Sistemele IVI de informare și entertainment (infotaiment) din vehicule, cu lățime mare de bandă cu viteze de transfer de date mai mari de 100 Mbit/s au fost oferite istoric în mașinile de clasă superioară; totuși, din ce în ce mai multe vehicule economice și cu mare volum de pasageri au început, de asemenea, să ofere capabilități IVI cu lățime mare de bandă. Independent de funcțiile bazate pe software pe care le pot oferi diferitele sisteme IVI, toate partajează o chestiune comună: necesitatea unei tehnologii robuste și cu lățime mare de bandă care să stea la baza stratului fizic.
În mod istoric, rețelele optice MOST150 au servit scopului de a fi stratul fizic de infotainment cu lățime mare de bandă, răspunzând tuturor cerințelor OEM cu privire la lățime mare de bandă, scalabilitate, masă mică, robustețe ridicată, EMC și capabilitate de a se potrivi în spațiile limitate disponibile în vehicule. Cu toate acestea, în ciuda tuturor caracteristicilor menționate, costul a reprezentat o barieră pentru unii producători auto de mare volum.
Necesitatea de a răspunde cerințelor pieței pentru o cale de scădere a costurilor pentru stratul fizic al IVI, capabil de a îndeplini necesitățile provocatoare ale domeniului auto, a declanșat un proces de inovare care a generat un nou strat fizic standardizat pentru rețele IVI, bazat pe caburi coaxiale.
Cablurile coaxiale au numeroase avantaje în proiectare și anume:
• Suportă transfer de date cu lățime de bandă ridicată
• Eficiență ridicată a ecranării – performanțe EMC robuste
• Este disponibil un proces de asamblare automată a conectorilor
• Sunt satisfăcute cerințele mecanice, precum capabilitatea de îndoire și domeniul mare al temperaturii de operare
• Eficiență economică pentru o soluție de clasă auto
• Impedanță controlată strâns, permițând mod de operare full-duplex
• Fac posibilă transmisia de putere împreună cu cea de date prin același cablu
Figura 1: • 1 conductor central; • 2 izolator dielectric intern; • 3 element de ecranare metalic; • 4 manta din plastic
Mai mult, ele au fost deja utilizate în industria auto de decenii, cu o experiență dovedită în zona cablurilor de conectare punct-la-punct. Printre exemple pot fi prezentate conexiunile între antenă și radio, conexiunile între antenă și un modul de Sistem Global pentru comunicație Mobilă (GSM).
De aceea, infrastructura existentă pentru producție înalt automatizată și lanțul de achiziție corespunzător sunt bine stabilite. În consecință, cerințele auto cu privire la domeniul de temperatură și cerințele mecanice sunt îndeplinite. Suplimentar, modele de conectori standard pentru industria auto (FAKRA) sunt, de asemenea, disponibile și au fost adoptate de diferiți furnizori. Conectorii FAKRA există în numeroase forme diferite și sunt furnizați cu diferite culori și scheme de codare mecanică permițând un proces de asamblare ușor și optimizat ca timp la nivel de linie de producție a vehiculelor. Conectorii FAKRA îndeplinesc cerințele din industria auto, dar pot fi și produși utilizând metode cu un înalt grad de automatizare.
Figura 1 ilustrează o secțiune transversală a unui cablu coaxial. Acest model prezintă principalele avantaje ale unui cablu coaxial, precum câmpul electric asociat semnalului transmis prin conductorul de bază (1) este conținut în spațiul limitat de dispozitivul de ecranare metalic (3).
În consecință, cablul coaxial nu radiază extern energie. În același timp ecranul (3) protejează conductorul de bază (1) de câmpurile electrice externe, oferind imunitate ridicată a semnalului. Acestor două proprietăți ale cablurilor coaxiale li se datorează performanțele robuste de compatibilitate electromagnetică (EMC) care facilitează poziționarea cablului coaxial într-un vehicul.
Proprietățile reprezintă, de asemenea, un factor economic deoarece nu este nevoie de a dezvolta un traseu special de cablu sau să se respecte limitări stricte pentru poziționarea cablurilor coaxiale.
Figura 2: Sistem de infotainment constând din trei noduri conectate într-o topologie inel bazată pe strat fizic coaxial Dual Simplex.
Figura 3: Sistem de infotainment constând din două noduri conectate într-o conexiune punct-la-punct bazată pe strat fizic coaxial Full Duplex.
Cablurile coaxiale oferă caracteristici care nu sunt disponibile în sistemele clasice optice MOST®. Unul dintre aceste avantaje este bazat pe impedanța controlată a cablurilor coaxiale, care face posibil a avea atât comunicație Dual Simplex (DS), cât și bidirecțională Full Duplex (FD). Se permite astfel implementarea de topologii de rețea suplimentare prin comparație cu inelul clasic MOST, ceea ce reprezintă o inovație importantă în rețelele IVI. Pentru cazuri speciale de utilizare poate fi implementată, de asemenea, o combinație de comunicații DS și FD. Tabelul 1 prezintă un sumar al topologiilor care pot fi implementate utilizând stratul fizic coaxial.
Haideți să vedem în detaliu toate topologiile de rețele care pot fi implementate utilizând acest strat fizic.
Inelul clasic MOST pe un strat fizic coaxial poate fi implementat după cum se poate observa în Figura 2. Acest fel de topologie de rețea se bazează pe comunicație DS unidirecțională care necesită un cablu de întoarcere care să închidă structura de tip inel.
Figura 4: Sistem de infotainment ce constă din trei noduri conectate într-o topologie cu înlănțuire bazată pe un strat fizic coaxial Full Duplex.
Utilizând în schimb comunicație FD se permite proiectanților implementarea de topologii care altfel nu erau posibile. De exemplu, considerând un sistem cu 2 noduri, poate fi realizată o conexiune pură punct-la-punct, după cum se poate observa în Figura 3. În acest caz, mulțumită comunicației bidirecționale a liniei coaxiale FD, nu există necesitatea de a utiliza și un cablu de întoarcere. Cel mai mare avantaj al acestei topologii este o reducere a costului sistemului cu până la 50% prin comparație cu structura clasică optică MOST cu două noduri. Această opțiune de economie este foarte interesantă pentru producătorii auto de mare volum, deoarece cu un sistem cu două noduri poate fi implementat un sistem puternic de infotainment, constând dintr-o unitate centrală la bord și un amplificator.
Figura 5: Exemplu de configurație hub bazată pe strat fizic coaxial.
Pentru arhitecturi mai complexe cu trei sau mai multe noduri, comunicația FD permite proiectanților să implementeze o topologie cu înlănțuire (daisy chain) între nodurile IVI. Un exemplu de sistem de infotainment cu trei noduri este prezentat în Figura 4. De asemenea, în acest caz, absența unui cablu de întoarcere simplifică procesul de asamblare în cadrul mașinii și contribuie la o reducere globală a costului sistemului.
O altă topologie de rețea care este posibilă cu trei sau mai multe noduri pe un strat fizic coaxial utilizând comunicație FD este configurația hub. Un exemplu de aplicație este prezentat în Figura 5. Un display din mașină acționând ca un hub este conectat punct-la-punct cu două camere pentru vedere în spate, care substituie oglinzile externe.
Figura 6: Exemplu de sistem de infotainment existent bazat pe o topologie inel pe strat fizic coaxial care poate fi extinsă prin adăugarea unei topologii prin înlănțuire (daisy chain).
Combinația între comunicație DS și FD permite proiectanților să adauge noi aplicații unui sistem de infotainment existent bazat pe topologie inel. Un exemplu poate fi adăugarea unui subdomeniu audio cu o rețea de microfoane la un sistem existent care era original dezvoltat fără suport pentru rețea de microfoane.
Toate topologiile prezentate suportă opțional transmisia puterii prin linia de date coaxială. Aceasta permite proiectanților să economisească linii de putere dedicate și conectori pentru fiecare nod din rețea care este alimentat prin cablu coaxial. Sunt posibile astfel economii privitoare la cost și masă, precum și un proces mai ușor de asamblare a mașinii. Arhitecturile prezentate în Figura 5 și Figura 6 sunt exemple perfecte pentru ilustrarea avantajelor transmisiei de putere prin cablu coaxial. De fapt, modulele de cameră și microfon au un factor de formă mic și de aceea, posibilitatea de a utiliza un singur conector care să suporte transmisie de date și de putere simplifică designul mecanic al modulelor.
Tabelul 2 prezintă o comparație a costurilor stratului fizic pentru rețelele IVI bazate pe un sistem cu două noduri. Rezultatul clar al comparației este acela că o rețea bazată pe un strat fizic coaxial oferă cel mai bun raport performanțe – cost.
Avantajele adoptării unui sistem de infotainment în rețea de mare viteză bazat pe strat fizic coaxial sunt evidente. Adoptarea acestei tehnologii de către OEM-uri a început deja să se deruleze și, din ce se observă, piața o primește cu brațele deschise.
Bibliografie
– Maarten Kuijk, Microchip, MOST-Forum-2014-p03-Eqcologic.pdf (https://de.wikipedia.org/wiki/Koaxialkabel)
– Terence Rybak and Mark Steffka, Springer, Automotive Electromagnetic Compatibility (EMC)
Autor: Carmelo De Mola,
Product Marketing Manager
Microchip Technology | www.microchip.com
