Datenturbo bis zu 12 Gbit/s durch APIX3
Datenübertragung – das neue Öl?
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Neue physikalische Schicht – das Herz des »Zwölfzylinders«
Nach umfangreichen Untersuchungen unterschiedlicher Datencodierungen hielt Inova bei der Entwicklung des neuen Physical Layers (PHY) an der bewährten binären NRZ (Non-Return-to-Zero)-Codierung fest. Das APIX3-Design basiert auf dem leistungsfähigeren Technologieknoten 55-nm-CMOS-Prozess von Globalfoundries. Die Eignung und Zuverlässigkeit wurde in einer über die AEC-Q100-Norm hinausgehenden Prüfung verifiziert. Zusätzlich wurde das Design des zentralen Analogblocks, das Inova zusammen mit dem Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) der Fraunhofer Gesellschaft in Erlangen realisierte, neu entwickelt. Trotz der langjährigen Erfahrung war eine umfangreiche Entwicklung mit einigen Iterationen erforderlich, bis der PHY den gewünschten Reifegrad ohne Einschränkungen erreichte und somit für APIX3 einsatzbereit war. Bei einer Periodendauer von 167 ps sind nach einer gewissen Kabelstrecke einfache Maßnahmen zur Signalaufbereitung nicht mehr ausreichend, um das Signal am Eingang des Empfängers sicher zu erkennen.
Nachfolgende Störeinflüsse beeinträchtigen das Signal:
- Dämpfung im Kabel
- Nichtlineare Verzerrung (Jitter) im Kabel
- Änderung der Kabelparameter durch Temperatur und Alterung
- Schwankung der Schaltschwellen (thresholds) im Chip durch
- Prozessstreuung und Temperaturgang
Bei APIX3 wurden daher umfangreiche Maßnahmen realisiert, um die Streuungen im Halbleiter und die parasitären Effekte auf der Übertragungsstrecke zu kompensieren: Angefangen mit einer automatischen Kalibrierung, die den Abtastzeitpunkt im Empfänger auf 6 ps genau einstellt. Damit ist sichergestellt, dass die CDR (Clock- and Data Recovery) das empfangene Signal optimal in der Mitte, bei maximalem Pegel und optimalem SNR (Signal to Noise Ratio) abtastet. Zur Signalaufbereitung verfügt der Empfänger über einen adaptiven Equalizer. Zusätzlich »spricht« er über den Rückkanal mit dem Sendebaustein und steuert einen aktiven Forward-Equalizer mit acht einstellbaren FIR (Finite Impulse Response)-Koeffizienten.
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Durch den Dialog zwischen Sender und Empfänger, den ein über die Zeit ständig optimierter Algorithmus regelt, ist es möglich, die gesamte Übertragungsstrecke zwischen Sende- und Empfangsbaustein vollautomatisch einzustellen. Die dabei erforderliche Genauigkeit wäre bei dieser hohen Frequenz manuell nicht mehr beherrschbar (Bild 2).
Der Regelmechanismus von APIX3 kann nicht nur die Übertragungsstrecke präzise einmessen, sondern auch die Qualität und Güte der Datenübertragung im laufenden Betrieb fortlaufend überwachen. Gerade für Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeitsanforderung an die übertragenen Daten, beispielsweise bei Fahrerassistenzsystemen (ADAS) für das autonome Fahren, ist die ständige Diagnose der Übertragungsstrecke zwingend erforderlich. Nur so lässt sich eine schleichende Degradation des Kabels, etwa durch einen Kabelbruch, einen Marderbiss oder Wassereinbruch, erkennen, noch bevor ein signifikanter Anstieg der Bitfehlerrate sichtbar wird und eine Datenkorruption mit hartem Ausfall des Systems die Folge wäre.
Allerdings kommt selbst eine ausgereifte Schaltungstechnik mit umfangreichen Möglichkeiten zur Signalkonditionierung nicht ohne passende Kabel und Stecker aus. Bei den hohen Frequenzen müssen die zahlreichen zentralen Parameter (wie beispielsweise Dämpfung, Impedanz, Nah (NEXT)-/Fern (FEXT)-Übersprechen) über große Kabellängen und Stückzahlen stabil bleiben, um eine zuverlässige Datenübertragung über viele Jahre sicherzustellen. Die langjährige Zusammenarbeit mit Rosenberger und Leoni ermöglichte, dass zur Fertigstellung von APIX3 auch die neue Generation von weiterentwickelten HSD-Stecker sowie neue 6 Gbit/s-Kabel, wie das Dacar 666/667 (STP-Kabel/QSTP-Kabel) beziehungsweise 302/462 (Koaxialkabel), verfügbar sind.
APIX3 und die OSI-Layer
Bei der Konzeption von APIX haben die Entwickler Anleihen aus der Telekommunikationswelt genommen und das OSI-Modell herangezogen (Bild 3):
- Physikalische Schicht (PHY-Services) als OSI1-Layer
- Datenverbindungsdienste-Schicht als OSI2-Layer (auf OSI1-Layer aufgesetzt)
Für einfache Video-Anwendungen ist der getätigte Aufwand verhältnismäßig groß. Sobald allerdings mehr und vor allem verschiedene Datenformate, mit unterschiedlichen Schutzanforderungen, übertragen werden, ist es die richtige Wahl. APIX3 überträgt gleichzeitig nicht nur mehrere Videoströme parallel mit bis zu 4K-Auflösung, sondern auch Audio und 100-Mbit/s-Ethernet (Bild 4).
Die Übertragung jedes Datenformats erfolgt mit individuellem Fehlerschutzlevel und, über das in allen APIX-Links fest integrierte A-Shell-Protokoll, bei Bedarf sogar mit einer Null-Fehler-Rate. In Verbindung mit der lückenlosen Überwachung der gesamten Übertragungsstrecke ist der Link damit für ADAS-Anwendungen geeignet, wo entsprechende ASIL-Level für Sicherheit und Integrität der Daten erforderlich sind.
Und die paketorientierte Datenübertragung, bei der die unterschiedlichen Formate als große und kleine Datenpakete wie auf einem Förderband abgelegt und transportiert werden, hat noch einen weiteren Vorteil: die Link-Datenrate ist bei APIX3 mit bis zu 6 Gbit/s immer konstant und unabhängig von der jeweiligen Pixelclock-Frequenz der eingehenden Videodaten. Es ist somit unerheblich, ob die Daten kontinuierlich oder im Burst-Mode (Ethernet) zur Verfügung stehen. Trotz der bunt gemischten und großen »Datenwolke« hat der APIX3-Link dank eines proprietären Linecodes und der differenziellen Übertragung praktisch keine HF-Abstrahlung und ist immun gegen Einstrahlungen.
- Datenübertragung – das neue Öl?
- Neue physikalische Schicht – das Herz des »Zwölfzylinders«
- Breites Anwendungsfeld – über Infotainment hinaus
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