Konnektivität in der Automobiltechnik
Hochgeschwindigkeitsnetze mit Faseroptik
Die wachsende Anzahl an leistungsfähigen Sensoren im Auto lässt den Bedarf nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung in die Höhe schnellen. Optische Transceiver wie der KD7251 erlauben bedeutende Fortschritte in der automobilen Kommunikation.
Die Automobilindustrie steht an der Schwelle einer technologischen Revolution, die durch den Bedarf nach immer schnellerer und zuverlässigerer Datenübertragung angetrieben wird. In dem Maße, in dem Fahrzeuge autonom werden und über eine größere Anzahl und leistungsfähigere Sensoren verfügen, steigt die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzen im Fahrzeug. Der Bedarf an höheren Bandbreiten rückt in den Fokus des Automobilmarktes. Die Bandbreiten müssen die riesigen Datenmengen bewältigen, die von Sensoren und elektronischen Steuergeräten (ECU) erzeugt werden. Damit entsteht gleichzeitig die Notwendigkeit, fortschrittliche elektrisch/elektronische (E/E) und zonale Architekturen zu entwickeln.
Hürden in der automobilen Kommunikation
Die Automobilindustrie verlässt sich in hohem Maße auf Kupferverbindungen für die Sensor- und Backbone-Kommunikation im Fahrzeug. Obwohl Kupfer aufgrund seiner Verfügbarkeit und Kosteneffizienz traditionell die erste Wahl ist, bringt es erhebliche Herausforderungen mit sich, insbesondere im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Ingenieure sehen sich oft mit erheblichen EMV-Problemen konfrontiert, die den Entwurfsprozess erschweren und zu Interferenzen mit anderen elektronischen Systemen im Fahrzeug führen können.
Darüber hinaus ist die kupferbasierte Kommunikation sowohl durch die Entfernung als auch durch den Biegeradius der Kabel begrenzt und erreicht eine theoretische Höchstlänge von 15 Metern (in der Praxis sogar noch kürzer). Diese physikalischen Zwänge beschränken die Flexibilität im Fahrzeugdesign und können die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit des Kommunikationsnetzes beeinträchtigen. Kupferbasierte Technologien unterstützen nach dem derzeitigen Stand in der Regel Datenübertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 1 Gbit/s, was zunehmend unzureichend ist. Moderne Fahrzeuge benötigen höhere Datenübertragungsraten, um fortschrittliche Sensoren und die Kommunikation zwischen sehr leistungsstarken elektronischen Steuergeräten (ECUs) unterzubringen.
Die Entwicklung der Automobilindustrie hin zu höheren Vernetzungs- und Autonomie-Graden zeigt die Einschränkungen von Kupferverbindungen immer deutlicher. Damit wächst das Interesse an alternativen Kommunikationstechnologien, die höhere Geschwindigkeiten, größere Zuverlässigkeit und eine bessere EMV-Leistung bieten können. Die optische Kommunikation, die in der Automobilindustrie seit mehr als 20 Jahren mit der MOST-Technologie eingesetzt wird, ist eine vielversprechende Lösung, um diesen Herausforderungen zu begegnen. Mit dem Einsatz biegeunempfindlicher und automotive-qualifizierter Multimode-Glasfaser bietet sie nun die notwendige Infrastruktur für die künftige Generation an Kommunikationsnetzen im Fahrzeug.
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| Elektrische Kabel | Optische Kabel | Vorteil von Glasfaser | |
|---|---|---|---|
| Durchmesser | 3,8 mm | 2,0 mm | 48 % |
| Mindestbiegeradius | 58 mm | < 14 mm | 4-mal kleiner |
| Biegezyklen | mehrere 100 | > 2 Millionen | 10.000 mal besser |
| EMV-Herausforderung | hoch | vernachlässigbar | vernachlässigbare EMI |
| Gewicht | 25 g/Meter | 9 g/Meter | 3-mal leichter |
| CO2-Fußabdruck | 14 Kg CO2 eg/Km | 4,6 Kg CO2 eg/Km | 3-mal weniger |
| Kosten | 1,0 bis 1,4 US-Dollar/Meter | 0,7 bis 1,0 US-Dollar/Meter | 30 bis 50 % weniger |
Faseroptik-Kabel und ihre Vorteile. (Quelle: Corning)
Optische Kommunikation in Automobilsystemen ermöglichen
Der neueste KD-Transceiver KD7251 implementiert die BASE-AU Physical Layer und entspricht der IEEE-Std-802.3cz-Standardspezifikation für die optische Multigigabit-Kommunikation in Fahrzeugen über Multimode-Glasfaserverbindungen (MM-GOF). Die Single-Chip-Lösung unterstützt Datenübertragungsraten von 2,5; 5 und 10 Gbit/s und umfasst Brückenfunktionen, um die Anbindung von Sensoren (CSI-2), Displays (DSI-2) und Prozessoren (PCIe) im Fahrzeug zu ermöglichen.
Wesentliche Merkmale und Vorteile
- Highspeed-Datenübertragung: Der KD7251 ermöglicht Verbindungen über mehr als 40 Meter mit bis zu vier Inline-Steckern über Standard-Duplex OM3 MM-GOF mit 10 Gbit/s über den gesamten Temperaturbereich im Auto. Das gewährleistet eine robuste und zuverlässige Kommunikation auch in rauen Automobilumgebungen.
- Zukunftssichere Infrastruktur: Dieselben Kabel und Stecker können für höhere Bitraten (25, 50 Gbit/s und in Zukunft noch höher) wiederverwendet werden. Damit ist der KD7251 eine zukunftssichere Lösung für die steigenden Anforderungen im Automobilbereich.
- Integrierte EMV-Abschirmung: Der Transceiver garantiert höchste EMV-Konformität auf Komponentenebene, ohne dass externe Komponenten erforderlich sind. Das ermöglicht eine Kommunikationsschnittstelle mit einer kleinen Leiterplattenfläche und verkürzt die Stückliste, denn ESD-Schutz, Gleichtaktdrosseln, EMI-Filter oder Gleichstromblöcke sind nicht notwendig.
- Aggregation: Der KD7251 gestattet die Aggregation des Datenverkehrs verschiedener Sensoren zu einem einzigen optischen Kanal. Die Aggregation kann auf der Sender- oder Empfängerseite erfolgen, um Zonenarchitekturen zu ermöglichen bzw. Host-Schnittstellen zu reduzieren.
- Replikation: Die Funktion ermöglicht es dem Transceiver, dieselben Informationen über verschiedene Kanäle zu replizieren, zum Beispiel über den optischen Kanal und die elektrischen SerDes. Die Replikation kann verwendet werden, um ein höheres Maß an Redundanz für kritische Sicherheitsverbindungen oder Infotainment-Systeme mit mehreren Bildschirmen zu gewährleisten.
Zuverlässigkeit in Automobilqualität
Der KD7251 ist ein natives Automotive-Bauteil, das Funktionen wie MACsec, ASIL-B FuSa, TSN, Wake-Up & Sleep, OAM und Zuverlässigkeit unterstützt. Der Transceiver erlaubt das Zusammenführen von Anwendungsfällen wie Multigigabit-Ethernet-Backbone, zonaler Gateway-Topologie, intelligenten Antennenverbindungen und Konnektivität für Radar, Kameras, Lidar, Displays und Hochleistungsrechnereinheiten.
Integration von Faseroptik in Weltraum-Missionen
Die NASA hat die Faseroptik-Technologie in den letzten drei Jahrzehnten erfolgreich in ihre Weltraum-Missionen integriert. Seit der ersten Anwendung 1978 hat sich die Technologie als außerordentlich zuverlässig erwiesen. Sie funktionierte während der gesamten Dauer der Missionen nahtlos und ohne Ausfälle.
Faseroptik-Systeme bieten mehrere Vorteile gegenüber herkömmlichen elektrischen Technologien für die Datenübertragung zwischen Subsystemen von Raumfahrzeugen, darunter:
- Vereinfachte Integration
- Geringeres Risiko von elektromagnetischen Störungen und Kompatibilitätsproblemen (EMI/EMV)
- Deutliche Reduzierung des Gesamtgewichts des Systems
Einer der bemerkenswertesten Vorteile der Faseroptik ist die einfache Integration, die den Zeitaufwand für die Systemmontage und -prüfung verringert und damit die Kosten senkt. Im Gegensatz zur Kupferverkabelung ist der Anschluss eines Teilsystems an ein Raumfahrzeug mit optischen Fasern wesentlich einfacher und kostengünstigerer. Vor der Integration werden die Ausgangsleistung des Senders und die Empfindlichkeit des Empfängers gründlich getestet, während die Faseroptikkabel vorbereitet, poliert und auf ihre Leistungsfähigkeit hin überprüft werden.
Darüber hinaus gibt es mit optischen Fasern keine Probleme im Zusammenhang mit »Erdschleifen«, die bei elektrischen Systemen häufig auftreten. Verschiedene Abschnitte eines Raumfahrzeugs weisen oft geringfügige Unterschiede im Massepotenzial auf, die unerwünschte Ströme zwischen den Modulen erzeugen können. Solche Probleme können dazu führen, dass zuvor intakte Systeme nicht mehr richtig funktionieren oder fehlerhafte Daten produzieren. Durch das Beseitigen leitfähiger Pfade zwischen Subsystemen eliminieren optische Fasern diese Probleme, vereinfachen den Entwurfsprozess und erhöhen die Zuverlässigkeit des Systems.
Ein weiterer entscheidender Vorzug von Faseroptik-Systemen ist ihre Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen und Kompatibilitätsproblemen. Um Interferenzen abzuschwächen, benötigen elektrische Systeme abgeschirmte Kabel und eine sorgfältige Verlegung. Optische Fasern dagegen senden oder absorbieren von Natur aus keine elektromagnetische Energie. Diese inhärente Eigenschaft beseitigt Bedenken hinsichtlich Kapazität, Signalverschlechterung oder Klingeln, was den Designprozess weiter vereinfacht und technische Komplikationen reduziert.
Aus physikalischer Sicht bieten optische Fasern eine erhebliche Gewichtsreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Systemen. Der Vorteil wird besonders deutlich, wenn optische Fasern in eine Standard-Busarchitektur integriert werden, wodurch zahlreiche kundenspezifische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen wegfallen. So lässt sich beispielsweise ein herkömmlicher 10 Kilogramm schwerer elektrischer Kabelbaum, der aus zahlreichen abgeschirmten verdrillten Paaren besteht, durch einen Faseroptikbus mit einem Gewicht von nur 0,1 Kilogramm ersetzen. Diese Gewichtseinsparungen werden in erster Linie durch die Busstrukturen und in zweiter Linie durch den Einsatz von Faseroptikkabeln erzielt.
Außerdem bieten Faseroptik-Systeme eine außerordentliche Skalierbarkeit. Dieselbe Infrastruktur, die für eine Übertragungsrate von 1 Gbit/s ausgelegt ist, lässt sich problemlos auf 100 Gbit/s anpassen, ohne dass zusätzliche Fasern oder Änderungen an der zugrunde liegenden Architektur erforderlich sind. Damit ist die Flexibilität für künftige Weiterentwicklungen gewährleistet.
Weltweit sind optische Fasern die bevorzugte Wahl in der Telekommunikation. Aufgrund ihrer überlegenen Leistung und Kosteneffizienz haben sie kupferbasierte Systeme abgelöst. Auch in der Automobilindustrie gewinnt dieser Übergang an Dynamik, wo bahnbrechende Technologien wie MOST durch fortschrittliche Standards wie optisches Ethernet 802.3cz abgelöst wurden.
In der Luft- und Raumfahrt haben die optischen Technologien bereits einen festen Platz. Moderne Protokolle wie SpaceFibre können Fortschritte aus der Automobilindustrie nutzen, um technische und wirtschaftliche Hindernisse zu überwinden, und so den Weg für exponentielles Wachstum von Weltraumforschungsprojekten ebnen.
Kommunikationstechnik für die Zukunft der Mobilität
Mit der Weiterentwicklung der Automobil- und Raumfahrtindustrie steigt der Bedarf an Highspeed-Datenübertragung im Fahrzeug signifikant an. Der KD7251 bedeutet einen wesentlichen Fortschritt in der Automotive-Kommunikationstechnologie und kommt mit der notwendigen Infrastruktur, um die nächste Generation von vernetzten und autonomen Fahrzeugen zu unterstützen. Mit Geschwindigkeiten von 10 Gbit/s und mehr kann die Automobilindustrie die nahtlose Integration von Sensoren, Steuergeräten und anderen wichtigen Komponenten verwirklichen. Damit ebnet sie den Weg für fortschrittliche Zonenarchitekturen, die die Zukunft der Mobilität unterstützen.
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