Elektromagnetische Verträglichkeit und Signalintegrität hochbitratiger Datenbussysteme im Kraftfahrzeug

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Beschreibung

Diese Arbeit befasst sich mit der hochbitratigen Datenübertragung im Basisband über Kupferleitungen im Pkw unter den Aspekten der EMV und der Signalintegrität.

Zukünftige Anwendungen erfordern Datenraten im Gbit/s-Bereich, die nicht mehr über herkömmliche Leitungen übertragen werden können. Ausgehend von herkömmlichen ungeschirmten UTP-Leitungen wurden ungeschirmte sowie geschirmte Flachkabel und schließlich geschirmte Sternviererkabel auf ihre Tauglichkeit als Datenübertragungskabel im Pkw untersucht. Dabei wurde unterschiedliche Kommunikationshardware entsprechend der anvisierten Datenrate eingesetzt. Ziel war es, den Einsatzbereich (max. Datenrate, Kabellänge) unterschiedlicher Kabeltypen herauszuarbeiten. Empirisch und simulatorisch wurden zunächst die Grenzen von kostengünstigen Übertragungsleitungen aufgezeigt und ihr Einsatz für den Gbit/s-Bereich untersucht.

Die Analyse der Datenübertragung über die kostengünstige UTP-Leitung hat ergeben, dass es zu desaströsen Datenausfällen und in Folge zu Systemzusammenbrüchen bei der Übertragung von Daten oberhalb ca. 100 Mbit/s kommen kann. Der Grund für die Datenausfälle sind Impedanzfluktuationen, die bei einer Änderung des Leitungs-Masse-Abstands auftreten und insbesondere bei einem periodischen Impedanzprofil zu kritischen Resonanzen führen können. Die Messung der Datenausfälle konnte sehr gut in der Simulation bestätigt werden.

Die Resonanzeffekte wurden auch bei dem ungeschirmten Flachkabel, das auf Grund seiner kostengünstigen Montage und der Platzvorteile in flachen Bauräumen eingesetzt wird, festgestellt. Hinzu kommt die Möglichkeit eines extrem großen Übersprechens, wenn Flachkabel in engen Bauräumen dicht übereinander liegend verlegt werden. Zusätzlich entstehen durch einen unsymmetrischen Abstand zur Karosseriemasse Gleichtaktstörungen, die zu hoher elektromagnetischer Störemission führen.

Als Lösung für diese Probleme wurde in dieser Arbeit die Flachkabeltechnologie um Impedanz-kontrollierte geschirmte Flachkabel erweitert. Neuartige geschirmte Flachkabel wurden entworfen, hergestellt, charakterisiert und optimiert. Es zeigte sich, dass die Resonanz-, Übersprech- und Störemissionsprobleme eliminiert sind. Die geschirmten Flachkabel sind besonders gut für flache Bauräume mit geraden Verlegewegen geeignet und können bis ca. 1 Gbit/s eingesetzt werden.

Als Standardkabel für hohe Datenraten mit guten Biegeeigenschaften hat sich das Sternviererkabel erwiesen. Die günstige Sternvierer-Konfiguration mit orthogonaler Leitungsanordnung ist – auch aus Sicht der EMV aufgrund der geringen Überkopplung – sehr gut für hohe Datenraten geeignet, was empirisch bis in den Gbit/s-Bereich verifiziert wurde. Die Begrenzung der Datenrate ist fast ausschließlich auf die Leitungsdämpfung zurückzuführen.

Um die Leitungsdämpfung und damit die Übertragungsgrenzen zu beschreiben, wurde in dieser Arbeit erstmalig ein analytisches Leitungsmodell für das Sternviererkabel so erweitert und angepasst, dass es sehr akkurate und kausale Ergebnisse liefert. Dabei wurden physikalische Beschreibungen für die dielektrischen Verluste ausgewählt und Näherungen für den Übergang vom Gleichstrom zum Hochfrequenzbereich ermittelt. Eingesetzt in einen Simulationsaufbau einer beliebigen Übertragungsstrecke, lässt sich mit Hilfe dieses Modells schnell die maximale Leitungslänge als Funktion der Datenrate gewinnen, die Vorhersagen über die Übertragungssicherheit zukünftiger Systeme erlaubt. Wegen der hohen Datenrate, guten EMV-Eigenschaften und der geringen Leistungsaufnahme ist die LVDS-Übertragungsstrecke sehr gut für den Einsatz im Pkw geeignet und wurde zur Verifikation des Leitungsmodells eingesetzt. Es wurde nachgewiesen, dass bei einer Datenrate von 1.5 Gbit/s Leitungslängen von 8 m bzw. 15 m (mit zusätzlicher Vorverzerrung) möglich sind, was den Einsatz im Fahrzeug ermöglicht. Die Genauigkeit und Effizienz der Simulation konnte deutlich verbessert werden, indem zunächst im Frequenzbereich simuliert und anschließend auf Zeitsignale zurückgerechnet wurde.

Nach dem Studium der Elektrotechnik an der RWTH Aachen (2001) beschäftigte sich Volker Zwillich zunächst bei der Daimler AG in Ulm mit der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von Datenbussystemen. Von 2003 bis 2008 promovierte er an der Universität Ulm, Institut für Mikrowellentechnik, auf dem Gebiet EMV und Signalintegrität hochbitratiger Datenbussysteme im Kraftfahrzeug. Seit 2008 befasst sich Volker Zwillich bei der BMW AG mit der EMV vom Gesamtfahrzeug