CN114762297A - 具有经由公共星形节点相互连接的至少三个线路分支的数据网络以及所述数据网络适用的机动车辆及操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种数据网络（18），该数据网络具有经由公共星形节点（14）相互连接的至少三个线路分支（11），以便将消息信号（16）从这些线路分支（11）中的一个线路分支分配到其他线路分支上（11），其中，连接到这些线路分支（11）中的至少一个线路分支的是至少一个总线用户设备（10，10'），该至少一个总线用户设备被配置成以对应发射模式（B2，B3）通过对应发射单元（21）来生成这些消息信号（16）中的至少一个消息信号，其中，在该对应总线用户设备（10，10‘）中，其发射单元（21）具有电流源电路（23），该电流源电路出于生成该消息信号（16）的目的被配置成将电流（I0）注入到该总线用户设备（10，10‘）所连接的线路分支（11）的电气线路（19）中，并且这些线路（19）经由该电流源电路（23）连接到该电流源电路（23）的内部阻抗值（Z），该内部阻抗值在发射模式（B2，B3）下始终大于该特性阻抗的值的20倍，特别是大于500欧姆。

Description

具有经由公共星形节点相互连接的至少三个线路分支的数据 网络以及所述数据网络适用的机动车辆及操作方法
本发明涉及一种具有经由公共星形节点相互连接的至少三个线路分支的数据网络。如果在线路分支中，总线用户设备发出消息信号，则该消息信号可以被分配到另外两个或更多个线路分支中。星形节点是无源的，这意味着在分配消息信号时，星形节点处会发生反射，从而将消息信号反射回发射总线用户设备。本发明涉及一种具有根据本发明的数据网络的实施例的机动车辆。最后，本发明还包括一种用于操作数据网络以将消息信号分配到多个线路分支中的方法。
在机动车辆中，例如可以提供诸如CAN（控制器局域网）或Flexray数据总线或甚至以太网等数据总线作为数据网络。这些总线对于双线电气线路主要使用线性结构，消息信号经由该双线电气线路在总线用户设备之间的数据网络中交换。终端阻抗连接到线性结构的每一端，以抑制或减弱传播波的反射。在一个线路分支转变为另外两个线路分支的星形节点处也可能发生反射。目前，只有当这些线路分支之一构成相对较短的短截线时才允许这样做，该短截线作为高阻抗连接到主线性结构。如果希望在星形节点中将两个以上的线路分支（即至少三个线路分支）相互连接，则只能通过“集线器”或“交换机”形式的有源星形节点来实现这一点，该有源星形节点可以使用终端阻抗来单独地端接终止于星形节点的线路分支，或者可以防止反射到达的消息信号。然而，要想在星形节点中互连至少三个线路分支，需要相对更复杂的电路。
专利EP 0610276 B1描述了一种基于CAN总线的数据通信系统，根据本发明在该数据通信系统中实施了无源星形节点。如果没有进一步措施，这种具有相对较长线路区段的星形节点将导致不希望的反射，并且因此导致线路上和接收器处的信号失真，进而导致信息丢失。EP 0610276 B1中描述的方法通过使用滑动式铁氧体磁芯来转换线路区段的阻抗而避免了这一缺点，从而在有限的频带内产生足够好的低反射星形结构。
然而，这种方法并不适用于较高的符号速率。如果想要更高的波特率，通常采用有源星形节点，这样，端接于单独ECU两端的线路就可以例如基于以太网交换机的模型用于消息的有源中继。
使用无源星形节点，例如简单地将星形节点中至少三个线路分支的电气线路电连接，会导致星形节点中发生所述反射，从而使得无法以高比特率（大于每秒一兆比特）进行无干扰操作。
本发明的目的在于提供一种具有至少三个线路分支的数据网络，该数据网络允许以低技术复杂性进行无干扰操作。
该目的通过独立权利要求的主题来实现。通过从属权利要求、以下说明以及附图描述了本发明的有利实施例。
本发明提供了一种具有经由公共星形节点相互连接的至少三个线路分支的数据网络。星形节点具体地是电无源星形节点，即线路分支的电气线路在公共星形节点中彼此电流连接。线路分支可以具有相同或类似的长度，这意味着每个线路分支的长度可以超过50厘米。线路分支经由公共星形节点相互连接，以便将消息信号从线路分支之一分配到其他线路分支上。在数据网络中，可以将至少一个总线用户设备连接到每个线路分支，该至少一个总线用户设备被配置成在对应发射模式中通过对应发射单元来生成至少一个所述消息信号。然而，还可以规定仅在一个或一些线路分支中提供发射总线用户设备。
如果这种总线用户设备将消息信号发射到所述总线用户设备所连接的线路分支中，则消息信号向星形节点传播，并在星形节点处向前分配到其他线路分支上或者传送到这些线路分支中。然而，在星形节点处也存在消息信号的反射，这导致消息信号的一些能量被反射回包含发射总线用户设备的线路分支中。终端阻抗可以以本身已知的方式连接在这样的线路分支的末端，使得在该末端处这种反射被减弱或抑制。然而，必须防止在发射总线用户设备处产生（已经在星形节点处反射的消息信号的）进一步反射。为了实现这一点，在对应总线用户设备中，其发射单元具有出于生成消息信号的目的被配置成产生电流或将电流注入总线用户设备所连接的电路分支的电气线路中的电流源电路。从现有技术本身已知，电流源电路可以例如由LVDS体现（参见例如网页https://en.wikipedia.org/wiki/Low-voltage_differential_signaling）。在这种情况下，寻求实施根据本发明的数据网络的本领域技术人员必须简单地确保经由电流源电路将线路连接到电流源电路的内部阻抗，该内部阻抗在发射模式下始终大于线路的特性阻抗值的10倍，特别是始终大于500欧姆。换句话说，发射单元通过其电流源电路连接在线路分支的线路之间，即使在发射模式下也始终“作为高阻抗”。如果此时在星形节点处反射的消息信号再次到达发射总线用户设备的发射单元，则作为发射单元到线路分支的所述高阻抗连接的结果，电流源电路在此不产生进一步反射，或者仅产生可忽略不计的进一步反射，因为与终端阻抗并联连接的高阻抗电流源电路的电性能与线路分支中根本没有连接总线用户设备的线路区段类似。
本发明提供的优点在于，在数据网络中，尽管至少三个线路分支通过一个公共星形节点相互连接，但是在发射总线用户设备所连接的线路分支中只发生一次简单的消息信号反射。在总线用户设备处不会发生可能会再次引导回星形节点的进一步反射。因为发射总线用户设备本身知道所发射的消息信号，所以在该总线用户设备中，由反射引起的线路分支中的电压波形干扰是无关紧要的。因此，两个以上线路分支可以经由公共星形节点在数据网络中互连，而不会出现在用于接收总线用户设备的接收中造成混乱或错误的所发射消息信号的反射。
本发明还涵盖了提供另外的优点的实施例。
在数据网络中，总线用户设备可以连接在线路分支之一的线路末端处或者沿线路末端与星形节点之间的线路分支连接。本发明的不同实施例考虑了总线用户设备所需的最终不同反射性质。
在一个实施例中，在连接到线路分支之一的线路末端的至少一个总线用户设备中，其发射单元被配置成使得其具有与电流源电路并联连接的终端电路。终端电路与总线用户设备所连接的线路分支的电气线路连接，并且其电阻抗值与线路分支的线路阻抗相等。因此，尽管电流源电路本身就上述意义而言具有高阻抗性，但是终端电路会减弱或“吞噬”到达线路末端处的总线用户设备的消息信号，因为该终端电路的阻抗值等于线路分支的线路阻抗。由于使用电流源电路，因此无论电流源电路的其他电性质如何，都能够将终端电路与线路分支的线路阻抗相匹配。
在一个实施例中，在未连接在线路分支本身的线路末端而是连接在线路分支之一的线路末端与星形节点之间的总线用户设备中，该总线用户设备具有开路，在电流源电路不活动的情况下，该开路将线路分支的线路电隔离。因此，如果电流源电路被切断，则线路分支的电气线路也将彼此电隔离。当电流源电路处于发射模式时，仅电流源电路本身的电阻抗因此以所述反式存在于线路分支的线路之间，该电阻抗足够高，以避免信号反射，或者产生反射系数可忽略不计的信号反射（反射系数小于20%，特别是小于10%，这可以通过选择足够高的电流源电路的内部电阻抗来实现，该选择可以通过现有技术的电路来实现）。
到目前为止，已经描述了总线用户设备如何能够利用电流源电路来防止在发射消息信号的情况下所述信号的反射能够被再次反射到星形节点的情况，该反射在星形节点处发生并且返回到发射总线用户设备。
下文描述了与接收消息信号有关的实施例。
在一个实施例中，至少一个总线用户设备中的每一个均具有接收电路，该接收电路被配置成从总线用户设备所连接的对应线路分支接收来自另一个总线用户设备的至少一个消息信号作为接收信号。因此，总线用户设备可以使用接收电路来监听线路分支，并且接收和例如放大经由线路分支到达的接收信号和/或将其传送给微控制器。接收器电路包括补偿滤波器，该补偿滤波器被配置成使得当相关联的发射单元（即，也包含接收电路的相关联总线用户设备的发射单元）处于发射模式时，该补偿滤波器以时间偏移将由发射单元发出的相关联的消息信号负叠加在接收信号上，即，该补偿滤波器从接收信号中减去消息信号。在该过程中，该消息信号并非叠加在原始信号电平上，而是进行加权处理。加权在此等于星形节点的反射系数，并且可选地等于总线用户设备与星形节点之间线路区段的衰减值。负叠加的时间偏移量等于线路分支中从总线用户设备到星形节点再返回总线用户设备的信号传播时间。因此，如果在星形节点处存在相关联的已发出消息信号的反射，则在星形节点处反射的消息信号分量将到达接收电路，同时补偿滤波器也开始进行相关联消息信号的负叠加和加权叠加。因为这是作为负叠加执行的，所以已发出消息信号的到达的反射分量被补偿滤波器补偿或抑制。相比之下，补偿滤波器不会对来自另一个总线用户设备的未知外来消息信号产生不利影响。因此，这使得全双工操作在数据网络中成为可能。
在一个实施例中，所述补偿滤波器是基于至少一个模拟延迟线路和至少一个放大器电路来实施的。因此，也可以提供线路分支的短线路区段（例如小于三米、特别是小于两米）的信号传播时间作为时间偏移或时间延迟。对于这种短时间偏移，数字补偿滤波器在技术上更加复杂。延迟线路可以基于电磁延迟来实施，如可以通过线圈和使用电介质和/或铁磁材料实现的，或者可以通过斗链式存储器和/或基于电感和电容的级联来实施为电子延迟。
一个实施例促进了两个总线用户设备之间的拦截安全通信。为此，假设总线用户设备之一正在向接收总线用户设备发射其消息信号。当这种情况发生时，接收总线用户设备以全双工模式发射干扰信号，例如伪噪声或噪声信号或消息序列。因此，至少一个总线用户设备中的每一个被配置成在相关联接收电路的接收模式期间通过其发射单元发射干扰信号。由于总线用户设备使用补偿滤波器来再次滤除其自身干扰信号，因此接收电路可以重构来自发射总线用户设备的到达的消息信号。
一个实施例解决了电流源电路如何实现每秒超过十兆比特、特别是每秒超过100兆比特的传输的问题。为了解决这个问题，一个实施例规定在对应总线用户设备中，其发射单元具有包括H桥电路的四象限控制器，该四象限控制器被配置成在线路分支的线路之间切换具有交变极性的电流源电路。因此，在H桥电路中，电流源电路连接在H桥电路的横向分支中。H桥电路的切换可以例如基于晶体管来实施，该晶体管例如是MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）。四象限运行允许电流源电路沿交变电流流动方向将电流注入到线路分支的线路中。由于这不需要切换电流源电路，而是由四象限控制器负责反转电流的方向，并且这可以例如通过使用晶体管进行切换来实现，因此有可能实现指定的传输速率。
在一个实施例中，在至少一个总线用户设备中，对应发射单元被配置成将其对应消息信号作为差分电压电平注入到线路分支的线路中。换句话说，传输因此可以基于例如LVDS（低电压差分信号传导）原理。这带来的优点是，在发射单元中使用单个电流源电路，可以为线路分支的两条电气线路设置或产生正确的电压电平。
根据本发明的数据网络特别适用于机动车辆，在该车辆中，直到现在还可能仅提供线性总线结构或多个具有有源星形节点（例如交换机或集线器）的线路分支。因此，本发明还提供了机动车辆中的根据本发明的数据网络的实施例。在机动车辆中，每个总线用户设备均可以是机动车辆的控制单元。机动车辆可以是例如客车或卡车或摩托车。
根据本发明的数据网络的操作产生一种方法，该方法也是本发明的一部分。该方法规定，在具有经由无源星形节点相互连接的至少三个线路分支的数据网络中，总线用户设备将消息信号发射到总线用户设备所连接的线路分支之一中。消息信号在线路分支中传播，在该线路分支中，消息信号可能被终端阻抗减弱或清除；消息信号也向星形节点传播，在该星形节点中，消息信号被分配给其他线路分支。然而，一些消息信号在星形节点处反射，并且在其所来自的线路分支中反射回发射总线用户设备。为了防止在发射总线用户设备处发生附加反射，根据本发明规定，总线用户设备配备带有电流源电路的发射单元，为了生成消息信号，该发射单元将电流注入到线路分支的电气线路中，该电流源电路将线路连接到内部阻抗值，该内部阻抗值在发射模式下始终大于500欧姆，特别是大于一千欧姆。换句话说，总线用户设备总是与线路分支的电气线路连接，并且总是作为高阻抗存在。具体地，不会发生通过使线路短路或将线路连接到地电位来生成发射信号的情况。因此，在总线用户设备处仅产生一种反射，其反射系数越小，电流源电路的内部阻抗值就越大。可以使用附加终端电路以所述方式匹配反射，并且因此发射单元总体上在线路分支的线路之间具有可调连接阻抗。如果总线用户设备连接到线路分支的线路末端，则该连接阻抗可以等于线路分支的特性阻抗，或者可能具有尽可能大的内部阻抗值，其中“尽可能”受到电流源电路的内部阻抗的约束。
本发明还包括根据本发明的方法的实施例，这些实施例具有已经结合根据本发明的数据网络的实施例进行描述的特征。由此，在此不再次描述根据本发明的方法的对应实施例。
本发明还包括对根据本发明的方法的改进，这些改进具有已经结合对用于机动车辆的根据本发明的数据网络的改进进行描述的特征。由此，在此不再次描述对根据本发明的方法的对应改进。
本发明还包括所描述的实施例的特征的组合。
下面对本发明的示例性实施例进行了描述，其中：
图1示出了现有技术的网络拓扑与根据本发明的数据网络的可能拓扑的比较；
图2是根据本发明的机动车辆的实施例的示意图，其具有根据本发明的数据网络的实施例；
图3是诸如可以在图2的数据网络的总线用户设备中提供的补偿滤波器的示意图；
图4是诸如可能在图2的数据网络中出现的信号的时间波形图；
图5是诸如在全双工操作中可能在图2的数据网络中出现的信号的时间波形图；
图6展示了图2的数据网络的线路末端处的总线用户设备的发射模式；以及
图7是示意图，用于展示在图2的数据网络的线路末端与星形节点之间连接的总线用户设备的发射模式。
下文说明的示例性实施例是本发明的优选实施例。在示例性实施例中，该实施例的所描述部件各自表示本发明的单独特征，这些单独特征应当被彼此独立地考虑并且各自还彼此独立地发展本发明并且因此还可以单独地或以除所示组合之外的组合被认为是本发明的一部分。此外，所描述的实施例还可以由已经描述的本发明的另外特征进行补充。
在附图中，具有相同功能的元件各自设有相同的附图标记。
图1示出了现有技术中可能提供的两种网络拓扑a、b。图中还展示了根据本发明的数据网络的实施例作为附加网络拓扑c。该图示出了总线用户设备10如何经由线路分支11相互连接。拓扑a中提供了线性总线结构，总线用户设备10可以在很长的线路分支上与该线性总线结构连接，并且无例外情况时不允许存在短路截线12，否则可能发生不希望的消息信号反射。这是典型的线性结构（总线结构）网络，其中线路在端点T处终止，而通过相对较短的“短截线”连接到共用线路的网络节点不终止。当今汽车中的许多网络，例如CAN总线或Flexray总线，都是以这种拓扑结构实施的。图1 (a) 中所示的（线性）总线结构，例如CAN总线中的总线结构，不便于在机动车辆中实施；星形结构通常会更适合。
网络拓扑b允许多个线路分支11，但是这些线路分支必须经由有源开关13互连以避免反射。拓扑b采用具有中央有源网络节点和点对点连接型网络节点的星形结构。
网络拓扑c允许线路分支11经由无源星形节点14相互连接。继续假设总线用户设备15是将消息信号16发射到数据网络中的发射总线用户设备，则从发射总线用户设备15的角度来看，包括所示三个线路分支11的布置可以以这样的方式解释，即在星形节点14的另一侧，每个线路分支11均可以具有线路阻抗ZL，因此从发射总线用户设备15的角度来看，这可能导致线路阻抗为0.5 ZL。消息信号16在星形节点14处以反射系数rS = -1/3被反射，从而产生消息信号的反射部分17，该反射部分可以再次到达发射总线用户设备15。
图2关于网络拓扑c展示了数据网络18，其中三个线路分支11经由星形节点14互连，每个线路分支的单独电气线路19在图2中示出。线路分支11在此用符号L1、L2、L3来区分；星形节点14也被标记为星形节点S。连接到相应线路末端20的总线用户设备10也被标记为总线用户设备T1、T2、T3。连接在对应线路末端20与对应线路分支11的星形节点14之间的总线用户设备10‘在此示例性地标记为总线用户设备TA、TB、TC。
数据网络18可以在机动车辆KFZ中提供，在这种情况下，总线用户设备10、10‘例如可以是控制单元。图中示出了每个总线用户设备10的发射单元21和接收电路22。为了清楚起见，下面仅描述总线用户设备T1；其他总线用户设备10、10‘可以具有相同设计，但是将结合图6和图7更详细地描述总线用户设备10与总线用户设备10‘之间的差异。
在发射单元21中，电流源电路23可以经由包括H桥电路25的四象限控制器24连接到线路分支11的线路19。电流源电路23可以将电流I0注入到线路19中，以发出消息信号16。为此，控制电路26可以根据已发射消息信号16的时间波形来切换桥电路25的开关S1、S2、S3、S4，该已发射消息信号例如可以由总线用户设备10的微控制器定义为发射信号TX1。因为总线用户设备10连接在线路分支11的线路末端20处，所以可以另外提供终端电路27，通过该终端电路，线路19可以被电连接或由阻抗值为Z1的终端阻抗28端接，其中阻抗值Z1可以等于线路分支11的线路阻抗。还可以提供该终端电路以通过电压源29和地电位30在总线用户设备10的发射模式之外的时间间隔内设置线路19上的电压电平。这一点本身在现有技术中是已知的，因此不作进一步详细解释。
接收电路22可以用于通过差分放大器33 (D) 来接收接收信号32作为存在于线路19之间的电压信号，使得接收信号32可以作为信号RX提供。补偿滤波器34（总线用户设备T1的F1）可以用于在时间偏移时减去当前由总线用户设备发出的消息信号16，在该过程中也可以进行加权或缩放。这会产生经补偿的接收信号35，在此也被标记为Ry。信号的编号与单个总线用户设备T1、T2、T3的编号相对应。
图3通过举例展示了补偿滤波器34的实施例。在图3的示意图中假设要传输的单个符号（例如一位）的符号时间长度为T。图中示出了要发射的消息信号Tx如何被馈送到补偿滤波器34中，并且示出了预估回波信号Rx‘(t)，该预估回波信号可以通过叠加电路40叠加在接收信号Rx(t)上，从而产生经补偿的接收信号Ry(t)。
为了确定预估回波信号Rx‘(t)，可以提供一系列延迟元件41，每个延迟元件均可以产生长度等于符号时间长度T的时间延迟。通过将发射信号Tx(t)馈送到该一系列延迟元件41，可以生成发射信号Tx(t)的延迟变量Tx(t-T)、Tx(t-2T)…，放大器电路42可以对每个延迟变量进行缩放或加权，以获得相应延迟的发射信号的衰减变量或衰减版本。总共提供了M个延迟元件41。增益在此分别表示为b0至bM。附加的叠加电路43可以执行求和操作，从而产生预估回波信号Rx(t)。延迟元件41和/或放大器电路42和/或叠加电路40、43可以各自实施为模拟电路。例如，叠加电路42、40可以被实施为模拟加法器电路或者通常基于至少一个运算放大器和/或晶体管，放大器电路42基于运算放大器，并且延迟元件41基于延迟线路。
图4展示了数据网络18的操作。图中示出了在时间t内如何定义总线用户设备t1的发射信号tx1，该发射信号可以由总线用户设备T1的发射单元21馈送到线路分支L1中。符号时间长度在此标记为Tsym，其等于符号时间长度Ty3。
总线用户设备T1的接收电路22直接接收消息信号作为Rx1，并且还在与消息信号从总线用户设备T1到星形节点14并返回到总线用户设备T1的传播时间相等的时间长度之后收到接收信号32中的回波。经补偿的接收信号Ry1不再包括任何反射，因为补偿滤波器34已经准确地预估了回波信号，并将其从接收信号Rx1中去除。
还示出了在星形节点S处产生的消息信号16，该消息信号在时间偏移tl1下到达星形节点S，该时间偏移等于从总线用户设备T1到星形节点S的传播时间。
在星形节点S处，消息信号16被分开并传送到两个线路分支L2和L3中（参见图2）。从星形节点S到相应总线用户设备T2、T3的传播时间会产生相应的附加传播时间Tl2和Tl3，并且如时间波形所示，星形节点S不会在线路分支L2、L3中引起反射。
图5以时间t的曲线图展示了关于总线用户设备T1的相同传输情况。另外，图5是基于总线用户设备T3也生成消息信号Tx3的实例的，该消息信号经由星形节点S被分配到另外两个线路分支L1和L2。总线用户设备T3发出的信号可以是干扰信号44，该干扰信号以消息信号Tx1和Tx3叠加的方式干扰总线用户设备T2的接收信号Rx2，因此在总线用户设备T2中会接收到失真的接收信号45，在总线用户设备T2中不会再对该失真的接收信号进行解读或解释。相比之下，总线用户设备T1中的经补偿的接收信号Ry1表明，总线用户设备T1可以正确地接收来自总线用户设备T3的消息信号Tx3，同时总线用户设备T3可以利用其补偿滤波器来生成经补偿的接收信号Ry3，该经补偿的接收信号与来自总线用户设备T1的消息信号Tx1的时间波形相对应。因此，总线用户设备T1和T3可以准确无误地相互通信，即可以重构其各自的消息信号，而总线用户设备T2只能接收失真的接收信号45。
图6示出了线路末端处总线用户电路10的操作的等效图表视图。图中示出了三个操作阶段B1、B2、B3，其中，操作阶段B1可以表示接收模式，并且操作阶段B2和B3表示发射模式。操作阶段B2和B3的不同之处在于两者传输的符号不同，这可以通过开关S1至S4的开关表示来实现。图6还以等效电路50的形式示出了每个总线用户设备10在线路末端20处对线路分支11的电气表现。由于电流源电路23的内部阻抗，只有终端阻抗Z是有效的，这就是为何无论操作阶段B1、B2、B3如何，相同的阻抗值Z在线路末端20处都有效。操作阶段B2、B3的比较示出了如何通过桥电路25的开关S1至S4的开闭位置将电流源电路23产生的电流I0在线路末端20处以不同极性或流向馈送到线路分支11的线路19中。
图7以类似于图6的方式作为等效电路50展示了总线用户设备10‘的电效应，该总线用户设备并未连接在线路末端20处，而是连接在线路末端20与星形节点14之间（参见图2）。在图2的示意图中，该总线用户设备可以是总线用户设备TA、TB、TC之一。
因为未提供终端电路27，而是提供了开路51，所以只有电流源电路23和H桥电路25的电阻抗是有效的，由于等效电路50中的内部阻抗值，这对于线路分支11的线路19来说表现为开路，从而防止反射。
机动车辆中的已知总线系统主要使用所述在两端具有终端的双线电气线路的线性结构，以便传播的波可以用于在尽可能最小的反射下进行信号发射（参见图1 (a)）。允许具有短的、高阻抗耦合的短路截线，并且该短路截线例如在CAN、CAN-FD或FlexRay或第一以太网标准10-Base5和10-Base2中广泛使用。
当在车辆中创建网络时，目标通常是创建星形结构，但是短路截线的规定意味着这并不容易实现。尤其是在高比特率情况下，反射信号分量往往非常大，难以确保无干扰工作（CAN、CAN-FD）。
本发明的目的通常是操作具有简单且成本低廉的耦合线路区段的星形结构，以在机动车辆中进行高速通信。本发明的目的还在于增加车辆中的系统的安全性并加强对黑客攻击的防范。
本发明还可以保护车辆中的通信免受恶意攻击，因为根据本发明，车辆可以采用具有伪随机信号的全双工传输。当前安全全双工传输理念也可以用于高速星形网络。然而，也可以用于半双工操作。
总线系统使用终端阻抗与线路特性阻抗（Z L ）相匹配的线路进行信号发射，以防止发生反射（例如CAN、CAN-FD、Flexray），如图1 (c) 所示。
本发明理念通过图1 (c) 所示的示例描述了一种以高符号速率操作无源星形结构的可能方式，并根据该理念实施。在这种情况下，采用了反射只有一个中心点的理念。例如，当端接特性阻抗Z L 的两个线路区段并联连接时，可以获得这种情况。例如连接的第三线路区段因此端接Z L /2，在星形节点处反射系数r S = -1/3对于所有区段都是相同的，但是如本发明所示，由此产生的反射易于管理。同时，有利于两个总线用户之间的全双工传输，这也可以用于拦截安全消息交换。申请10 2018 216 949.7概述了短的点对点连接的这种可能性，并假设在每一端都有以定义方式匹配的收发器。这种匹配可以例如通过符合IEC 644的LVDS收发器来实现。
因此，优选寻找具有相对较长线路区段的无源星形网络作为期望拓扑。端点是收发器，这些收发器在每个端点处通过其特性阻抗确保线路的良好端接。这种端接在每种操作状态下都同样良好，尤其是在发射期间。在星形末端节点处使用这种1类收发器（总是具有匹配的终端）是在此描述的理念的有利特征，并且与具有无源星形节点的低阻抗收发器形成对比。
图2示出了用于3个（或通常为N个）收发器末端节点（T1、T2和T3）的星形网络的基本简图，这些收发器末端节点经由线路L 1 、L 2 和L 3 （1类）连接到共享总线。这些线路通过星形节点S电连接。这些线路不一定是短线路，因此当从发射器（此处例如收发器T1）发出的波作为正向行波向上传播到星形节点时会形成反射。本发明利用了这样的事实，即星形节点处的反射体现为向发射器1传播的反向行波。然而，其他站点（例如收发器T2、T3）只接收没有反射的正向行波。如果根据本发明发射收发器配备有滤波器F1、F2、F3…，则第二收发器也可以同时进行发射（全双工操作）。
经由短路截线进行耦合的A类高阻抗收发器也是可能的（TA、TB、TC）；参见图2和图7。因此1类收发器总是具有匹配的终端；A类收发器总是具有高阻抗值，因此不需要端接。
用于优选示例性实施例的以下描述的缩写再次概括定义如下：
Txn 发射器电压
Rxn 接收器差分电压
Ryn 根据本发明进行滤波的接收器电压
Zn 终端阻抗
Zn = ZL（1类收发器）或Zn = ∞（A类收发器）
D 高阻抗差分放大器
Fn 根据本发明的反射补偿滤波器
Ln 特性阻抗为ZL且长度为ln的线路区段
I0 用于信号编码的恒定电流，例如：I0 = 10 - 20 mA
S 无源星形节点。
下文通过举例对半双工模式进行了描述：
以下参数用于解释图2所示的布置：NRZ符号时间长度T sym = 10 ns，因此符号速率f sym = 100 MBaud，线路长度l 1 = 4 m，l 2 = 2 m，l 3 = 1 m；双绞线线路上速度为光速v PH =2·108 m/s的2/3的典型相位速度产生T l = 1/v PH = 5 ns/m的信号传播时间。因此，信号沿线路区段传播的传播时间等于T l1 = 20 ns、T l2= 10 ns、T l3 = 5 ns。对于N = 3个末端节点，星形节点S处的反射系数r S 相等：
Figure 869564DEST_PATH_IMAGE002
本发明基于以下发现：在具有无源星形S的星形网络中，即在没有任何附加电路的长线路区段的简单互连中，出现了定义明确的反射，但是该反射仅向发射器传播。本发明理念是基于总是具有正确终端的收发器的，特别是在发射期间，这与许多传统网络形成对比。
在根据图1 (c) 和图2的优选布置中，星形节点处的反射仅在发射器处有影响，而且反射不会到达其他接收器，从而直接影响半双工模式中的使用。在收发器T1发射消息后，只需等待消息结束后信号传播时间的两倍即2 T L1（在此例如是发射序列1010）加上消息的时间长度（在此为4 T sym ），直到收发器T1处的反射消失。
滤波器装置F1、F2、F3…可以连接在每个接收器差分放大器D之后，以便补偿发射模式中预期的反射。类似于非递归FIR滤波器，具有统一延迟时间T并具有多个加权因子b的一系列延迟元件适合作为滤波器结构，以便在输出端Ry处补偿输入端Rx处预期的基于发射器的反射：
图1示出了根据本发明的接收滤波器在每个收发器末端节点（T1、T2、T3、…）和TA、TB、TC、…中的可能实施方式，这些收发器末端节点在来自接收器的差分放大器D的输出信号Rx之后进行连接。类似于数字非递归FIR滤波器，使用了具有多个加权元素b 0、b 1、…b M 的延迟时间为T的一系列M个延迟元件，并对这些延迟元件的输出进行求和，以便补偿输出Ry处的预期反射行为。
对于如图2所示的星形网络，理论上可以确定预期接收信号：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
对于用于图4中示意图的参数：符号时间长度T sym = 10 ns（相应地，f sym = 100MBaud），信号传播时间T l1 = 20 ns、T l2= 10 ns、T l3 = 5 ns，星形节点处的反射系数：对于N= 3个末端节点，r S = -0.333，产生的反射信号可以在相关联的接收器处通过滤波器F来抑制（参见图1中收发器1的滤波器F1）。假设可使用具有M = 10个传播时间元素（每个播时间元素的T = 5 ns）的滤波器，根据 (2)，对于m = 40ns/5ns = 8、b 0 = 0.5、b 8 = -0.333，获得最佳补偿，参见图4中的Ry1。
对于每个站点或者其他自适应布置，滤波器的最佳设置可以是固定的，例如，如果在所使用的协议中提供了已知比特序列，类似于以太网的同步字节。
原则上，可以采用具有多个无源星形节点的拓扑，但是这会使用于补偿多个反射的滤波器结构的变得复杂。
这与具有传统的、基于发射器的低阻抗收发器（如CAN、Flexray）的无源星形结构的负面影响形成对比：在此，反射发生在接收器处，在这些接收器处反射不再能够得到补偿。因此，有充分的理由不允许大多数传统网络中包含具有长线路区段的星形结构，而仅允许在可能最好地端接的情况下具有两个线路末端的线性结构（总线结构）。
下文通过实例对全双工模式进行了描述：
图2所示的具有根据本发明的滤波器装置F1、F2、F3…的布置也可以有利地用于2个总线用户之间的全双工通信，因为发射站是网络中任何反射均能够到达的唯一节点，并且可以根据本发明借助于滤波器来补偿该反射。因此，可以指定协议允许第二站点在第一站点发射的同时也进行发射。
图5示出了这样的全双工情况：站点1经由收发器T1发射比特序列1010，该比特序列被滤波器装置F1（Ry1）抑制。
根据该方法，在从站1点接收到第一部分消息（信号Ry3）之后，站点3立即开始经由收发器T3发送比特序列1100。因此，波从收发器3向星形节点传播，并在那里发生部分反射（反射系数r S ），并再次形成朝站点3反向传播的波，在该站点处，补偿滤波器F3将对其进行补偿。因此，站点3可以无干扰地接收来自站点1的信号1010。
然而，在星形节点S和接收器2（Rx2）处，发射信号Tx1和发射信号Tx3的叠加意味着不可能解码成基础比特序列。
虽然在接收器1（Rx1）之后也可以立即观察到反射，但是这些反射被根据本发明的滤波器F1补偿，因此能够在输出端Ry1检测到由站点3发射的比特序列1100。这同样适用于站点3；因为该站点正在进行发射，所以补偿滤波器F3可以对反射和相关发射信号进行补偿，因此由站点1发射的比特序列1010可以被准确无误地检测到。
因此，图2所示的根据本发明的布置允许在任何2个站点之间进行全双工通信，这对于类似于TCP/IP的握手协议尤其有利。
对于图2所示的布置，全双工通信也可以用于通信混淆：当站点正在发射安全相关消息时，例如在密钥交换期间，接收站点可以将该安全相关消息与第二伪随机信号叠加。
本发明理念基本上描述了物理层（OSI层1）的网络，以及其他能够承担数据链路层（OSI层2）方面的网络，如仲裁、检错和纠错等，因此例如，可以设想的是，类似于RS-485的UART通信或符合IEEE 802.3的以太网帧与本发明网络一起使用。
该理念的优势方面总结在以下列表中：
1. 如图2所示的方法和布置，其特征在于，星形网络中的站点具有相对较长的线路区段，其中对总是具有匹配终端的收发器进行操作，使得反射仅在星形节点处发生，并且向发射收发器传播，而不会到达其他接收收发器。
2. 如图2所示的方法和布置，其特征在于，在收发器的接收器部分中的高阻抗差分放大器之后连接滤波器，该滤波器适用于在发射收发器的接收器部分中补偿由收发器的发射器部分引起的反射。
3. 根据方面1或方面2所述的方法和布置，其特征在于，每个站点以半双工操作进行发射，并且协议规定必须观察到下一个消息的足够时间间隔，以避免反射干扰。
4. 根据方面2所述的方法和布置，其中，每个站点以半双工操作进行发射，并且协议规定，在指定的、优选地短时间之后，可以进行另一个发射过程而不必等待反射。
5. 根据方面2所述的方法和布置，其中，在第一发射过程已经发生的情况下，每个站点在全双工操作下作为第二站点进行发射而不必等待反射，其中，两个站点相互交换信息。
6. 根据方面2和方面5所述的方法和布置，其中，在第一发射过程已经发生的情况下，每个站点作为第二站点进行发射而不必等待反射，其中，一个站点向第二站点传送信息，第二站点通过发射随机信号使得实际上无法对线路区段上的信号进行解码，但是第二站点能够通过根据本发明的滤波器装置有效地抑制该随机信号。
7. 根据方面1或2所述的方法，其中，存在多个由长线路区段连接的无源星形节点。子方面3至6相应地适用于此。
总体来说，示例示出了本发明如何能够提供高速和拦截安全的数据网络。
附图标记列表
10 总线用户设备
11 线路分支
12 短截线
13 开关
14 星形节点
15 总线用户设备
16 消息信号
17 部分
18 数据网络
19 线路
20 线路末端
21 发射单元
22 接收电路
23 电流源电路
24 四象限控制器
25 桥电路
26 控制电路
27 终端电路
28 终端电路
29 电压源
30 地电位
32 接收信号
33 差分放大器
34 补偿滤波器
35 接收信号
40 叠加电路
41 延迟元件
42 放大器电路
43 叠加电路
44 干扰信号
45 接收信号
50 等效电路
51 开路
B1 操作阶段
B2 操作阶段
B3 操作阶段
I0 电流
T1、T2、T3 总线用户设备
Z 内部阻抗值

Claims (10)

1.一种数据网络（18），该数据网络具有经由公共星形节点（14）相互连接的至少三个线路分支（11），以便将消息信号（16）从这些线路分支（11）中的一个线路分支分配到其他线路分支（11）上，其中，在每种情况下，连接到这些线路分支（11）中的至少一个线路分支的是至少一个总线用户设备（10，10‘），该至少一个总线用户设备被配置成以对应发射模式（B2，B3）通过对应发射单元（21）来生成这些消息信号（16）中的至少一个消息信号，其特征在于，在该对应总线用户设备（10，10‘）中，其发射单元（21）具有电流源电路（23），该电流源电路出于生成该消息信号（16）的目的被配置成将电流（I0）注入到该总线用户设备（10，10‘）所连接的线路分支（11）的电气线路（19）中，其中，这些线路（19）经由该电流源电路（23）连接到内部阻抗值，该内部阻抗值在发射模式（B2，B3）下始终大于该线路分支（11）的特性阻抗值的10倍，特别是始终大于500欧姆。
2.如权利要求1所述的数据网络（18），其中，在连接到这些线路分支（11）中的一个线路分支的线路末端（20）的至少一个总线用户设备（10）中，其发射单元（21）具有与该电流源电路（23）并联连接的终端电路（28），并且该终端电路（28）在该总线用户设备（10‘）所连接的线路分支（11）处与这些电气线路（19）连接，并且其阻抗值（Z）等于该线路分支（11）的特性阻抗。
3.如前述权利要求之一所述的数据网络（18），其中，在连接在这些线路分支（11）中的一个线路分支的线路末端（20）与该星形节点（14）之间的至少一个总线用户设备（10‘）中，该总线用户设备具有开路（51），该开路至少在该电流源电路（23）不活动的情况下或连续地将该线路分支（11）的线路（19）电隔离。
4.如前述权利要求之一所述的数据网络（18），其中，该至少一个总线用户设备（10，10‘）中的每一个均具有接收电路（22），该接收电路被配置成从该总线用户设备（10，10‘）所连接的对应线路分支（11）接收来自另一个总线用户设备（10，10‘）的至少一个消息信号（16）作为接收信号（32），其中，该接收器电路（22）包括补偿滤波器（34），该补偿滤波器被配置成使得当相关联总线用户设备（10，10‘）的发射单元（21）处于发射模式（B2，B3）时，该补偿滤波器以时间偏移将由该发射单元（21）发出的相关联的消息信号（16）以加权方式负叠加在该接收信号（32）上，其中，该负叠加的时间偏移等于从该总线用户设备（10，10‘）到该星形节点（14）并返回到该总线用户设备（10，10‘）的信号传播时间，该信号传播时间出现在该线路分支（11）中。
5.如前述权利要求之一所述的数据网络（18），其中，该补偿滤波器（34）是基于至少一个模拟延迟线路（41）和至少一个放大器电路（42）来实施的。
6.如权利要求4或权利要求5所述的数据网络（18），其中，该至少一个总线用户设备（10，10‘）中的每一个总线用户设备被配置成在该相关联接收电路（22）的接收模式（B1）期间通过该发射单元（21）来发出干扰信号（44）。
7.如前述权利要求之一所述的数据网络（18），其中，在该对应总线用户设备（10，10‘）中，其发射单元（21）具有包括H桥电路（25）的四象限控制器（24），该四象限控制器被配置成在该线路分支（11）的线路（19）之间切换具有交变极性的电流源电路（23）。
8.如前述权利要求之一所述的数据网络（18），其中，在该至少一个总线用户设备（10，10‘）中，该对应发射单元（21）被配置成将其对应消息信号（16）作为差分电压电平注入到该线路分支（11）的线路（19）中。
9.一种具有如前述权利要求之一所述的数据网络（18）的机动车辆（KFZ）。
10.一种用于操作数据网络（18）的方法，该数据网络具有经由公共星形节点（14）相互连接的至少三个线路分支（11），以便将消息信号（16）从这些线路分支（11）中的一个线路分支分配到其他线路分支（11）上，其中，在每种情况下，连接到这些线路分支（11）中的至少一个线路分支的是至少一个总线用户设备（10，10‘），该至少一个总线用户设备被配置成以对应发射模式（B2，B3）通过对应发射单元（21）来生成这些消息信号（16）中的至少一个消息信号，其特征在于，在该对应总线用户设备（10，10‘）中，其发射单元（21）具有电流源电路（23），该电流源电路出于生成该对应消息信号（16）的目的将电流（I0）注入到该总线用户设备（10，10‘）所连接的线路分支（11）的电气线路（19）中，其中，这些线路（19）经由该电流源电路（23）连接到该电流源电路（23）的内部阻抗值，该内部阻抗值在发射模式（B2，B3）下始终大于该线路分支（11）的特性阻抗值的10倍，特别是始终大于500欧姆。
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