The Power of ASA

Neuer SerDes-Standard reduziert Verlustleistung

7. April 2022, 15:00 Uhr | Redaktion: Irina Hübner
Für Assistenzsysteme und deren Kommunikation benötigten Strombedarfs hat insbesondere bei E-Fahrzeugenunschätzbare Vorteile: Die Reichweite steigt mit dem SerDes-Standard ASA Motion Link, die Verlustleistung deutlich reduziert
© Tierney/stock.adobe.com

Das Senken des für Assistenzsysteme und deren Kommunikation nötigen Strombedarfs hat insbesondere bei E-Fahrzeugen unschätzbare Vorteile: Die Reichweite steigt. Mit dem SerDes-Standard ASA Motion Link lässt sich die Verlustleistung für asymmetrische Hochgeschwindigkeits-SerDes deutlich reduzieren.

Die Umstellung auf Elektrofahrzeuge (EVs) ist ein entscheidender Faktor bei der Lösung globaler Herausforderungen wie dem Klimawandel. Ein einschränkender Faktor bei ihrer Einführung ist jedoch die oft recht bescheidene Reichweite, die EVs mit einer Betterieladung zurücklegen können. Ein Grund dafür: Um die Sicherheit im Straßenverkehr zu verbessern, werden die Fahrzeuge mit immer mehr mikroelektronischer Rechenleistung ausgestattet. Kameras, Displays, Radargeräte, hochmoderne Mikroprozessoren und alle Links, die sie miteinander vernetzen, benötigen enorme Mengen an Energie, was sich negativ auf die Reichweite von Elektrofahrzeugen auswirkt. Die Senkung des Stromverbrauchs in Fahrzeugen ist also entscheidend – sowohl aus Gründen des Umweltschutzes als auch der Kundenzufriedenheit.

Die Automotive SerDes Alliance (ASA) hat diese Herausforderung als Chance zur Innovation erkannt und kürzlich mit ASA Motion Link einen neuen Standard definiert, der die Verlustleistung für asymmetrische Hochgeschwindigkeits-SerDes (Serialisierer/Deserialisierer) drastisch reduziert. Diese Links verbinden Displays, Kameras und Hochgeschwindigkeitssensoren wie Radar mit den zentralen Recheneinheiten – das sind Dutzende von Instanzen pro Fahrzeug. Dass die Entwicklung von Bildsensoren kontinuierlich in Richtung höherer Auflösung und Bittiefe geht, macht höhere Datenraten bei den Übertragungstechnologien erforderlich. Bei so vielen Faktoren, die die Verlustleistung erhöhen, ist es wichtig, für zukünftige Anwendungen Möglichkeiten zur Senkung des Stromverbrauchs zu finden.

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Inhärente Vorteile von ASA-Standards

➔ Der Übertragungsmechanismus und die Protokollstacks der ASA sind für den geringsten Stromverbrauch optimiert.

ASA Motion Link verwendet Time Division Duplexing (TDD), um Downstream-Daten mit hoher Bandbreite und Upstream-Datenverkehr mit niedriger Bandbreite zu übertragen (Bild 1). Diese Technik reduziert die Größe und Komplexität der Empfängerimplementierungen erheblich. Die Verringerung der Komplexität wird dadurch erreicht, dass sich die Signale in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung zu keinem Zeitpunkt überlappen. Das wiederum erleichtert die Wiederherstellung des Signals auf der Empfängerseite.

TDD-basiertes Übertragungsschema von ASA-Standards
Bild 1. TDD-basiertes Übertragungsschema von ASA-Standards.
© ASA

Herkömmliche SerDes-Technologien verwenden in der Regel Frequency Division Duplexing, bei dem es zu einer Überlappung der Signale kommt und Filtertechniken zur Trennung der Signale erforderlich sind. ASA-basierte Produkte können die Anforderungen der Zielanwendungen bei geringerer Leistungsaufnahme erfüllen – in einigen Fällen lässt sich die Verlustleistung um 50 % reduzieren.

Darüber hinaus definiert ASA einen Light-Sleep-Modus, der den Strombedarf auf Basis des genauen Anwendungsfalls und der Link-Auslastung weiter optimiert. Wenn beispielsweise die tatsächlich genutzte Datenrate niedriger ist als die über den ASA-Link verfügbare, kann der Light-Sleep-Modus genutzt werden, um den Stromverbrauch weiter zu senken, selbst bei einer Downstream-Übertragung mit hoher Datenrate.

➔ Die TDD-basierte Übertragung der ASA erlaubt eine verbesserte Power-over-Cable (PoC)-Implementierung zu reduzierten Kosten.

Das TDD-basierte Übertragungsschema führt im Vergleich zu bestehenden SerDes-Lösungen zu deutlich geringeren Rückflussdämpfungs-/Echo-Grenzwerten (RL) an den Knoten (Bild 2). Da eine Einheit entweder Daten sendet oder empfängt, werden die empfangenen Daten nicht durch Echos der gesendeten Daten beeinträchtigt.

 ASA-Motion-Link-MDI-Rückflussdämpfungsgrenzlinien im Vergleich zu denen von FDD-basierten SerDes-Systeme
Bild 2. ASA-Motion-Link-MDI-Rückflussdämpfungsgrenzlinien im Vergleich zu denen von FDD-basierten SerDes-Systemen.
© ASA

Eine reduzierte RL ermöglicht die Verwendung kleinerer und günstigerer Induktoren mit niedrigeren Sättigungs-strömen, wobei die Anforderungen an die Leistungsübertragung und die Verbindungs-leistung weiterhin erfüllt werden. Darüber hinaus gestattet die Kombination aus geringerem Stromverbrauch und besserem RL den Einsatz von Power-over-Cable für zukünftige Displayanwendungen.

➔ Die ASA-basierte SerDes-Integration in die Imager wird die Systemeigenschaften für künftige Anwendungen noch weiter verbessern. In einer typischen Anwendung kann dies die Verlustleistung der SerDes-Kommunikation um 75 % reduzieren.

Bei Fahrzeugkameras, bei denen häufig SerDes als Kommunikations-technologie zum Einsatz kommt, ist noch ein weiterer Aspekt zu berücksichtigen, nämlich die Stromversorgung. Viele Fahrzeugkameras werden an Orten mit sehr begrenztem Platzangebot, wie zum Beispiel den Seitenspiegeln, angebracht. Ein kleiner Formfaktor ist daher unerlässlich, um den Kunden die entsprechenden Funktionen anbieten zu können. Gleichzeitig begrenzt der kleine Formfaktor die maximal zulässige Verlustleistung für Kameras – typischerweise auf Werte von etwa 2 W pro Kamerasensormodul. Wenn dieses Maximum erreicht ist, kann keine weitere Funktionalität hinzugefügt werden. Jede zusätzliche Wärme würde die Qualität des Bildsensors erheblich beeinträchtigen und die Bilder mög- licherweise für die Anwendung unbrauchbar machen. Aus die- sem Grund ist die Einhaltung eines geringen Stromverbrauchs für solche Kamerasensormodule besonders wichtig.

Zusätzlich zum niedrigen Stromverbrauch ermöglicht die einfachere Architektur und der Protokollstack von ASA eine einfache Integration in zukünftige Sensorprodukte. Durch den Wegfall der Hochgeschwindigkeits-schnittstellen zwischen dem Sensor und dem Serializer sowie der beteiligten Protokollanpassungsschichten ermöglicht ASA Motion Link eine besonders wettbewerbsfähige Lösung in Bezug auf Chipfläche, Kosten und Leistungseffizienz.

Verbesserung des Energiebedarfs im Gesamtsystem

All diese Features tragen dazu bei, Strom in den Kameramodulen ebenso wie in anderen Systemen, die SerDes zur Kommunikation nutzen, zu sparen. Der frei werdende Platz und die nicht benötigte Energie in Kameraanwendungen können wahlweise einfach eingespart oder für höhere Auflösungen, höhere Bildwiederholraten oder KI-Rechenfunktionen von ADAS-Sensoren der nächsten Generation verwendet werden. Display-Anwendungen hingegen erhalten die Fähigkeit, die für Panels mit höherer Auflösung erforderliche Leistung mit einer einzigen Datenleitung zu liefern.

 

Die Autoren

Kirsten Matheus, Senior Expert Communication Technologies, BMW
Claude Gauthier, Director of Strategic Innovation, NXP
Nik Dimitrakopoulos, E/E & Infotainment, Rohde & Schwarz
Samay Kapoor, Senior Director of Business Management, Aviva Links
Conrad Zerna, Senior Mixed-Signal ASIC Designer, Fraunhofer IIS
Kamal Dalmia, COO, Aviva Links
Ajeya Gupta, Advanced Networking & Electrical Architecture, Ford Motor Company


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