So funktionieren Bordnetzsysteme autonomer Fahrzeuge

Die heterogene Landschaft von Halbleitern zum einen, sowie die serviceorientierte Bereitstellung von Funktionen und Diensten zum anderen führen gleichermaßen zu drastischen Änderungen in der Bordnetzarchitektur und fließen elementar in die Anforderungen an aktuelle Steckverbinderkomponenten ein. Dabei sind leistungsstarke SoC-Systeme (System on Chip) durch ihren Aufbau für millionenfache Paralleloperationen in der Lage, alle wesentlichen und sicherheitsrelevanten Informationen in einem Bauteil zu verarbeiten. Für einen Fahrzeughersteller ergeben sich damit völlig neue Möglichkeiten im Aufbau der Elektronik und Bordnetzarchitektur, da es nicht länger nötig ist, die physische und signaltechnische Ebene in die Domänen Netzwerk, Infotainment und Safety zu trennen.

Bild 1: Die Elemente leistungsstarker Hochperformance-Computer (links) und die abgeleitete heterogene Signalverarbeitungsebene (rechts). TE Connectivity

Die Einführung von Automotive Ethernet und die Integration in Halbleiterlösungen ist derweil längst im Gange. Für automobile Anwender wie einen Stecksystemhersteller ergeben sich dadurch völlig neue Fragestellungen hinsichtlich der Signalverarbeitung (als I/O gekennzeichnet, Bild 1).

MIPI-CSI-2-Protokoll unterstützt Kameras

Das MIPI-CSI-2-Protokoll etabliert mit aktuellen D-PHY-Versionen Standards mit bis zu 4 Lanes mit jeweils 4,5 Gbit/s und unterstützt nunmehr Kameras hinsichtlich Auflösung (4 k – 8 k), Frameraten (etwa 60 fps) und Farbtiefen (bis 24 Bit). Derzeitige Entwicklungen gehen dabei von bis zu 12 Gbit/s aus. Das digitale Dashboard verzichtet zunehmend auf Knöpfe und integriert Funktionen in Touch-Panels. Bei Displays mit mittleren Auflösungen ist mit LVDS aufgrund vergleichsweise moderatem Aufwand der Implementierung weiterhin zu rechnen, wohingegen bei höheren Auflösungen zunehmend (e)DP und HDMI zum Tragen kommen. Über Multimediaanwendungen hinaus ist zukünftig mit bis zu zehn Displays oder mehr zu rechnen.

Hinsichtlich PHYs hat sich der relevante Halbleitermarkt für Automotive dabei längst in Richtung Highspeed-Consumer-Standards orientiert und benötigt detaillierte Highspeed-Kenntnisse für sämtliche Design-ins. Integrierte PHY-Lösungen, bei denen diskrete Elemente wie ESD-Schutz, Filter und Drosseln direkt auf dem Silizium integriert sind, reduzieren dabei wiederrum Designkomplexität der HF-Pfade und verkürzen Entwicklungszeiten. Durch einheitliche Herstellungsprozesse sind R, L, C einstellbar und PHY-Schnittstellen besser in der Signalübertragung. Der gesamte Halbleitermarkt ist dabei hinsichtlich der Spezifikation zur Implementierung von Leitungssätzen entscheidend für das Bordnetz der Zukunft.

Zu guter Letzt kommt es auch auf die konkrete Architektur des Gerätes an. Durch die zuvor erwähnte, nicht mehr vollständig trennbare, serviceorientierte Architektur kommen bisweilen von niederfrequenten Signalen hoher Leistung bis zu hochfrequenten Signalen verschiedene Leitungen an einem Gerät an. Modulare und skalierbare Stecksysteme können die Variantenvielfalt geringhalten. Das Augenmerk liegt weiterhin auf der Auswahl geeigneter Leiterplattenmaterialien und dem Fokus auf entkoppelten Highspeed-Signalpfaden, um Daten sicher ans Ziel zu bringen.

Bild 2: Neuentwicklungen auf Bordnetzseite gehen mittelfristig von Datenraten > 10 Gbit/s aus und sollen insbesondere die steigendenden Erwartungen nach hochauflösenden Displays sowie dem hochautomatisierten Fahren erfüllen. TE Connectivity

Bei den Chip-to-Chip Verbindungen im Gerät sind bereits heute Protokolle wie PCIe der Standard. Dabei ist naheliegend, dass es für zukünftige komplexe Architekturen auf ultraschnelle Datennetze zur Lösung komplexer Aufgaben ankommen wird. Die Entscheidung, welche PHY-Technologien zum Tragen kommen, soll im Zeitraum 2022–2024 fallen. Eine beispielhafte Darstellung mit Schwerpunkten auf Highspeed-Links zeigt Bild 2.

Zusammenfassend lässt sich die aktuelle Halbleiterlandschaft in diesem Kontext in Netzwerke/Bussysteme (CAN, Flexray, Ethernet), Punkt-zu-Punkt- (Serializer/Deserializer) sowie Chip-to-Chip-Verbindungen unterteilen. Aktuell ziehen dabei 1-Gbit/s-Ethernet als das zukünftige automobile Netzwerk, sowie hoch-performante Ser/Des-Anwendungen mit Datenraten von 6 bis 12 Gbit/s in Fahrzeuge ein. Neuentwicklungen auf Bordnetzseite gehen dabei mittelfristig von Datenraten >10 Gbit/s aus und sollen insbesondere die steigendenden Erwartungen nach hochauflösenden Displays sowie dem hochautomatisierten Fahren erfüllen.

Simulationsgestützte Kanalanalyse

Bild 3: Beispielhafte Darstellung der Implementierung eines koax-basierten Übertragungskanals (15m inklusive 4 Inline Stecker und 2 Board-Konnektoren) TE Connectivity

Grafik 1a: Rückflussdämpfung für den ausgewählten Kanal mit einer RTK031 Leitung und Mate-Ax Komponenten. TE Connectivity

Grafik 1b: Rückflussdämpfung für den ausgewählten Kanal mit einer RTK031 Leitung und Mate-Ax Komponenten. TE Connectivity

Koaxiale Übertragungskanäle (Leitungen und Stecker) haben sich in den vergangenen Jahren hinsichtlich ihrer Übertragungsparameter stetig verbessert und erreichen nunmehr Schirmdämpfungen im Bereich von 60–70 dB. Für die Komponentenauswahl und -spezifizierung sowie die Abschätzung sicherer Übertragungseigenschaften an miniaturisierten Koax-Systemen (Bild 3 sowie Grafik 1a und 1b), spielt die simulationsgestützte Kanalanalyse eine wichtige Rolle. Basis der Analyse ist das Highspeed-Stecksystem Mate-Ax, welches eine Bandbreite von mindestens 9 GHz bietet.

Nach der kanalbasierten Analyse ist für den Mate-Ax-Kanal nach vorgeschlagenem TE-Limit eine sichere Übertragung von bis zu 12 Gbit/s möglich. Gleichzeitig lässt sich durch die Auswahl geeigneter Komponenten eine Reserve für schnellere Systeme feststellen und damit auch eine Abschätzung für schnellere Systeme treffen.

Bild 4: Das miniaturisierte Koax-System kann im Vergleich zu konventionellen FAKRA-Anwendungen bis zu 75 Prozent Platz und 34 Prozent Gewicht einsparen. TE Connectivity

Grafik 2: Messung des Nebensprechens am 4port Mate-Ax. TE Connectivity

Bild 4 und Grafik 2 verdeutlichen den Zugewinn hinsichtlich Platz und Gewicht bei einer Integration von vier Koax-Kanälen im Bauraum von 4 × 4 mm². Da hierbei ein besonderes Augenmerk auf dem Nebensprechen liegen sollte, ist ein geeignetes Leiterplattenlayout Voraussetzung.

Automobile Netzwerkstrukturen erweitern

Die Einführung der nächsten Ethernet-Generation steht mit Geschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s für die Serieneinführung bereit und erweitert somit die automobile Netzwerkstruktur um einen weiteren Standard. Durch den frühen Abschluss der Spezifizierung in der IEEE-Arbeitsgruppe 802.3bp im Jahre 2015, konnte das Open-Alliance-Komitee allumfassend einen Industriestandard erarbeiten, der als Basis für die Implementierung ins Fahrzeug dient. Für die Anforderungen an die Bordnetzkomponenten konnte das Technische Komitee TC9 die Spezifikation für ungeschirmte, verdrillte Leitungen fertigstellen, während die Erweiterung bezüglich geschirmter Leitungen in vollem Gange ist.

Somit können durch richtige Auswahl von Halbleiter, Gleichtaktdrosseln sowie Stecker- und Leitungsauswahl ungeschirmte Übertragungssysteme freigegeben werden. TEs Matenet-Verbindungsanwendung konnte hierbei alle relevanten Tests, zum Beispiel EMV nach CISPR25, erfüllen und steht damit bereit zur Einführung. Die Qualifikation und Freigabe nach gültigen automobilen Standards ist nunmehr an Serienprodukten abgeschlossen.

Bild 5: Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich durch Verwendung optionaler STP-Module bei gleichem Gerätestecker. TE Connectivity

Bild 5 zeigt weitere Möglichkeit der Verwendung optionaler STP-Module bei gleichem Gerätestecker. Auf diese Weise ist es möglich, bei schwierigen Bauräumen auf eine hinsichtlich EMV angepasste Anwendung zu wechseln, ohne dabei aufwendige Hardwareänderungen am Gerät vornehmen zu müssen.

Bild 6: Zur Feststellung der EMV-Verbesserung kann der Gleichtaktanteil (common mode) am Ausgang der Stripline im Verhältnis zum differentiellen Nutzsignal als Transferfunktion charakterisiert werden. TE Connectivity

Grafik 3: Resultierende Kopplungsdämpfung vom Differentiellen- Mode in den Gleichtakt-Mode. TE Connectivity

Zur Feststellung der EMV-Verbesserung lässt sich hierzu der Gleichtaktanteil (common mode) am Ausgang der Stripline im Verhältnis zum differentiellen Nutzsignal als Transferfunktion charakterisierten (Bild 6 und Grafik 3). Hierbei kann laut Herstellerangaben die Matenet-STP-Anwendung eine gegenüber UTP um circa 15 dB bessere Störunterdrückung erreichen.

Grafik 4: Ergebnisse der EMV-Messung an der CISPR25-Stripline. TE Connectivity

Die relevanten Freigabemessungen auf System- / Steuergeräteebene sind EMV-Messungen nach CISPR25, wobei für leitungsbezogene Untersuchungen die Stripline Vorteile gegenüber der Antennenmessung bietet. TE konnte hierbei mit Entwicklungsdienstleistern Steuergeräte aufbauen, um die Verbesserung des EMV-Spektrums zu demonstrieren. Dabei können auf Basis dieser Untersuchungen Freigaben sowohl für ungeschirmte als auch für geschirmte Matenet Leitungssätze erzielt werden. Weiterhin konnte die Verbesserung der Kopplungsdämpfung auch hier sichtbar nachvollzogen werden (Grafik 4).

Redundanz durch Lichtwellenleiter schaffen

Als zentrale Netzwerktechnologie muss Ethernet in allen Applikationsbereichen und allen Bauräumen, die in dieses Netzwerk eingebunden sind, zuverlässig und fehlerfrei funktionieren. Hierzu sind die Erweiterung hinsichtlich Geschwindigkeit (10 Mbit/s und Multi-Gigabit) und Auswahl alternativer Übertragungsmedien zu erwähnen.

Um auch bei der physikalischen Übertragung ein Höchstmaß an Sicherheit zu erreichen (dies gilt insbesondere für Computing-Cluster für autonome Fahrentscheidungen), setzen Hersteller auf eine redundante Vernetzung. Diskussionen über mögliche Ansätze hinsichtlich der Verkabelung im Fahrzeug finden derzeit statt. Eine optische Anwendung als Alternative zur kupferbasierten Übertragung könnte eine passende Lösung sein. Lichtwellenleiter haben hier gegenüber elektrischen Leitungen wesentliche Vorteile hinsichtlich elektromagnetischen Störungen. Im Zusammenhang mit Hochvolt-Antriebselektronik kann die galvanische Trennung ein zusätzlicher Aspekt für den Einsatz optischer Übertragungsstrecken sein.

Bild 7: TEs GEPOF-Anwendung (Gigabit Ethernet over Plastic Optic Fibers), basierend auf freigegebenen Automotive-Komponenten. TE Connectivity

Das in der IEEE standardisierte 1000BASE-RHC nutzt dabei bewährte Kunststoff-LWLs und kombiniert diese mit einem ausgeklügelten Modulationsverfahren (Bild 7), das die limitierte Übertragungsbandbreite der Stufen-Index-POF maximal ausnutzt. Hierzu wird eine PAM-16-Modulation genutzt, während gleichzeitig die Codierung so gewählt wurde, dass sich direkt nacheinander übertragenen Symbole immer gut unterscheiden lassen und somit zur Reduzierung von Übertragungsfehlern beitragen. Eine FEC (Forward Error Correction) im PHY korrigiert hierbei die letzten verbleibenden Übertragungsfehler aus.

Fazit

Schnelle ADAS-Sensoren, wie zum Beispiel in Kameras, favorisieren koaxiale Anwendungen wie das miniaturisierte Koax-System Mate-Ax wegen seiner Bandbreite für Übertragungen. Dabei lässt sich über die kanalbasierte Analyse die Kompatibilität für Datenraten >10 Gbit/s ermitteln und eine Reserve zur Abschätzung schnellerer Systeme bestimmen. Leitungsauswahl und geräteseitige Implementierungen lassen hier durchaus noch Luft für schnellere Systeme.

Für die Zukunft des automobilen Netzwerks Ethernet ist es durch Abschluss der Qualifikation nach gültigen automobilen Standards wie auch Open-TC9 sowie gültigen EMV-Normen wie CISPR25 nun möglich, das ungeschirmte Matenet-System für 100 Mbit/s und 1 Gbit/s freizugeben. Dies ist auch das Startsignal für den Beginn der Implementierung von 100BASET1 und 1000BASET1 in Fahrzeuge. Als alternative Übertragungslösung kann eine optische Übertragung für besonders kritische Einbausituationen oder als Redundanz zu einem kupferbasierten System eine wichtige Rolle im Portfolio verschiedener Nutzer spielen.

Auch im Zusammenhang mit Verbindungen zwischen Hochvolt- und Niedervoltkreis im Bereich E-Mobilität kann die galvanische Trennung ein weiteres Argument für den Einsatz optischer Komponenten sein. TE bietet hierbei eine Anwendung für das sogenannte GEPOF (Gigabit-Ethernet-over-Plastic-Optic-Fibers) auf Basis bewährter Automotive-Komponenten für 1 Gbit/s an. Dabei konnten relevante Tests nach Open-Alliance und auch EMV-Messungen mit realer Steuergeräte-Hardware abgeschlossen werden.

Zu guter Letzt bleibt spannend zu beobachten, welche Systeme sich, sowohl für das hochautomatisierte Fahren, wie auch die Unterstützung hochauflösender Displays, in Zukunft etablieren.

(aok)