Modellierung und Verifizierung Ethernet-basierter Bussysteme im Kfz und Charakterisierung der EMV- Störungen

Abstract:
Die zu erwartenden Bandbreiteanforderungen zukünftiger Automobilnetzwerktechnologien stellen die Kraftfahrzeughersteller weltweit vor neuen Herausforderungen. Insbesondere die stetig steigenden Video-Datenraten im Kraftfahrzeug setzen sehr schnelle Netzwerktechnologien voraus. Weiterhin bereitet sich die Automobilindustrie auf die komplette Umsetzung des autonomen Fahrens (inkl. Machine Learning, künstliche Intelligenz), die Einbettung der neuesten 5G-Kommunikationsstandards sowie V-2-V bzw. V-2-X Datenübertragungstechnologien vor. Die mittlerweile etablierte 100-Mbit-Ethernet Technologie (IEEE 100Base-T1) über ungeschirmte verdrillte Datenleitungen (UTP), kann die zuvor genannten Bandbreiteanforderungen nicht mehr vollständig erfüllen. Die nächste Generation Automotive-Ethernet-Kommunikation (IEEE 1000Base-T1) strebt Datenraten von 1 Gbit/s an. Darüber hinaus wird heute schon über Kommunikationstechniken von bis zu 12,5 Gbit/s diskutiert. Die Steigerung der Datenrate soll einerseits durch Steigerung der Baudrate und andererseits durch die Erhöhung der Auflösung pro übertragenes Symbol (z.B. durch Pulsamplitudenmodulation (PAM) realisiert werden. Die bestehenden Standards für 100 Mbit/s und 1000 Mbit/s verwenden jeweils PAM-3 modulierte Signale. Anschließend ist geplant höher Modulationsformate wie PAM-5 bis PAM-16 zu verwenden. Allerdings führen höhere Modulationsformate nicht nur zu einer Reduzierung des Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) sondern auch zu einer vergrößerten Sensitivität bezüglich Übersprechen (Common-Mode und Differential-Mode). Diese Störeinflüsse nehmen auch mit steigender Systembaudrate zu. Aufgrund der o.g. Fakten, kommt der Untersuchung der Robustheit der neuesten Ethernet Bussysteme und deren einzelnen Komponenten eine bedeutende Rolle zu. Komponenten der genannten Bussysteme sind u.a. Transceiver-Chip, Tiefpassfilter, Gleichtaktdrossel und der Übertragungskanal (UTP/STP-Kabel). Für zukünftige Multi-Gig Automotive-Kommunikation steht die Charakterisierung der EMV-Störungen im Mittelpunkt des Systementwurfs. In diesem Artikel wird das komplette analoge Frontend des Highspeed Ethernet-Systems anhand von SPICE-Ersatzschaltbildern modelliert und simuliert. Die Simulationen werden durch Messungen verifiziert.