Automotive Ethernet Von Kupfer zu Glasfaser – und was das für die Messtechnik bedeutet

Anbieter zum Thema

Keysight Technologies Deutschland GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

dataTec AG

Mit steigenden Datenraten in Fahrzeugen verschiebt sich der messtechnische Fokus von der Bitfehlerrate hin zu Signalintegrität, EMV und optischer Charakterisierung. Der Wechsel von Kupfer zu Glasfaser ist dabei auch eine pragmatische Antwort auf die physikalischen Gegebenheiten im Fahrzeug.

Das Bordnetz durchläuft einen tiefgreifenden architektonischen Wandel. Auf dem Weg zum automatisierten Fahren (SAE Level 3/4) und zum softwaredefinierten Fahrzeug (SDV) stößt die physikalische Übertragungsschicht (PHY) an ihre Grenzen. Der Übergang von ungeschirmten (UTP) über geschirmte Twisted-Pair-Kabel (STP) hin zu Koaxial- und Glasfaserleitungen ist dabei nicht allein eine Frage der Datenrate, sondern eine Antwort auf die physikalischen Randbedingungen im Fahrzeug. Damit wird auch die Test- und Messtechnik vor neue Aufgaben gestellt.

Warum robustere Übertragungsmedien nötig werden

Der Trend zu höherwertigen Leitungen folgt einer physikalischen Grundregel: Mit steigender Datenrate wächst die spektrale Bandbreite des Signals, und die Leitung wirkt zunehmend wie eine Antenne, die sowohl als Störquelle als auch als Störsenke wirkt. Was bei 10 oder 100 MBit/s noch beherrschbar war, wird bei Gigabit- und Multi-Gigabit-Raten zu einem zentralen Problem für Signalintegrität (SI) und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

Die Realität von Labor versus Straße

Eine Leitung zu entwickeln, die auf dem Prüfstand funktioniert, ist nur ein Teil des Problems. Schließlich müssen auch das Schaltnetzteil und der Traktionswechselrichter eines Elektrofahrzeugs zuverlässig arbeiten. Der wesentliche Treiber für den Umstieg auf Koaxial- und Glasfaserleitungen ist die stark zunehmende EMI-/EMV-Belastung in fahrzeuginternen Hochgeschwindigkeitsnetzen.

In der Praxis weichen Messergebnisse im Fahrzeug oft erheblich von den Laborwerten ab. Ein bekanntes Beispiel ist der 1000BASE-T1-Kabelbaum über UTP: Auf dem Prüfstand bestand er die Compliance-Tests, im Fahrzeugumfeld erreichte er jedoch keine ausreichende Zuverlässigkeit. In der Folge etablierte sich STP als Standard für 1000BASE-T1, da es eine robustere EMV-Marge bietet. Für Multi-Gigabit-Verbindungen liefert die Koaxialverkabelung dank durchgehender 360-Grad-Schirmung ein nochmals besseres EMV-Verhalten. Die konsequente Lösung bleibt jedoch die Glasfaser, die elektromagnetische Kopplungen im Fahrzeug prinzipbedingt ausschließt.

Genau diese Diskrepanz zwischen Prüfstand und Realbetrieb macht deutlich, dass Labormessungen allein nicht genügen: Neben normativen Compliance- und EMV-Messungen (z. B. nach CISPR 25, IEEE 802.3 sowie den OPEN-Alliance-Spezifikationen TC1/TC9 für den Link-Segment- und Channel-Test) gewinnen realitätsnahe Systemmessungen im Gesamtfahrzeug an Bedeutung.

Warum sich die Migration beschleunigt

Die EMI/EMV-Schwelle: Oberhalb von 1 GBit/s kann UTP eigene Emissionen kaum noch begrenzen und bleibt zugleich empfindlich gegenüber Einkopplungen. STP entschärft das durch Schirmung der Aderpaare, was auf Kosten von Gewicht und Steckerkomplexität erfolgt. Messtechnisch verschiebt sich der Fokus hier von einfachen Bitfehlerraten-Tests hin zu Störfestigkeits- und Emissionsmessungen (BCI, ALSE, DPI).

Der Aufstieg des Koaxialkabels: Koaxialleitungen sind seit Langem Standard in HF-Anwendungen. Sie bieten einen definierten, gut kontrollierbaren Übertragungsweg in der elektrisch rauen Fahrzeugumgebung und lassen sich zuverlässig auf 10 GBit/s und darüber skalieren. Für die Charakterisierung sind hier vor allem S-Parameter-Messungen (Einfüge- und Rückflussdämpfung) mittels VNA sowie Impedanz-/Fehlstellenanalysen per TDR relevant.

Glasfaser: Glasfaser gilt als Zielarchitektur des Bordnetzes. Da Daten als Photonen statt als Elektronen übertragen werden, ergeben sich mehrere Vorteile:

• Vollständige galvanische Trennung: Es entstehen keine Masseschleifen und es besteht kein Kurzschlussrisiko zwischen Steuergeräten.

• Immunität gegen EMI: Die Verbindung emittiert keine Störungen und ist auch nicht störanfällig.

• Gewichtsersparnis: Glas- oder Kunststofffasern (POF) sind deutlich leichter als Kupfer. Das wirkt sich unmittelbar positiv auf die Reichweite und Effizienz von Elektrofahrzeugen aus.

Die optische Übertragung verlagert den messtechnischen Schwerpunkt: An die Stelle klassischer EMV-Prüfungen treten optische Größen wie Dämpfungsbudget, optische Sende-/Empfangsleistung, Extinktionsverhältnis und optische Augendiagramme sowie die Prüfung von Steckverbindern (Insertion/Return Loss, Verschmutzung).

Da Fahrzeugarchitekturen die Rechenleistung zunehmend zentralisieren und die Datenraten weiter steigen, sind Entscheidungen zur Übertragungsschicht keine nachrangigen Designdetails mehr. Sie werden zu entscheidenden Faktoren für die Zuverlässigkeit, Skalierbarkeit und Systemleistung. Der Wandel von Kupfer zu Glasfaser ist somit weniger Ausdruck technologischen Ehrgeizes als eine pragmatische Antwort auf die physikalischen Gegebenheiten im Fahrzeug. Für die Entwicklung und Absicherung bedeutet er zugleich, dass die Test- und Messstrategie diesen Medienwechsel konsequent mitgehen muss. Dies reicht von der SI-/EMV-Charakterisierung der Kupferstrecke bis zur optischen Messtechnik der Glasfaser. (heh)

Messen und Testen

Anritsu bietet Automotive-Ethernet-Testlösung basierend auf Tektronix-Oszilloskop

* Seungtaek Chang ist SDV Solution Manager bei Keysight Technologies. Er ist für die Software-Defined-Vehicle-Lösungen von Keysight verantwortlich, wobei sein Schwerpunkt auf NG eCall, Bordnetzwerken und Automotive Cybersecurity liegt.

(ID:50908898)