In occasione dell’evento Automotive Testing Technology Seminar svoltosi tenutosi nella prestigiosa cornice del Museo Ferrari di Maranello, abbiamo conversato con Tommaso Tessitore, Oscilloscope Sales Specialist for South Europe di Rohde & Schwarz, facendo il punto sull’evoluzione tecnologica delle reti di comunicazioni ad alta velocità utilizzate all’interno dei veicoli di oggi e del prossimo futuro.

Ci si attende il passaggio a collegamenti Multigigabit Ethernet su doppino con svariate decine di porte di comunicazione presenti in ogni automobile…

Che tipologie di reti si utilizzano attualmente all’interno delle automobili?

Possiamo suddividere i collegamenti  in 3 macrocategorie: servizi di connessione diretta peer-to-peer (USB3, HDMI, LVDS, etc), servizi a bus (MOST, CAN, LInN, etc.) e servizi commutati (le diverse varianti di Ethernet).

Negli anni alcune tecnologie di connessione sono diventate obsolete, mentre altre si sono evolute in nuove versioni per soddisfare la crescente domanda di capacità e velocità di trasmissione dati trainata dalla presenza di un numero sempre maggiore di sensori, sia quelli più semplici, sia quelli che generano una quantità enorme di dati, come le telecamere.

Quali sono le varianti di Ethernet più diffuse nel mondo automotive?

Ethernet è entrata nel mondo automotive intorno al 2005 con le prime porte di connessione standard 100Base-T a 100 Mbit/s utilizzate sostanzialmente per la diagnostica in officina. Intorno al 2010 hanno cominciato a diffondersi soluzioni a 100 Mbit/s specificatamente pensate per il mercato automotive, come lo standard 100Base-T1 (note anche come BroadR-Reach) funzionante su un singolo doppino non schermato (diventato lo standard Ieee 802.3bw Clause 96).

Via via la velocità delle reti Automotive Ethernet è aumentata, per arrivare oggi a 1 Gbit/s con lo standard 1000Base-T1 (Ieee 802.3bp Clause 97), ma già si sta pensando all’utilizzo velocità ancora più elevate: 2,5 G, 5 G e 10 G.

Tuttavia, l’evoluzione di Automotive Ethernet è proseguita anche verso il basso, con lo standard 10Base-T1S, che compete con l’ultima evoluzione del bus CAN, la versione CAN-XL. In questo caso l’obiettivo è quello di poter collegare a basso costo molteplici sensori si un tratto di rete senza la necessità di uno switch dedicato.

In parallelo, anche il il numero di porte Automotive Ethernet è andato progressivamente crescendo. Il trend dei prossimi anni fa intravedere che all’interno dell’auto si supereranno le 100 porte, mano a mano che i sistemi di guida assistita e di guida autonoma si evolveranno.

Come si evolve la topologia di rete al crescere del numero di connessioni?

Anni fa le vetture utilizzano tipicamente un’architettura distribuita nella quali erano presenti una moltitudine di nodi e bus CAN, ciascuno dei quali connesso ad un gateway.

Oggi si sta passando ad un’architettura più centralizzata, con diversi potenti “controllori di dominio" che coordinano le informazioni provenienti da una determinata area del veicolo. Si prevede che all’interno dei veicoli moderni ci saranno tipicamente quattro o cinque domain controller, ciascuno dei quali raccoglierà i dati da una rete CAN e da una dorsale Ethernet. Uno di essi, ad esempio sarà dedicato a infotainment, uno alla comunicazione con l’esterno, un altro alla trazione e altri ancora alle altre funzioni necessarie a seconda del tipo di veicolo.

Più avanti ancora ci si aspetta il passaggio a un livello di astrazione hardware ancora maggiore, con una suddivisione tra più “supercomputer di zona” unificati, ognuno dei quali si prenderà cura di una parte dell’automobile. Ci sarà probabilmente un supercomputer anteriore destro, anteriore sinistro, posteriore destro e posteriore sinistro, che si collegheranno su una rete magliata con un supernodo centrale connesso al cloud ad altissima velocità.

A che punto è l’evoluzione degli standard Automotive Ethernet?

Gli standard utilizzati sono consolidati, ma anche sempre in evoluzione con l’introduzione di nuove proposte. Il processo di approvazione dei vari standard ha avuto durate piuttosto diversificate in ambito Ieee. L’originaria proposta per le reti a Automotive Ethernet 1000Base-T1  è diventato lo standard Ieee 802.bp (Clause 97) mentre la serie con velocità Multigigabit è diventato lo standard Ieee 802.3ch (Clause 149) che definisce il PMA (Physical Media Attachment), ossia l’interfaccia di comunicazione fisica con cui i nodi si connettono al mezzo trasmissivo.

Un ruolo importantissimo nel processo di standardizzazione nel mondo automotive lo svolge anche l’associazione Open Alliance (1 wire Ethernet), di cui anche Rohde & Schwarz fa parte. Coinvolge tutti gli attori del mondo auto per definire una serie di procedure di test condivise per garantire l’interoperabilità. I comitati tecnici (TC) definiscono i test da effettuare per ciascuna variante degli standard pensati per le applicazioni automotive.

Come cambia il tipo di segnale tra i vari standard di Automotive Ethernet?

Dai classici segnali digitali NRZ utilizzati tradizionalmente nel mondo Ethernet si è passati a segnali digitali modulati a 3 livelli (PAM3) e a 4 livelli (PAM4), cercando di usare di minimizzare le velocità di simbolo (trasmettendo più di un bit per simbolo) e rallentare la velocità dei fronti di transizione, per contenere le emissioni elettromagnetiche e/o per poter utilizzare anche doppini non schermati più economici. Tuttavia, per salire di velocità oltre il gigabit sarà indispensabile l’utilizzo di doppini schermati.

Non va dimenticato che in tutti gli standard Automotive Ethernet il segnale passa su un solo cavo, e non su più coppie come avviene nelle reti Ethernet tradizionali. Ciò introduce ulteriori complicazioni per lo svolgimento dei test, in quanto spesso è necessario separare il segnale che viaggia sul cavo nelle due direzioni per poterlo osservare con uno strumento.

Sono stati introdotti dei nuovi test nelle ultime versioni degli standard Automotive Ethernet?

Sì, i comitati tecnici di Open Alliance hanno introdotto nuove modalità di test per le reti multigigabit Clause 149, per effettuare i quali spesso si mette il dispositivo in esame specifici test-mode, che però non tutti i chipset oggi ne facilitano la gestione.

Tra i nuovi test da effettuare sul trasmettitore vi sono ad esempio l’invio di una lunga catena di ‘1’ e la verifica della caduta di tensione (droop), così come della densità spettrale di potenza, dei livelli di picco delle tensioni differenziali e della stabilità del clock.

Altri importanti nuovi test sono quelli legati alla linearità del trasmettitore e la verifica dei parametri di jitter, che hanno sostituito i precedenti test sulla distorsione. Per effettuare questi test è necessaria comunque strumentazione con potenti capacità di elaborazione del segnale.

Cosa offre Rohde & Schwarz per affrontare i test su Automotive Ethernet?

Abbiamo una suite di soluzioni completa per affrontare i test di conformità per ogni variante degli standard Automotive Ethernet, compresi quelli più recenti.

In particolare, proponiamo i nostri oscilloscopi delle famiglie R&S RTO e R&S RTP, oltre che l’analizzatore di reti R&S ZNB, tutti strumenti che possono essere utilizzati sia in modo autonomo, sia in modo coordinato per eseguire in modo automatico le complesse procedure di prova previste dai test di conformità.

A livello sonde e accessori invece, cosa serve?

Sono assolutamente indispensabili gli adattatori di test, in primo luogo per poter separare con un accoppiatore direzionale il segnale che sul cavo fisico viaggia contemporaneamente nelle due direzioni.

Inoltre, i vari standard specificano per alcune prove l’adozione di adattatori di test con particolari caratteristiche.

Infine, poiché per gli standard multigigabit non si è ancora arrivati a un consenso sul tipo di connettore da utilizzare, è importante disporre anche di adattatori con terminali a saldare e connettori SMA di alta qualità per collegarsi agli strumenti mantenendo la migliore integrità del segnale.