergangenheit stark unterschiedliche Technologien bei der Automobil- und Consumer-Elektronik vorzufinden waren, ist nun eine deutliche Annährung erkennbar. Die Automotive-Qualifikation von Halbleitertechnologien und zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise EMV-Verhalten und ESD-Festigkeit sowie die Notwendigkeit langfristiger Verfügbarkeit, stellen deutlich Anforderungen an die Industrie, die oftmals nur mit erheblichem Aufwand zu erfüllen sind.

USB ins Fahrzeug integrieren und schützen

Ein gutes Bespiel hierfür ist hier der Universal Serial Bus (USB), der ursprünglich als serielles Bussystem zur Verbindung von Endgeräten mit einem Computer definiert wurde. Inzwischen hat sich USB auch als Standardschnittstelle für mobile Kommunikationsgeräte wie Smartphones durchgesetzt. Mit der Verbreitung geht der Wunsch einher, diese Geräte mit Hilfe von USB ins Fahrzeug zu integrieren.

Dabei sollen alle Funktionen des Smartphones weiterhin nutzbar sein, und selbstverständlich soll auch der Akku des Gerätes über das Fahrzeugbordnetz geladen werden.

Damit ergibt sich die Herausforderung, die für Consumer-Elektronik-Anwendungen entwickelte USB-Schnittstelle Automotive-tauglich zu machen. Sowohl die Datenleitungen als auch die 5-V-Bus-Spannungsversorgung des USB müssen vor möglichen Kurzschlüssen gegen Fahrzeugmasse als auch gegen Batteriespannung abgesichert sein. Darüber hinaus gelten die im Kraftfahrzeug üblichen Absicherungen der dem Endanwender zugänglichen Anschlüsse gegen elektrostatische Entladungen. ±25 kV Air gemäß ISO10605 sind hier für den USB-Anschluss mit den Produkten von Maxim Integrated erreichbar.

Durch die Integration der USB-Schnittstelle im Fahrzeug entstehen längere Kabelverbindungen vom Host-Prozessor – beispielsweise im Fahrzeugnavigationsgerät –  zum USB-Endgerät des Nutzers. Im Fahrzeug fest verbaute Kabellängen von bis zu drei Metern Länge sind durchaus üblich. Hinzu kommt das Kabel des Endkunden zu seinem Smartphone. Aktuelle mobile Geräte fordern Ladeströme von bis zu 2 A. Durch die ohmschen Verluste in den Kabeln muss bei derart hohen Ladeströmen der Spannungsabfall durch die verwendeten Kabel ausgeglichen werden. Dies lässt sich durch eine lastabhängige Erhöhung der V-Bus-Spannung auf der Fahrzeugseite implementieren.

Bild 4: Blockschaltbild des Automotive-DC/DC-Wandlers MAX16984 mit USB-Schutzbeschaltung.

Bild 4: Blockschaltbild des Automotive-DC/DC-Wandlers MAX16984 mit USB-Schutzbeschaltung.Maxim Integrated

Maxim Integrated entwickelt seit vielen Jahren sogenannte „USB Protection“-Schaltkreise speziell für den Einsatz im Kraftfahrzeug. Mit Maxims neuestem Produkt, dem mit einem USB-Ladeemulator ausgestatteten Automotive-DC/DC-Wandler MAX16984, ist es möglich, alle automotive-spezifischen Anforderungen an den USB-Port abzusichern: Die USB-V-Bus-Spannung wird direkt aus der Fahrzeugbatterie mit einem integrierten Schaltregler erzeugt und in Abhängigkeit vom Laststrom automatisch nachgeführt, um Kabelverluste auszugleichen. Der Baustein sichert zudem die Anforderungen an Kurzschlussfestigkeit und ESD-Schutz der Datenleitungen und der V-Bus-Spannung ab (Bild 4).

In Zukunft Übertragungen bis zu 10 Gbit/s

Der beschriebene Trend der Annäherung von Consumer- und Automotive-Welt wird in der nahen Zukunft weitere technische Herausforderungen generieren. Kommunikationsbandbreite und Datenraten werden weiter steigen. Im Bereich des Video-Schnittstellen ist eine Verdreifachung der heute verfügbaren Datenrate zu erwarten, sodass in der Zukunft Übertragungen bis zu 10 Gbit/s unterstützt werden müssen. Das gestaltet sich auf Halbleiterebene weniger problematisch; ein besonderer Fokus muss allerdings auf geeignete Kabel und Steckverbinder gelegt werden. Einen vielversprechenden Ansatz stellt hier die Verwendung von koaxialen physikalischen Layern dar. Die im Rahmen einer Evaluierung auf Basis bereits verfügbarer Komponenten gewonnenen Erkenntnisse zeigen deutlich, dass dieser gewählte Ansatz die in den kommenden Jahren zu erwartenden Anforderungen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bedienen kann.

Für die Vernetzung auf Basis IP-basierender Kommunikation gibt es ebenfalls Bestrebungen und Aktivitäten, die Übertragungsbandbreite für Automobilanwendungen in den Bereich 1 GBit/s zu erhöhen. Bestrebungen, möglichst einfache ungeschirmte und preisgünstige Kabel beziehungsweise Stecksysteme zu verwenden, generieren einige Herausforderungen, denen auf Siliziumebene begegnet werden kann.

Bild 5: GMSL-Link mit Audio-, Video- und Kontrollkommunikation.

Bild 5: GMSL-Link mit Audio-, Video- und Kontrollkommunikation.Maxim Integrated

Security für C2X

Mit fortschreitender Vernetzung innerhalb des Fahrzeuges sowie auch zwischen Fahrzeugen oder zwischen Fahrzeugen und der näheren Umgebung werden adäquate Maßnahmen im Hinblick auf Datensicherheit und der Vermeidung von Manipulationen erforderlich. Mit speziellem Augenmerk auf sicherheitsrelevante Systeme, die entsprechende ASIL-Klassen erfüllen müssen, ist hier erheblicher Aufwand zu erwarten – nicht zuletzt, um auch auf der rechtlichen Ebene die notwendige Klarheit zu erlangen.

Aktuelle Halbleiter-Produktentwicklungen von Maxim Integrated für den Infotainmentbereich im Fahrzeug wie RF-to-Bits-Tuner, ermöglichen komplett neue Systemansätze, die neben Kosteneinsparungen auch eine größere Systemflexibilität bieten. Die Halbleiterindustrie stellt sich damit den aktuellen Herausforderungen, Geräte und Schnittstellen aus dem Konsumgüterbereich in die Fahrzeugumgebung zu integrieren und einen weltweiten und flexiblen Einsatz zu ermöglichen. Die heutigen Lösungsansätze bei der schnellen Videoübertragung zur Ansteuerung hochauflösender Displays im Fahrzeug werden auch zukünftig steigende Anforderungen zur Übertragung von hohen Datenraten adressieren können.