Der koaxiale Vorteil

Implementierung einer kostengünstigen, robusten und skalierbaren Lösung im Physical Layer für schnell vernetzte Infotainmentsysteme für das Auto.
In der Vergangenheit wurden In-Vehicle-Infotainment-Systeme (IVI) mit hoher Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeiten von mehr als 100 Mbit/s in High-End-Autos eingebaut. Allerdings bieten immer mehr kostengünstige Fahrzeuge IVI-Fähigkeiten mit hoher Bandbreite. Während IVI-Systeme verschiedene softwarebasierte Funktionen integrieren können, teilen sie alle eine gemeinsame Grundlage: die Notwendigkeit einer zugrunde liegenden Technologie in der physikalischen Schicht, die robust ist und Datenübertragungen mit hoher Bandbreite unterstützt. Tabelle 1 fasst die derzeit verfügbaren Technologien für IVI-Systeme mit hoher Bandbreite zusammen.
In den letzten Jahren hat das optische MOST150-Netzwerk erfolgreich als Infotainment-Physical-Layer gedient und alle OEM-Anforderungen an hohe Bandbreite, Skalierbarkeit, geringes Gewicht, Robustheit, elektromagnetische Verträglichkeit, EMV) und Anpassungsfähigkeit an den geringen verfügbaren Platz in Fahrzeugen erfüllt. Trotz dieser Merkmale waren seine Kosten jedoch ein Hindernis für die Einführung durch einige der größten Automobilhersteller. Um auf die Marktnachfrage nach einer kostengünstigeren physikalischen Schicht für IVI zu reagieren, die dennoch in der Lage ist, die anspruchsvollen Anforderungen des Automobils zu erfüllen, wurde eine neue standardisierte physikalische Schicht für IVI-Netzwerke eingeführt, die auf Koaxialkabeln basiert. Koaxialkabel bieten konstruktionsbedingt viele Vorteile, darunter:

• Fähigkeit, Datenübertragungen mit hoher Bandbreite anzubieten
• Hohe Schirmung: ausgezeichnete EMV-Robustheit
• Automatisierter Steckverbinder-Montageprozess
• Erfüllung strenger mechanischer Anforderungen wie Flexibilität und großer Temperaturbereich
• Preisgünstige Lösung für das Auto zugelassen
• Hochgradig kontrollierte Impedanz ermöglicht Vollduplex-Betrieb
• Ermöglicht die Übertragung von Strom und Datenübertragung über dasselbe Kabel

Koaxialkabel werden seit Jahrzehnten in der Automobilindustrie eingesetzt und haben sich für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen bewährt. Beispielsweise wurden sie verwendet, um die Antenne und das Funkgerät zu verbinden und um die Antenne mit einem GSM-(Global System for Mobile)-Kommunikationsmodul zu verbinden.
Dadurch wurden die bestehende Infrastruktur für eine hochautomatisierte Produktion und die entsprechende Supply Chain konsolidiert. Koaxialkabel erfüllen die Anforderungen hinsichtlich Temperaturbereich und mechanischer Art für das Automobil. Es gibt auch einen Standard für Autosteckverbinder – genannt FAKRA – der von verschiedenen Anbietern übernommen wurde. Es gibt viele Formate von FAKRA-Steckverbindern, die in verschiedenen Farben und Arten der mechanischen Codierung geliefert werden, um eine einfache und effiziente Montage in der Fahrzeugproduktionslinie zu ermöglichen. FAKRA-Steckverbinder können auch in hochautomatisierten Prozessen hergestellt werden. Abbildung 1 zeigt den Querschnitt eines Koaxialkabels und veranschaulicht den Hauptvorteil, den ein Koaxialkabel bietet. Das elektrische Signal wird über den Innenleiter (1) übertragen, der von einer Isolationsschicht (2) und einem Metallschirm (3) umgeben ist. Eine äußere Kunststoffschicht (4) schützt das Kabel. Dieses Design neutralisiert die externen Leistungsverluste des Koaxialkabels.
Die Metallabschirmung enthält das elektrische Feld, das durch das übertragene Signal auf dem Innenleiter erzeugt wird, und schützt den Innenleiter auch vor Störungen durch externe elektrische Felder, wodurch eine Immunität gegenüber starken Signalen bereitgestellt wird. Diese Eigenschaften verbessern die EMV und machen das Koaxialkabel fahrzeugtauglich. Da kein spezielles Routing implementiert werden muss oder strenge Einschränkungen hinsichtlich ihrer Platzierung eingehalten werden müssen, reduziert die Verwendung von Koaxialkabeln in Autonetzwerken auch die Montagekosten für Autos. Koaxialkabel bieten Eigenschaften, die ein klassisches optisches System in MOST®-Technologie (Media Oriented Systems Transport) nicht hat.
Die kontrollierte Impedanz von Koaxialkabeln ermöglicht eine vollständig bidirektionale Dual-Simplex- (DS) und Vollduplex- (FD) Kommunikation. Dies wiederum ermöglicht die Implementierung anderer Netzwerktopologien neben dem klassischen Ring, der in MOST-Netzwerken verwendet wird, was eine wichtige Innovation von IVI-Netzwerken darstellt. Für bestimmte Anwendungen kann auch eine Kombination aus DS- und FD-Kommunikation einfach implementiert werden. Tabelle 2 fasst die möglichen Topologien zusammen, die eine koaxiale physikalische Schicht unterstützt. Die klassische Ringtopologie kann auf einer koaxialen physikalischen Schicht implementiert werden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Diese Art von Netzwerktopologie basiert auf unidirektionaler DS-Kommunikation, die ein Rückkabel erfordert, um die Ringstruktur zu schließen. Die Verwendung von FD-Kommunikation über ein Koaxialkabel ermöglicht die Implementierung von Topologien, die andernfalls nicht realisierbar wären. Bei Anwendung auf ein Zwei-Knoten-System kann beispielsweise eine echte Punkt-zu-Punkt-Verbindung hergestellt werden, wie in Abbildung 3 gezeigt. Es ist nicht erforderlich, ein Rückleitungskabel hinzuzufügen, da die bidirektionale Kommunikation über ein einziges Koaxialkabel implementiert wird. Diese Topologie kann Systemkosteneinsparungen von bis zu 50 % im Vergleich zu einem klassischen optischen Ring-MOST-Netzwerk mit nur zwei Knoten bieten. Diese kostensparende Möglichkeit ist für große Automobilhersteller sehr attraktiv, da sie ein einfaches, aber leistungsstarkes Zwei-Knoten-Infotainmentsystem, bestehend aus Headunit und Verstärker, implementieren können. In komplexeren IVI-Architekturen mit drei oder mehr Knoten ermöglicht die FD-Kommunikation die Implementierung einer Bustopologie. Bild 4 zeigt ein Beispiel für ein Infotainmentsystem mit drei Knoten basierend auf einer Bustopologie. Das Fehlen eines Rückleitungskabels vereinfacht den Fahrzeugmontageprozess und hilft, die Gesamtkosten des Systems zu senken. Die Hub-Konfiguration ist eine weitere mögliche Option, wenn drei oder mehr Knoten über FD-Kommunikation mit einer physikalischen Koaxialschicht verbunden sind. Abbildung 5 zeigt einen Bildschirm in einem Auto, der als Punkt-zu-Punkt-Hub mit zwei Rückfahrkameras fungiert, die die Außenspiegel ersetzen.
Die Kombination von DS- und FD-Kommunikation ermöglicht das Hinzufügen neuer Anwendungen zu einem bestehenden Infotainmentsystem auf Basis der Ringtopologie. Beispielsweise könnte es verwendet werden, um einem bestehenden System, dessen frühe Entwicklung diese Funktionalität nicht beinhaltete, eine Audio-Unterdomäne mit einem Mikrofonnetzwerk hinzuzufügen. Alle diese Topologien bieten optional die Möglichkeit, Energie über die koaxiale Datenleitung zu übertragen. Dadurch können Sie auf spezielle Stromleitungen und Anschlüsse für jeden Netzwerkknoten verzichten, was Kosten und Gewicht spart und den Fahrzeugmontageprozess vereinfacht. Die in Abbildung 5 und Abbildung 6 gezeigten Architekturen sind hervorragende Beispiele für die Vorteile der Energieübertragung über Koaxialkabel. Aufgrund ihrer geringen Größe können die Kamera- und Mikrofonmodule so ausgelegt werden, dass sie einen einzigen Anschluss für die Strom- und Datenübertragung verwenden. Innerhalb der Automobilindustrie ist es wichtig, dass für den Erfolg einer Technologie ein sehr wettbewerbsintensives Umfeld herrscht. Die Fähigkeit, Wettbewerbsvorteile zu generieren, treibt Autohersteller zu Innovationen in der Hoffnung, eine großzügige Rendite in Form von Kundeninteresse und Umsatz zu erzielen.
Der Wettbewerbsvorteil hängt von einer kürzeren Markteinführungszeit und der Optimierung der Gesamtsystemkosten ab. In der Gleichung Wettbewerbsvorteil = 1/(kürzeste Time-to-Market x niedrigste Gesamtsystemkosten) sind beide Elemente erfolgskritisch und müssen gut verstanden werden. Wenn es um die kürzeste Time-to-Market geht, geht es wirklich um Time-to-Revenue und nicht nur um die Senkung der Entwicklungskosten. Wenn ein Autohersteller gezwungen ist, die Markteinführung eines neuen Modellautos zu verzögern, werden seine Hauptsorgen nicht die wenigen Hunderttausend Dollar sein, die zur Deckung der Konstruktionskosten benötigt werden, sondern die zig Millionen Dollar an entgangenen Einnahmen. Es ist notwendig, die Gesamtkosten des Systems genau zu kennen, um den Wettbewerbsvorteil zu verstehen, den eine Technologie bieten kann. Innerhalb des Einkaufsabschnitts wird nur die Stückliste als Kostenfaktor betrachtet, wobei andere Kosten wie Engineeringkosten (eine Technologie mit einer kürzeren Stückliste könnte viel höhere Engineeringkosten haben), Qualitätskosten (für Produktrückrufe) und andere ignoriert werden verbundene Kosten (Stückliste anderer indirekt verbundener Komponenten).
Sie alle spielen eine Rolle, die immer wichtiger ist als die Stücklistenkosten allein. Daher liegen die Vorteile der Einführung eines Hochgeschwindigkeits-Netzwerk-Infotainmentsystems auf der Grundlage einer koaxialen physikalischen Schicht auf der Hand: Die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung über Koaxialkabel in Autos ist eine ausgereifte und bewährte Technologie, die auf einer physikalischen Schicht basiert, die wirtschaftlich und robust ist wurde erfolgreich eingesetzt. Automobilhersteller und Tier-XNUMX-Anbieter müssen nicht in neues Wissen investieren, um Koaxialkabel im Infotainment-Bereich mit hoher Bandbreite wiederzuverwenden.
Die Nutzung bewährter Technologie in einem anderen Bereich minimiert das Risiko kostspieliger Qualitätsprobleme später im Betriebsleben eines Fahrzeugs. Der Markt erkennt diese Vorteile an, wie die Übernahme dieser Technologie durch den ersten Automobil-OEM-Hersteller im Jahr 2017 zeigt. Weitere Entscheidungen in die gleiche Richtung werden 2018 und darüber hinaus für andere Automodelle und OEM-Hersteller aus verschiedenen Regionen auf der ganzen Welt folgen. Weitere Informationen zu unseren Lösungen für den Einsatz von Netzwerken mit hoher Bandbreite über Koaxialkabel in In-Car-Infotainmentsystemen erhalten Sie von Ihrem Microchip-Vertreter.