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Signalqualität statt Systemkomplexität

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Signalqualität statt Systemkomplexität

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Hirschmann will mit einer neu-artigen Antenne die Infotainment-Struktur aufräumen. Dabei bekommt die Antenne neben dem Senden und Empfangen auch die Signalverarbeitung zugeteilt, was nicht nur weitere ECUs einspart.

Der Autor: Steffen Lang, Product Management, Hirschmann Car Communication GmbH, Neckartenzlingen

Smart Antenna eröffnet neue Optionen für die Architektur von Infotainmentsystemen
Autofahrer – egal welchen Alters – stehen beim Bedienen ihrer Infotainment- und Assistenzsysteme oftmals vor einer Herausforderung. Es ist zu beobachten, dass mit steigender Anzahl an Funktionen auch die Größe der Bildschirme zunimmt: In einem Tesla S zum Beispiel kann man die meisten Funktionen auf einem 17-Zoll Touchscreen steuern, so dass viele manuelle Schalter wegfallen. Das bringt zwar für die Insassen eine bessere Übersichtlichkeit mit sich, löst aber nicht das Problem der stetig wachsenden Komplexität der Fahrzeugelektronik im Hintergrund. Denn je mehr Funktionen verfügbar sein sollen, desto mehr Elektronik und elektronische Steuergeräte (ECU = Electronic Control Unit) sind notwendig. Die Head-Unit (HU) integriert bereits einige Funktionen. Die restlichen werden von Steuergeräten zur Verfügung gestellt, die über das gesamte Fahrzeug verteilt und miteinander vernetzt sind. Rund 50 verschiedene ECUs findet man derzeit in einem Mittelklassefahrzeug, bei Oberklassefahrzeugen mit einer größeren Anzahl von Assistenzsystemen sind sogar 80 bis 100 Geräte keine Ausnahme. Entsprechend aufwändig ist die Gestaltung und Vernetzung dieser elektronischen Architekturen – zudem muss bei der Entwicklung neuer Fahrzeugmodelle berücksichtigt werden, dass neue „Smart Devices“ reibungslos integrierbar sind.
Einen Ausweg aus diesem Komplexitäts-Dilemma bietet die Smart Antenna von Hirschmann Car Communication. Als Gegenentwurf zu bisherigen Infotainment-Systemarchitekturen basiert sie auf einer geänderten Partitionierung der Steuergeräte und deren Services im Fahrzeug, um die Wege im Auto so kurz wie möglich zu halten und Funkdienste an zentraler Stelle zu kapseln. Dazu vereint die Smart Antenna zwei Funktionsgruppen: zum einen die Sende- und Empfangstechnik, sprich Antennen plus ggf. Verstärker und zum anderen die elektronische Weiterverarbeitung der Signale.
Einheit aus Tuner, Transceiver und Antennen
Die Smart Antenna baut auf einer typischen Dachantenne im Haifischflossen-Design (Sharkfin) auf. Diese wird um ein elektronisches Steuergerät (ECU) erweitert, das sich unmittelbar unter der Dachantenne befindet und die empfangenen Signale von Diensten wie AM/FM/DAB Radio, Mobilfunk, GPS, Bluetooth oder digitalem TV direkt weiterverarbeitet. Das umfasst Tuning, Demodulation, Dekodierung von Daten und das Handling der unteren Schichten von Kommunikationsprotokollen.
Mit diesem Aufbau bildet die Smart Antenna eine neue „Einheit“ aus Tuner, Transceiver und Antennen. Das reduziert – erstens – die Komplexität bei der Integration unterschiedlicher Funkdienste: Mobilfunkstandards (GSM, UMTS, LTE) und Navigationsdienste (GPS, Glonass, Galileo, BeiDou) werden mit Rundfunk (AM/FM, DAB, SiriusXM), Keyless Entry (Bluetooth LE) sowie Car-to-X (802.11p) an einer Stelle kombiniert und zentral aufbereitet. Über eine wohldefinierte Schnittstelle lässt sich nun die Gesamtheit dieser Funkdienste, von z.B. einer Head-Unit aus, bequem und einheitlich nutzen. Da nicht alle genannten Dienste stets in jedem Fahrzeug gefordert sind, wurde beim Design der Smart Antenna auf Skalierbarkeit geachtet. Somit sind viele Ausstattungs-Varianten mit ein und derselben Plattform realisierbar.
Die Smart Antenna verringert – zweitens – die Distanzen, die analoge HF-Signale im Auto zwischen Antenne und Empfangsgerät zurücklegen. Das kommt den Fahrzeuginsassen beim Telefonieren, Radiohören, Navigieren oder Fernsehen zugute. Weniger Verluste auf kürzeren Leitungen und ggf. weniger HF-Steckverbindungen sorgen für einen besseren Signal-Rausch Abstand (S/N), was in Summe einen besseren Empfang ergibt. Die unmittelbare Signalverarbeitung und die Position am Fahrzeugdach sind dabei auch für den Empfang von GHz-Signalen für WLAN- und Bluetooth-Verbindungen ideal. Falls das Steuergerät und die Antenne nicht gemeinsam an einer Stelle am Dach montierbar sind – wie etwa bei Cabrios – lassen sich die Komponenten auch entkoppelt verbauen.
Der Bauraum einer typischen Sharkfin-Antenne erlaubt nur die Unterbringung von kleineren Antennen mit wenigen Zentimetern Länge und damit nur den Empfang von bestimmen Frequenzbereichen. Daher stellt die Sharkfin-Antenne zwar den GNSS-, Telefon-, Bluetooth- und Satelliten-Radio-Empfang sicher; die Antennen für den terrestrischen Radio- und TV-Empfang sind aufgrund ihrer Größe jedoch je nach verfügbaren Bauräumen an anderen Stellen im Fahrzeug untergebracht. Zum Beispiel befinden sich Rundfunk-Antennen oftmals in der nahegelegenen Heckscheibe. Die Zuführung dieser Antennen zur Smart Antenna ergibt in Summe das Smart Antenna System.
Die Bündelung der Funktionen und die unmittelbare Signalverarbeitung sorgen – drittens – für Einsparungen bei der Verkabelung. Denn im Auto werden weniger Meter Koaxial-Kabel verwendet bzw. durch kostengünstigere und verlustfreie Ethernet-Kabel ersetzt. Insgesamt vermindert sich die Anzahl an Kabeln und unnötigen Schnittstellen im Auto, was die Montagezeiten in der Produktion reduzieren kann.
Diese Systemarchitektur trägt maßgeblich dazu bei, die immense Komplexität von Head-Units zu reduzieren, zumal die Adaption neuer Technologien für Head-Units mit einem hohen Entwicklungsaufwand verbunden ist. Der Datentransfer von der Smart Antenna an die Head-Unit erfolgt nur noch über ein digitales Bussystem, wobei aktuelle Standards wie MOST150 oder Automotive Ethernet wahlweise unterstützt werden.
Gerüstet für zukünftige Trends
Mit dem Smart Antenna-Konzept können sich Automobilhersteller außerdem auf drei Trends vorbereiten. Insbesondere im GHz-Bereich stehen Entwicklungen an, für die die Smart Antenna-Architektur bereits durch die Unterbringung der Antennen auf dem Dach (= ideal für die Reichweite und Abstrahlung) und die unmittelbare Signalverarbeitung (= ideal für GHz-Signale) beste Voraussetzungen schafft.
Den ersten Anwendungsfall stellt eine WLAN Verbindung „nach Außen“ (2,4 und 5 GHz) dar. So werden z.B. die Erwartungen der Kunden bzgl. Softwareupdates im Auto zunehmen und sich den Standards annähern, die bei der Aktualisierung von Smartphones üblich sind. Die Zeiten, in denen nur eine Autowerkstatt neue Software aufspielen konnte, werden bald der Vergangenheit angehören. Ein mögliches Szenario ist, dass sich das Auto über Nacht in das heimische Netzwerk einloggt und entsprechende Softwarepakete herunterlädt.
Mit Hilfe von Bluetooth Low Energy (2,4 GHz) kann zukünftig das Smartphone die Funkfernbedienung ersetzen, so dass sich Autos per Bluetooth-Verbindung und entsprechender Verschlüsselung öffnen lassen. Auch weitere Funktionen sind hiermit möglich: die neue Mercedes E-Klasse verwendet für ihren „Remote-Park-Pilot“ bereits eine Bluetooth-Verbindung zwischen Fahrzeug und Smartphone. Auch für diese Anwendung ist die Smart Antenna auf dem Dach optimal geeignet.
Der dritte Trend ist die Car-to-X Kommunikation im Frequenzbereich von 5,9 GHz. Für die direkte Kommunikation der Fahrzeuge untereinander oder mit der Umgebung ist bereits der Funkstandard 802.11p spezifiziert. Dessen verpflichtende Einführung durch den Gesetzgeber wird derzeit in den USA diskutiert, was die Wahrscheinlichkeit auf serienmäßig ausgestattete Fahrzeuge mit 802.11p deutlich erhöht.
Hirschmann Car Communication GmbH
Tel.: +49 7127 14-1415
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