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Hochfrequenztests bei der Fahrzeugkommunikation

| Autor / Redakteur: Jürgen Meyer * / Hendrik Härter

Fahrzeuge müssen in kritischen Umgebungen sicher untereinander und mit ihrer Umgebung kommunizieren. So darf eine Lackierung das Radarsystem nicht negativ beeinflussen. Fließen sicherheitskritische Daten über Automotive-Ethernet, dann sind ausgiebige Tests notwendig.

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Fahrzeuge kommunizieren: 
Über unterschiedliche Schnittstellen wie Radarsensoren, Funkmodule, 5G oder GNSS nehmen die Fahrzeuge ihre Umgebung wahr.
Fahrzeuge kommunizieren: 
Über unterschiedliche Schnittstellen wie Radarsensoren, Funkmodule, 5G oder GNSS nehmen die Fahrzeuge ihre Umgebung wahr.
(Bild: ©metamorworks - stock.adobe.com )

Moderne Fahrzeuge sind voll mit Elektronik: Radarsensoren, Funkmodule für WiFi, Bluetooth, 5G, GNSS, UWB, V2X und Infotainmentsysteme für AM-/FM-Radio sollen durch fahrzeuginterne Vernetzung miteinander agieren. Dabei sollen stets alle Systeme sicher und zuverlässig funktionieren. Autohersteller und ihre Zulieferkette müssen die Funktionalität ihrer Module und Produkte validieren können und sind daher darauf angewiesen, dass die Tools und Systeme der Messtechnikunternehmen mit den wachsenden Frequenzen mithalten.

Die Herausforderungen bei einem Automotive-Tests sind breit gefächert: Es geht von der Bewertung der Kommunikation zwischen Fahrzeugen in komplexen Umgebungen und der Untersuchung von Signalintegrität in der Fahrzeug-Elektronik bis zur Antwort auf die Frage, wie weit eine neue Lackierung die Leistung des Radarsystems beeinflusst. Beispielsweise die Vernetzung innerhalb des Fahrzeugs. Als Bestandteil von Connectivity- und Infotainment-Anwendungen werden im Fahrzeug immer größere Datenmengen übertragen. Entsprechend wächst der Bedarf an schnelleren Automotive-Kommunikationsnetzen.

Sicherheitskritische Daten über Automotive-Ethernet

Aus diesem Grund wurde eine Ethernet-Variante speziell für das Automotive-Umfeld entwickelt: IEEE 100BASE-T1, die auf der OPEN Alliance BroadR-Reach-Bitübertragungsschicht basiert und den Vollduplex-Modus für die Ethernet-Kommunikation über ungeschützte, verdrillte Leitungspaare nutzt. Sobald sicherheitskritische Daten über das Automotive-Ethernet übertragen werden, müssen die OEMs dessen Leistung im Rahmen von Konformitätsprüfungen testen.

Das erfordert Interferenz- und Dämpfungsmessungen von Twisted-Pair-Kabeln und anspruchsvolle Tests während der Signalübertragung (Bild 1). Das Problem dabei: Herkömmliche Ethernet-Protokollanalysatoren sind teilweise gar nicht in der Lage, die Verzerrung eines elektrischen Signals an einem 100BASE-T1-Kabel mit Fehlern in den empfangenen Datagrammen zu korrelieren.

Um beim Thema der Fahrzeugkommunikation zu bleiben: Für die Kommunikation zwischen Fahrzeugen (V2V) und für Fahrzeug-Infrastruktur-Netzwerke (V2X) werden derzeit zwei Strategien verfolgt: Der von der IEEE stammende Standard für Nahbereichskommunikation 802.11p basiert auf dem WiFi-Standard IEEE-802.11, während der Ansatz von 3GPP zur Mobilfunkkommunikation zwischen dem Fahrzeug und allen anderen Teilnehmern (Cellular Vehicle-to-Everything – C-V2X) auf 4G LTE basieren wird; die Migration zu 5G V2X ist dabei schon in Planung.

Beide Ansätze erfordern belastbare Hochfrequenztests in ganz verschiedensten Szenarien: Zwischen Fahrzeugen oder Fahrzeugen und anderen Verkehrsteilnehmern, zwischen Fahrzeugen und der Infrastruktur in ihrer Umgebung sowie zwischen Fahrzeugen und dem Service-Backends des Fahrzeugherstellers. Für Remote-Updates müssen Testsysteme und Umgebungen auch die Robustheit und Sicherheit von Software-over-the-Air-Strategien nachweisen können.

Test von Fahrassistenz- und autonomen Systemen

Bild 2: Der R&S QAR Quality Automotive Radome Tester. Automobilhersteller möchten Radarsensoren oft hinter Stoßdämpfern oder Logos verbergen. Diese wirken wie Radome, die die Funktion von Sensoren einschränken oder sie sogar funktionsunfähig machen können.
Bild 2: Der R&S QAR Quality Automotive Radome Tester. Automobilhersteller möchten Radarsensoren oft hinter Stoßdämpfern oder Logos verbergen. Diese wirken wie Radome, die die Funktion von Sensoren einschränken oder sie sogar funktionsunfähig machen können.
(Bild: Rohde & Schwarz )

Auch für Fahrassistenzsysteme und autonome Systeme sind neue Testlösungen gefragt, nicht zuletzt bei einem Fahrzeugradar. Moderne Fahrassistenzsysteme benötigen verlässliche, störfeste Radarsysteme – schließlich sollen die Fahrzeuge sicher durch komplexe urbane Umgebungen navigieren und Fußgängern und Hindernissen selbstständig ausweichen. Einige Prognosen gehen derzeit von bis zu 15 benötigten Radarsensoren pro Fahrzeug aus. Sie alle tragen zu einer steigenden Nachfrage nach Testumgebungen für HF-Tests und Radarqualitätsanalysen bei, die für die Zuverlässigkeit sicherheitskritischer Systeme unabdingbar sind.

HF-basierte Tests und Simulationen sind oft nicht einfach umzusetzen und bei Automotive-Systemen besonders komplex. Ein Problem besteht im Trend zu höheren Betriebsfrequenzen: Die Automobilindustrie wird die aktuellen mit 24 GHz betriebenen Radarsysteme bis zum Jahr 2022 auf Frequenzen von 77 und 79 GHz umstellen. Die bei 24 GHz bereitgestellte Sweep-Bandbreite von 200 MHz steigt bei 79 GHz auf 4 GHz. Damit soll erreicht werden, dass das Radarsystem eine bessere Bereichsauflösung bietet, wodurch sich Objekte an sich und ihre genaue Position schärfer auflösen lassen und sich somit besser erkennen und einstufen lassen. Die bei 77/79 GHz verfügbare erhöhte Sweep-Bandbreite ermöglicht zudem Frequenzsprünge, um gegenseitige Störungen zwischen Radarsensoren zu verringern.

Die Situation wird zudem komplizierter, weil viele Automobilhersteller den Wunsche haben, Radarsensoren hinter Stoßstangen oder Logos zu verbergen. Bei falscher Homogenität können diese die Funktion von Sensoren einschränken oder ihre Funktion versagt im schlimmsten Fall. Aus diesen Gründen sind Systeme, mit denen sich die Radarleistung in der Entwicklungs-, Integrations- und Produktionsphase bewerten lässt, von entscheidender Bedeutung (Bild 2).

Mehr Sicherheitsvorschriften bedeutet mehr Elektronik

Bild 3: Die erste von unabhängiger Stelle zertifizierte eCall-Testlösung von Rohde & Schwarz. Die eCall-Initiative der Europäischen Kommission schreibt seit 31. März 2018 vor, dass in der EU verkaufte Fahrzeuge automatisch Rettungsdienste alarmieren und wichtige Daten von Bordsensoren übermitteln müssen, wenn das Fahrzeug in einen schweren Verkehrsunfall verwickelt ist.
Bild 3: Die erste von unabhängiger Stelle zertifizierte eCall-Testlösung von Rohde & Schwarz. Die eCall-Initiative der Europäischen Kommission schreibt seit 31. März 2018 vor, dass in der EU verkaufte Fahrzeuge automatisch Rettungsdienste alarmieren und wichtige Daten von Bordsensoren übermitteln müssen, wenn das Fahrzeug in einen schweren Verkehrsunfall verwickelt ist.
(Bild: Rohde & Schwarz )

Die Entwicklung der Sicherheitsvorschriften ist ein weiterer Grund für die wachsende Anzahl an Fahrzeugelektronik-Komponenten. Die eCall-Initiative der Europäischen Kommission schreibt beispielsweise vor, dass seit dem 31. März 2018 in der EU verkaufte Fahrzeuge automatisch Rettungsdienste alarmieren und wichtige Daten von Bordsensoren übermitteln müssen, wenn das Fahrzeug in einen schweren Verkehrsunfall verwickelt ist. Die eCall-Initiative soll die Sicherheit der Fahrzeuginsassen erhöhen, doch dieser Zweck wird unterlaufen, wenn die dafür implementierten Systeme unzuverlässig sind.

Die Entwickler müssen daher auf Testlösungen zugreifen können, mit denen sich die Probleme identifizieren und simulieren lassen, denen sich ein eCall-System in der realen Welt – unter Berücksichtigung von nationalen unterschiedlichen Technologien zwischen Russland, Korea und der EU – ausgesetzt sieht. Bei eCall ist die Funkverbindung, über die das Notrufsignal und die Sensordaten übertragen werden, eines der wichtigsten Elemente des Systems. Testumgebungen müssen präzise simulieren können, wie ein eCall-Signal sowohl mit Mobilfunknetzen als auch mit Varianten des Global Navigation Satellite Systems (GNSS) interagieren würde.

Messtechnik passt sich dem Test an

Einige der sich aus der Entwicklung der Automobiltechnik ergebenden messtechnischen Problemstellungen lassen sich auflösen, indem die Prüftechniken angepasst werden. Hierbei handelt es sich oft um Strategien, die ursprünglich für andere Bereiche entwickelt wurden. Andere Fragestellungen hingegen erfordern vollkommen neue Lösungen. So bietet Rohde & Schwarz schon seit einigen Jahren genaue und zuverlässige Testanwendungen.

Für den Automotive-Ethernet-Tests beispielsweise bietet das Unternehmen Automotive-spezifische Trigger- und Decodierpakete. Zusammen mit einem passenden Oszilloskop können sie auf den übertragenen Ethernet-Protokoll-Inhalt triggern, diesen dekodieren und das Timing mit den elektrischen Bussignalen korrelieren. Dies ermöglicht sehr viel tiefer gehende Fähigkeiten zu Analyse, Debugging und Diagnose, als mit herkömmlicher Ethernet-Protokollanalyse möglich wäre.

Reflexion und Dämpfung eines Signals messen

Bild 4: Der R&S AREG100A Automotive Radar Echo Generator. Das Mess-Systeme erfasst Signalreflexion und -dämpfung durch Materialien bei Frequenzen von 77 und 79 GHz.
Bild 4: Der R&S AREG100A Automotive Radar Echo Generator. Das Mess-Systeme erfasst Signalreflexion und -dämpfung durch Materialien bei Frequenzen von 77 und 79 GHz.
(Bild: Rohde & Schwarz )

Für Automotive-Radare bietet Rohde & Schwarz eine Testplattformen, mit der sich Radar-Target-Simulation erzeugen lässt. Hinzu kommt die Analyse der Signale und auch die Messung der Radar-Tauglichkeit von Materialien. Diese Systeme messen hochpräzise die Signalreflexion und -dämpfung durch diese Materialien im Frequenzband von 77 GHz und 79 GHz. So lässt bei einem Radom beispielsweise bestimmen, wie Materialstärken oder Beschichtungen das Radarsignal beeinflussen. Neben Forschung und Entwicklung sind finden sich die Testanwendungen zunehmend in der Qualitätssicherung und in Produktionsumgebungen.

Um den Testbedarf von eCall-Anwendungen zu erfüllen, können die eCall-Testsysteme 2G- und 3G-Mobilfunknetze sowie das amerikanische GPS, das europäische Galileo, das russische GLONASS und das chinesische BeiDou GNSS simulieren. Über 200 Mobilfunk-Emulatoren wurden bereits bei Automotive-OEMs und Tier-1-Zulieferern installiert. Zudem hat CETECOM die Implementierung der eCall-Test-Notrufzentrale des Herstellers Rohde & Schwarz für das EU-weite Notrufsystem genauer untersucht und sie für konform mit dem Standard CEN EN 16454:2015 erklärt. OEMs müssen künftig in der Lage sein, die Fusion von GNSS-Signalen zu simulieren, damit die Positionsbestimmung genauer wird. In Zukunft wird 2G/3G zu LTE migrieren, weshalb Testsysteme die Performance von Next-Generation-eCall-Systemen in komplexeren Funkumgebungen prüfen müssen.

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* Jürgen Meyer ist Vice President Market Segment Automotive bei Rohde & Schwarz in München.

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