Technologie budoucnosti? Od elektrického přenosu dat ve vozidle k optickému

Optický přenos dat: To, co je již běžné v datových centrech, způsobí revoluci v přenosu dat v automobilovém průmyslu

Technologie Ethernet si již několik let razí cestu do světa automobilů, což vede k významným změnám v architektuře palubní sítě. Důvodem je neustále rostoucí množství dat díky systému ADAS, automatizovanému a autonomnímu řízení a také rostoucí počet senzorů, kamer a obrazovek ve vozidle. Odpovídající množství dat vyžaduje i změna způsobu používání vozidel v souvislosti s autonomním řízením. Vozidlo budoucnosti tak může sloužit například jako kancelář nebo obývací pokoj. Dalším důvodem pro použití technologie Ethernet je snížení složitosti kabelového svazku a cíl vyrábět jej automatizovaně.

Ve velkých světových datových centrech již delší dobu pozorujeme trend, že klasické ethernetové systémy jsou nahrazovány optickým přenosem dat. V oblasti telekomunikací je to již velký pokrok.

Nabízí se otázka, proč jsou klasické ethernetové systémy nahrazovány optickým přenosem dat, jaké jsou mezi těmito systémy rozdíly, v čem spočívají jejich výhody a nevýhody a také limity obou systémů. Právě těmito otázkami se zabýváme v tomto blogu.

Optika, nebo měď – přenosové technologie a jejich fyzikální zvláštnosti

Pokud se podíváte na strukturu přenosového kanálu, zjistíte významné rozdíly ve funkci příslušné přenosové technologie. Zatímco při elektrickém přenosu dat přebírají přenos různých hodnot napětí elektrony, při optickém přenosu dat jsou to fotony, které vysílají jakousi „morseovku“, v níž se světelný zdroj zapíná a vypíná s velmi vysokou frekvencí.

Pokud se podíváme na přenosovou rychlost, elektromagnetický přenos dat s 230 000 km/s by byl schopen dosáhnout vyšší přenosové rychlosti než optický přenos, protože rychlost světla v optickém vlákně je nižší a činí pouze 200 000 km/s. Tak to však není, protože při elektromagnetickém přenosu dat hrají hlavní roli fyzikální efekty.

Zásadním faktorem je útlum signálu, který při elektrickém přenosu dat neúměrně roste s přenosovou frekvencí. Dalším faktorem je délka přenosového spoje, která tento efekt dále posiluje. Proto je nutné omezit délku kabelu pro přenos dat rychlostí vyšší než 10 Gbit/s pro elektrický přenos (např. 10 Gbit/s na 15 m nebo 25 Gbit/s na 11 m). Pro přenos vyšších přenosových rychlostí se využívají také možnosti komprese tzv. pulzní amplitudové modulace (PAM 4 – PAM16), aby bylo možné přenášet potřebné přenosové rychlosti stále po spojovacích trasách.

Kromě toho je také nutné omezit počet tzv. inline spojení. V současné době se čipový průmysl snaží nalézt řešení pro zlepšení integrity signálu, aby se zabránilo multilaningu (více paralelním linkám) při rychlostech přenosu dat > 25 Gb/s. Zde se uplatní témata digitálního zpracování signálu (DSP), jako jsou ekvalizéry, tlumivky souhlasného napětí, DC blok, EMI filtr a trasy bezpečné proti elektrostatickému výboji, aby byla zajištěna integrita signálu prostřednictvím opatření na řídicí jednotce. Při vyšších rychlostech přenosu dat mají tato opatření vliv na potřebnou plochu desky plošných spojů, náchylnost EMC k elektromagnetickým rušením, a tím i na náklady.

Při pohledu na optický přenos dat je hned jasné, že fyzikální zákony otevírají široké pole možností, a v datových centrech se již také využívá. Díky nízkému útlumu signálu optických kabelů je například možný přenos rychlostí 25 Gbit/s na vzdálenost nejméně 40 m pomocí NRZ (non Return to Zero). To znamená, že přenos může probíhat bez komprese. Tím se snižuje složitost přenosu na řídicí jednotce, protože při této rychlosti přenosu dat není nutné vynakládat úsilí na DSP a modulaci PAM. Další výhodou je, že odstraněním opatření lze ušetřit místo na řídicí jednotce. Optický přenos dat má navíc stále náskok v oblasti elektromagnetické kompatibility (EMC), protože plast ani sklo neumožňují působení elektrických a magnetických polí. Tato technologie je proto ideální pro použití v citlivých oblastech vozidla, jako jsou systémy řízení baterií, pro použití s galvanickým oddělením nebo také v oblasti vysokofrekvenčních antén.

Optický přenos dat jako technologie budoucnosti v automobilu?

Se všemi klady a zápory vyvstává otázka, kdy má smysl uvažovat o změně paradigmatu v přenosu dat v automobilovém průmyslu.

Podle interního průzkumu MD mezi odborníky jsou názory stále velmi různé, protože v současné době se touto technologií na trhu zabývá pouze několik firem. V průzkumu byly porovnávány úrovně přenosových rychlostí podle IEEE 10 Gbit/s, 25 Gbit/s a 50 Gbit/s hlediska technické náročnosti, nákladů a přijatelnosti pro zákazníky.

Výsledky k technické náročnosti byly stanoveny na základě nezbytných opatření pro EMC, mezních hodnot (např. vložný útlum, přeslechy), složitosti čipu, počtu inline konektorů, náročnosti designu pro minimalizaci odrazů a dosažení potřebné přenosové frekvence. Do hodnocení byla zahrnuta také dosažitelná délka spojení.

Pro posouzení nákladů byl zohledněn odhad finanční náročnosti pro přenosové spojení. To zahrnuje spojení mezi čipy včetně všech nezbytných opatření na desce plošných spojů, která umožňují bezpečný přenos dat za požadovaných podmínek.

Dalším důležitým bodem hodnocení bylo přijetí ze strany zákazníků, které bylo kvantifikováno pomocí přijetí přenosové technologie a využitelnosti u OEM a Tier1. To zahrnuje například odhad časové a finanční náročnosti testů pro uvolnění, nákladů na uvolnění a náročnosti instalace do vozidel.

Z těchto otázek byly stanoveny průměrné hodnoty, které byly použity pro jednotlivé diagramy. Existuje poměrně přesný výpočet, kdy náklady na elektrický přenos dat převýší náklady na optický přenos dat – a nejpozději tam automobilový průmysl určí směr optického přenosu dat.

Technická náročnost k dosažení rychlosti přenosu dat

Důvodem je skutečnost, že v rozmezí 10 až 25 Gbit/s exponenciálně rostou náklady na dosažení kvality signálu. Je dokonce možné, že ve střednědobém horizontu převýší náklady na zavedení nové technologie. To bude platit nejpozději od rychlosti 25 Gbit/s, protože od této rychlosti jsou pro funkční měděný spoj nutné 2 paralelní linky (např. linky H-MTD).

Náklady na rychlost přenosu dat

Důležitým bodem pro zavedení optického přenosu dat je přijetí ze strany zákazníků. Z průzkumu (viz obr. 3) je zřejmé, že optická technologie potřebuje stále větší propagaci, aby byla připravena na sériové použití v automobilovém průmyslu. Za předpokladu zavedení rychlosti 25 Gbit/s už nezbývá moc času na systematické zahájení sériové výroby, protože uvolnění nové technologie trvá poněkud déle než uvolnění známých technologií.

Přijatelnost technologií pro příslušné rychlosti přenosu dat

Rychlého přijetí lze dosáhnout pouze prokázáním mnoha výhod, jako je mechanická odolnost, nezávislost na EMC, jednoduché galvanické oddělení a úspora místa a hmotnosti.

Měď – nedostatková surovina

Dalším klíčovým bodem pro změnu paradigmatu je dostupnost zdrojů mědi, která se v důsledku rostoucí poptávky stává vzácnou mnohem dříve, než se očekávalo. Důvodem jsou extrémně rostoucí nároky na palubní energetickou síť, kvůli nimž je nutné zvážit alternativy k palubní datové síti. Zde by byl optimálním řešením optický přenos dat, protože neobsahuje žádné měděné komponenty, takže palubní sítě by se nedostatek mědi netýkal.

Kdy se optický přenos dat prosadí v automobilu?

Na závěr se nabízí otázka, kdy by mohlo dojít k využití optického přenosu dat v automobilech. I tomuto tématu se průzkum věnoval a výsledek byl poněkud překvapivý, neboť názory se zde značně liší. Z analýzy, kdy nejdříve by mohl optický přenos najít uplatnění, je z obr. 4 patrné, že čím vyšší byla rychlost přenosu dat, tím více respondenti spoléhali na optické řešení. Lze předpokládat, že optický multigigabitový přenos se v prvních sériových aplikacích začne používat v roce 2026 a že tato technologie pak postupně ovládne trh.

Kdy se optika prosadí jako přenosové médium v automobilové elektroinstalaci?

Závěr

Vzhledem k výše uvedenému lze rychle dojít k závěru, že nebude trvat dlouho a optika se začne používat jako nová technologie, protože potřeba řešení všech těchto problémů je stále větší. Standardizace normy IEEE802.3cz bude rovněž dokončena na začátku roku 2023. Poté bude spuštěna fyzická vrstva Open Alliance, takže standardizace optického multigigabitového přenosu bude pravděpodobně stanovena v roce 2024.

Proto společnost MD ELEKTRONIK již nyní intenzivně pracuje na optickém přenosu dat ve vozidle a připravuje řešení pro budoucí technologie zítřka.