DE102018110252A1 - Transceiver, System mit Transceivern und Signal - Google Patents

Transceiver, System mit Transceivern und Signal Download PDF

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DE102018110252A1
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Alexander Zeh
Vivin Richards Allimuthu Elavarasu
Eric Pihet
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Infineon Technologies AG
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Abstract

Es wird ein Transceiver bereitgestellt, aufweisend: einen Transmitter, der dazu ausgebildet ist,
- an einem Ausgang ein erstes Signal gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls bereitzustellen, und
- an dem Ausgang ein zweites Signal bereitzustellen, das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst, wobei das erste und das zweite Signal als ein Überlagerungssignal an dem Ausgang einander überlagert sind, und wobei das Überlagerungssignal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt. Entsprechende Transceiver mit Receiver, Systeme und Signale werden ebenfalls bereitgestellt.

Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Anmeldung betrifft Transceiver, Systeme mit derartigen Transceivern, entsprechende Signale sowie entsprechende Verfahren.
  • HINTERGRUND
  • Viele Vorrichtungen enthalten eine Vielzahl von Komponenten, die miteinander kommunizieren, um Daten auszutauschen. Ein Beispiel für derartige Vorrichtungen sind Fahrzeuge, in denen eine Vielzahl von Steuereinheiten wie Microcontroller miteinander kommunizieren, um verschiedene Fahrzeugfunktionen zu steuern. Zudem erfassen in Fahrzeugen Sensoren physikalische Größen und kommunizieren mit den oben genannten Steuereinheiten, um die gemessenen Größen mitzuteilen. Beispiele für derartige Steuereinheiten in Fahrzeugen umfassen Motorsteuerungen, Getriebesteuerungen, Steuereinheiten für den Diebstahlschutz und dergleichen. Beispiele für Sensoren umfassen Kameras, Geschwindigkeitssensoren, Radarsensoren, Temperatursensoren und dergleichen.
  • Die Kommunikation der verschiedenen Komponenten untereinander kann dabei drahtlos oder drahtgebunden erfolgen, wobei in vielen Anwendungen eine drahtgebundene Kommunikation eingesetzt wird. In Fahrzeugen wird häufig der der CAN(controller area network)-Bus eingesetzt, der nach ISO 11898 standardisiert ist. Auch andere Bussysteme, beispielsweise der FlexRay-Bus (ISO 17458-1 bis ISO 17458-4) oder LIN-Bus (zukünftig ISO 17987-1), können zum Einsatz kommen.
  • Bei derartigen Vorrichtungen kann es vorkommen, dass eine Kommunikationseinrichtung unerlaubter Weise an der Kommunikation zwischen den Komponenten teilnehmen will. Beispielsweise kann eine externe Kommunikationseinrichtung mit einem CAN-Bus eines Fahrzeuges verbunden werden, um Manipulationen an dem Fahrzeug vorzunehmen, beispielsweise um einen Kilometerstand eines Tachometers zu verstellen oder um Diebstahlschutzmaßnahmen des Fahrzeuges außer Kraft zu setzen. Daher ist es wünschenswert, derartige Kommunikationseinrichtungen, die einen unerlaubten Eingriff versuchen, erkennen zu können.
  • KURZFASSUNG
  • Es werden Transceiver und ein Signal wie in den unabhängigen Ansprüchen definiert bereitgestellt. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsformen sowie ein System mit derartigen Transceivern.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird ein Transceiver bereitgestellt, aufweisend:
    • einen Transmitter, der dazu ausgebildet ist,
      • - an einem Ausgang ein erstes Signal gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls bereitzustellen, und
      • - an dem Ausgang ein zweites Signal bereitzustellen, das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst, wobei das erste und das zweite Signal als ein Überlagerungssignal an dem Ausgang einander überlagert sind, und wobei das Überlagerungssignal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  • Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel wird ein Transceiver bereitgestellt, aufweisend:
    • einen Receiver, der dazu ausgebildet ist,
      • - ein Empfangssignal, welches eine Überlagerung eines ersten Signals gemäß einem physikalischen Kommunikationsprotokoll mit einem zweiten Signal, das ein kryptographisches Datum umfasst, ist, zu empfangen,
      • - das Empfangssignal gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll zu verarbeiten, um in dem ersten Signal übertragene Informationen zu gewinnen, und
      • - aus dem Empfangssignal das kryptographische Datum zu gewinnen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein Signal bereitgestellt, umfassend eine Überlagerung aus:
    • - einem erstes Signal gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls, und
    • -einem zweites Signal, das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst,
    wobei das Signal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Blockdiagramm eines Systems gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 3 zeigt ein System gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 4 zeigt eine Kommunikationsschaltung mit einem Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 5 zeigt eine Treiberschaltung zum Erzeugen verschiedener Signalpegel, welche in manchen Ausführungsbeispielen verwendet werden kann.
    • 6-9 zeigen Beispiele für Signale gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 10 zeigt einen Teil eines Transmitters für einen CAN-Bus.
    • 11 zeigt Kurven für die Schaltung der 10 bei Variation verschiedener Parameter.
    • 12 zeigt Kurven für die Schaltung der 10 bei Variation verschiedener Parameter.
    • 13 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 14 zeigt Kurven zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele.
    • 15 zeigt eine Kommunikationsschaltung gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 16 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 17 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 18 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 19 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 20 zeigt eine Kommunikationsschaltung für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 21 zeigt Kurven zur Veranschaulichung mancher Ausführungsbeispiele.
    • 22 und 23 zeigen Diagramme zur Veranschaulichung des Einflusses elektromagnetischer Störungen.
    • 24 zeigt ein System gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 25 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 27-36 zeigen Kommunikationsschaltungen für Transceiver gemäß mancher Ausführungsbeispiele.
    • 37 zeigt ein physikalisches Kommunikationsprotokoll und eine Logikprotokollschicht gemäß manchen Ausführungsbeispiele.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben. Es ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele lediglich zur Veranschaulichung dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. So ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Merkmalen (z.B. Komponenten, Eigenschaften, Vorgängen etc.) nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Merkmale zur Implementierung des jeweiligen Ausführungsbeispiels notwendig sind. Vielmehr können manche Merkmale durch alternative Merkmale ersetzt werden oder weggelassen werden. Zusätzlich zu den explizit dargestellten Merkmalen können auch zusätzliche Merkmale, beispielsweise in herkömmlichen Kommunikationsschaltungen verwendete Merkmale, bereitgestellt werden.
  • Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Variationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar und werden daher nicht wiederholt beschrieben.
  • Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele für Kommunikationsschaltungen und Anordnungen derartiger Kommunikationsschaltungen detailliert erläutert. Auch wenn die Kommunikationsschaltungen teilweise unter Bezugnahme auf bestimmte Kommunikationsmedien, insbesondere bestimmte Bussysteme wie einen CAN-Bus, beschrieben werden, sind die dargestellten Techniken auch auf andere Kommunikationsmedien, beispielsweise drahtgebundene Kommunikationsmedien, drahtlose Kommunikationsmedien oder optische Kommunikationsmedien wie Glasfasern, anwendbar. Die Verwendung spezifischer Beispiele dient hier also lediglich der Veranschaulichung.
  • In der Beschreibung wird teilweise auf eine physikalisches Kommunikationsprotokoll der Kommunikation und eine Logikprotokollschicht der Kommunikation Bezug genommen. Das physikalische Kommunikationsprotokoll definiert Funktionen entsprechend der physikalischen Schicht des OSI-Schichtenmodells und definiert, wie zu sendende Daten, z.B. ein Bitstrom, in physikalische Signale auf einem Übertragungsmedium umgesetzt werden. Die Logikprotokollschicht ist dem physikalischen Kommunikationsprotokoll übergeordnet und betrifft dem gegenüber beispielsweise höhere Schichten des OSI-Modells oder auch Schichten oberhalb des OSI-Modells (Anwendungen) und kann insbesondere betreffen, welche Daten übertragen werden, einschließlich einer Codierung oder Verschlüsselung der Daten. Dies ist in 37 mit einem physikalischen Kommunikationsprotokoll 370 und einer übergeordneten Logikprotokollschicht 371 veranschaulicht.
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines Systems 10 gemäß mancher Ausführungsbeispiele mit einer ersten Kommunikationsschaltung 11, welche in dem dargestellten Beispiel als Transmitter, d.h. als Sender dient, und einer zweiten Kommunikationsschaltung 12, welche in dem dargestellten Beispiel als Receiver, d.h. Empfänger dient. Das System 10 kann Teil einer Vorrichtung wie einem Fahrzeug sein, und die Kommunikationsschaltungen 11, 12 können in Komponenten dieser Vorrichtung angeordnet sein, um eine Kommunikation der Komponenten miteinander zu ermöglichen.
  • Die Kommunikationsschaltung 11 sendet über ein Kommunikationsmedium 13 Signale an die Kommunikationsschaltung 12. Das Kommunikationsmedium 13 kann ein drahtloses Kommunikationsmedium, ein drahtgebundenes Kommunikationsmedium oder auch ein optisches Kommunikationsmedium sein. Im Falle eines drahtgebundenen Kommunikationsmediums kann es sich insbesondere um ein Bussystem wie einen CAN-Bus, einen FlexRay-Bus oder einen LIN-Bus handeln, ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
  • Während in 1 die Kommunikationsschaltung 11 als Transmitter und die Kommunikationsschaltung 12 als Receiver dargestellt ist, kann die Kommunikationsschaltung 11 auch zusätzlich Schaltungsteile zum Empfangen von Signalen und/oder die Kommunikationsschaltung 12 zusätzlich Schaltungsteile zum Senden von Signalen enthalten, um eine bidirektionale Kommunikation zu ermöglichen, sodass die Kommunikationsschaltungen 11, 12 beide als Transceiver (Sendeempfänger) ausgebildet sind.
  • Die Kommunikation über das Kommunikationsmedium 13 erfolgt dabei gemäß einem physikalischen Kommunikationsprotokoll. Derartige physikalische Kommunikationsprotokolle sind für verschiedene Arten der Kommunikation definiert und definieren wie oben erläutert insbesondere, wie eine zu sendende Information (Nutzdaten, Steuerdaten und dergleichen) in physikalische Signale (auf einem Kommunikationsmedium oder drahtlos) umgesetzt werden soll. Beispielsweise sind für den CAN-Bus und ähnliche Bussysteme Spannungspegel definiert, welche zwei verschiedene Zustände entsprechend einer logischen 1 und einer logischen 0 definieren, und Signale werden als Abfolge derartiger Spannungspegel gesendet. Es sind jedoch auch andere Arten von Signalen möglich, z.B. frequenzmodulierte Signale, wechselstromförmige Signale, Quadraturamplituden(QAM)-modulierte Signale und dergleichen.
  • Hierzu empfängt eine Signalerzeugungsschaltung 15 eine zu sendende Information, z.B. zu sendende Nutzdaten oder Steuerdaten, und erzeugt ein erstes Signal s1 entsprechend dem physikalischen Kommunikationsprotokoll. Die zu sendende Information kann als Logiksignal von einer über dem physikalischen Kommunikationsprotokoll angeordneten Logikprotokollschicht gemäß einem Logikprotokoll erhalten werden. Dieses erste Signal s1 kann wie erläutert z.B. zwei oder mehrere verschiedene Spannungs- oder Strompegel aufweisen, um die Information in das Signal umzusetzen. Diese Signalerzeugung kann in jeder herkömmlichen Weise für das jeweilige physikalische Kommunikationsprotokoll erfolgen.
  • Zudem wird mittels einer Modulationsschaltung 16 das erste Signal s1 mit einem zweiten Signal s2, welches ein kryptographisches Datum 14 umfasst, überlagert. Ein kryptographisches Datum ist dabei insbesondere ein Code oder anderes Datum, der eine Authentifizierung eines über das Kommunikationsmedium 13 gesendeten Signals als von einem autorisierten Kommunikationsteilnehmer (d.h. Kommunikationsteilnehmer, denen es gestattet ist, miteinander zu kommunizieren) kommend ermöglicht. Beispielsweise kann das kryptographische Datum eine vorgegebene Bitfolge sein, die nur autorisierten Kommunikationsteilnehmern bekannt ist oder durch diese bestimmbar ist. Ein nicht autorisierter Kommunikationsteilnehmer, z.B. eine Kommunikationsvorrichtung, die unerlaubter Weise mit dem Kommunikationsmedium 13 gekoppelt wird, wie Eingangs erläutert, kennt das kryptographische Datum hingegen nicht, z.B. weil ihm kein entsprechender Schlüssel bereitgestellt wird. Das kryptographische Datum kann mithilfe herkömmlicher kryptographischer Verfahren erzeugt werden, z.B. auf Basis eines kryptographischen Schlüssels, den der Transmitter 11 von einer übergeordneten Instanz erhalten kann, wie später erläutert werden wird. Der Begriff „kryptographisch“ ist hier also nicht im engeren Sinne als Verschlüsselung zu verstehen, sondern im weiteren Sinne als ein Element bezeichnend, das dazu beiträgt, das System 10 widerstandsfähig gegen Manipulation zu machen. Das kryptographische Datum kann dabei insbesondere einen Sicherheitscode des Transmitters 11 darstellen, welcher den Transmitter 11 als Quelle eines gesendeten Signals identifiziert und somit eine Authentifizierung ermöglicht.
  • Bei der Modulationsschaltung 16 wird das zweite Signal s2 mit dem kryptographischen Datum auf der physikalischen Ebene auf das von der Signalerzeugungsschaltung 15 erzeugte erste Signal s1 moduliert, z.B. durch Modifizieren von Signalpegeln des ersten Signals s1, um so ein Überlagerungssignal s zu bilden. Dies unterscheidet sich von Ansätzen, bei welchen zu sendende Informationen verschlüsselt werden, was einer Verschlüsselung auf einer Logikprotokollschicht entspricht. Wie später erläutert werden wird kann jedoch eine derartige Verschlüsselung oder andere Codierung auf Logikprotokollschicht zusätzlich vorgenommen werden.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen definiert das Kommunikationsprotokoll Toleranzen für zu verwendende Pegel. Beispielsweise kann das Kommunikationsprotokoll spezifizieren, dass ein Pegel, der einer logischen 1 entspricht, innerhalb eines ersten Spannungsbereiches liegen muss und/oder dass ein Pegel, der einer logischen 0 entspricht, innerhalb eines zweiten Spannungsbereiches liegen muss, um jeweils gültig als 1 oder 0 erkannt zu werden. Bei Ausführungsbeispielen moduliert die Modulationsschaltung das erste Signal durch Überlagerung mit dem zweiten dann so, dass die Pegel des Signals innerhalb der spezifizierten Bereiche bleiben. Auch bei anderen Arten von Kommunikationsprotokollen können Amplituden des zweiten Signals s2 derart klein sein, dass das Überlagerungssignal s das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt, d.h. dass das Überlagerungssignal s gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll verarbeitbar ist, um die Informationen des ersten Signals s1 wiederzugewinnen. Dies kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Rückwärtskompatibilität sicherstellen, d.h. auch Empfänger, die nicht wie später für die Empfangsschaltung 12 diskutiert ausgerüstet sind, können das Signal korrekt empfangen. Beispiele für derartige Überlagerungen von Signalen werden später noch näher erläutert.
  • Zu beachten ist auch, dass die Signalerzeugungsschaltung 15 und die Modulationsschaltung 16 zwar zur Veranschaulichung als hintereinander geschaltete Blöcke dargestellt sind, wie später erläutert die Modulation und die Signalerzeugung jedoch auch gleichzeitig stattfinden kann. Die dargestellte Anordnung dient somit nur der Veranschaulichung der verschiedenen Funktionen.
  • Das so modulierte Überlagerungssignal s wird dann über das Kommunikationsmedium 13 an die Kommunikationsschaltung 12 gesendet. Die Kommunikationsschaltung 12 umfasst eine Signalempfangsschaltung 17, welche die Information, welche von der Signalerzeugungsschaltung 15 in das erste Signal s1 umgesetzt wurde, wiedergewinnt. Zudem weist die Kommunikationsschaltung 12 eine Codeempfangsschaltung 18 auf, welche das in dem durch die Modulationsschaltung 16 aufmodulierten zweiten Signal s2 enthaltene kryptographische Datum wiedergewinnt. Wenn das kryptographische Datum, welches auf diese Weise wiedergewonnen wurde, nicht mit einem erwarteten kryptographischen Datum (z.B. einem in der Kommunikationsschaltung 12 hinterlegten kryptographischen Datum oder einem aus einem bereitgestellten Schlüssel gewonnenen kryptographischen Datum) übereinstimmt, können Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann das empfangene Signal und die daraus gewonnene Information verworfen werden, ein entsprechendes Signal kann erzeugt werden, um andere Komponenten von dem nicht authentifizierten Signal zu informieren, und/oder ein Benutzer kann informiert werden. Auf diese Weise können bei manchen Ausführungsbeispielen nicht autorisierte Zugriffsversuche erkannt werden, und Gegenmaßnahmen können ergriffen werden.
  • Die Signalempfangsschaltung 17 kann dabei in herkömmlicher Weise für das jeweilige physikalische Kommunikationsprotokoll ausgestaltet sein. Beispiele für die Codeempfangsschaltung 18 und insbesondere Kalibrierungsmöglichkeiten für die Codeempfangsschaltung 18 werden später näher erläutert. Zu bemerken ist, dass die Kommunikationsschaltung 12 auch Empfangssignale verarbeiten kann, die nur das erste Signal enthalten bzw. bei denen das zweite Signal z.B. aufgrund von Störungen nicht verarbeitbar ist. In diesem Fall wird z.B. nur die Signalempfangsschaltung 17 verarbeitet.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung von Verfahren gemäß manchen Ausführungsbeispielen. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird das Verfahren der 2 unter Bezugnahme auf die 1 erläutert. Das Verfahren der 2 ist jedoch auch unabhängig von der Vorrichtung der 1 verwendbar.
  • Bei 20 wird eine zu sendende Information in ein erstes Signal umgesetzt. Wie bereits für die Signalerzeugungsschaltung 15 erläutert, kann dies auf Basis eines physikalischen Kommunikationsprotokolls erfolgen, sodass ein Signal erzeugt wird, welches Pegel aufweist, die eine logische 1 und eine logische 0 repräsentieren können, oder auf andere Weise die zu sendende Information überträgt.
  • Bei 21 wird das Sendesignal gemäß einem zweiten Signal, welches ein kryptographisches Datum umfasst, moduliert, wie für die Modulationsschaltung 16 in 1 beschrieben. Das kryptographische Datum kann auf Basis eines Schlüssels erzeugt werden. So wird ein Überlagerungssignal erzeugt, welches das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt, wie oben beschrieben. Wie für die Signalerzeugungsschaltung 15 und die Modulationsschaltung 16 der 1 beschrieben müssen auch das Umsetzen bei 20 und das Modulieren bei 21 nicht nacheinander stattfinden, sondern können z.B. auch gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Empfängerseitig wird dann bei 22 die Information aus dem Überlagerungssignal wiedergewonnen, wie für die Signalempfangsschaltung 17 beschrieben, und bei 23 wird das kryptographische Datum aus dem Überlagerungssignal wiedergewonnen, wie für die Codeempfangsschaltung 18 der 1 beschrieben. Auch das Gewinnen der Information bei 22 und das Gewinnen des kryptographischen Datums bei 23 müssen nicht wie in 2 dargestellt nacheinander erfolgen, sondern können auch gleichzeitig oder in anderer Reihenfolge geschehen. Entspricht das bei 23 gewonnene kryptographische Datum nicht einem erwarteten kryptographischen Datum, können entsprechende Maßnahmen ergriffen werden, wie bereits unter Bezugnahme auf die 1 erläutert.
  • Die 3 zeigt eine Kommunikationsschaltungsanordnung gemäß manchen Ausführungsbeispielen, bei welcher als Kommunikationsmedium ein CAN-Bus 36 verwendet wird. Bei dem Ausführungsbeispiel der 3 dient eine Kommunikationsschaltung 30, 35 als Sender, und eine Kommunikationsschaltung 31, 37 als Empfänger. Das Bezugszeichen 30 bezeichnet dabei einen Sendeknoten, der einen Transceiver 35 mit zu sendenden Daten und einem Sicherheitscode versorgt. Der Transceiver 35 kann zudem zum Empfangen von Daten dienen, was in 3 nicht explizit dargestellt ist. Der Sendeknoten 30 kann mittels eines Microcontrollers implementiert sein.
  • Zu sendende Daten werden in einen Sendepuffer 33 des Sendeknotens 30 in herkömmlicher Weise geschrieben. Diese zu sendenden Daten werden durch eine Sendeschaltung 34 in eine zu sendende Bitfolge umgesetzt, d.h. eine Folge logischer Einsen und Nullen, da dann als Signal Tx an den Transceiver 35 gesendet wird.
  • Ein Sicherheitscodegenerator 32 empfängt einen Schlüssel und erzeugt basierend auf diesem Schlüssel einen Sicherheitscode als kryptographisches Datum. Der Schlüssel kann dabei von einer Schlüsselverwaltungseinrichtung, die speziell geschützt ist, empfangen werden, insbesondere von einem Hardwaresicherheitsmodul (HSM; hardware security module), wie es später noch näher erläutert werden wird.
  • Der Sicherheitscodegenerator 32 empfängt des Weiteren Informationen über die zu sendenden Daten und über eine Position von sogenannten dominanten Sendebits, und erzeugt den Sicherheitscode in dem dargestellten Beispiel des CAN-Protokolls so, dass der Sicherheitscode nur auf dominante Bits eines Datenteils der Übertragung moduliert wird. Auch bei anderen physikalischen Kommunikationsprotokollen können bestimmte Pegel ausgewählt werden, auf die das zweite Signal mit dem kryptographischen Datum moduliert wird.
  • Dominante Bits sind dabei Bits, bei welchen ein Bus wie der CAN-Bus 36 aktiv auf einen Pegel getrieben wird, während er bei sogenannten rezessiven Bits durch Widerstände passiv auf einen anderen Pegel gezogen wird. Bei der CAN-Übertragung sind Bits, welche eine logische 0 repräsentieren, dominante Bits, und Bits, die eine logische 1 repräsentieren, rezessive Bits. Bei andere Kommunikationsstandards kann dies anders sein, und es können beispielsweise alle Bits aktiv getrieben werden. „Nur auf einen Datenteil“ bezieht sich darauf, dass die Übertragung bei CAN und anderen Kommunikationsprotokollen in sogenannten Datenrahmen (frames) erfolgt, die einen sogenannten Header gefolgt von dem Datenteil für Nutzdaten aufweisen. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird der Sicherheitscode nur auf diesen Datenteil moduliert. Dies kann beim CAN-Protokoll vorteilhaft sein, da während des Headers mehrere Transmitter gleichzeitig auf dem CAN-Bus senden können. Bei anderen Ausführungsbeispielen, insbesondere anderen physikalischen Kommunikationsprotokollen, können auch Headerbits zur Modulation mit dem Sicherheitscode verwendet werden.
  • Der Transceiver 35 moduliert dann die Amplituden der dominanten Bits entsprechend dem Sicherheitscode, was in diesem Ausführungsbeispiel der Überlagerung des zweiten Signals entspricht. Durch Kenntnis der Daten und der Bitpositionen kann der Sicherheitscodegenerator den Sicherheitscode entsprechend so erzeugen, dass Bitwechsel des Sicherheitscodes (von 0 auf 1 oder von 1 auf 0) nur bei dominanten Bits auftreten. Ein Beispiel hierfür wird später erläutert. Hier ist das zweite Signal also ein pulsförmiges Signal mit zwei Zuständen entsprechend 0 und 1. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Arten von zweiten Signalen, z.B. welchselstromförmige Signale wie QAMmodulierte Signale, verwendet werden, solange ein kryptographisches Datum übertragbar ist.
  • Empfängerseitig decodiert ein CAN-Transceiver 37 den Sicherheitscode aus dem gesendeten Signal und stellt eine Empfangsschaltung 38 eines Empfangsknotens 31 zudem ein Empfangssignal basierend auf den empfangenen Pegeln gemäß dem CAN- Kommunikationsprotokoll bereit. Die Empfangsschaltung 38 erfolgt aus dem Signal Rx Empfangsdaten, die in einem Empfangspuffer 39 gespeichert werden.
  • Der wiedergewonnene Sicherheitscode, die Position von empfangenen Bits und die empfangenen Daten werden einer Verifizierungsschaltung 310 bereitgestellt. Die Verifizierungsschaltung 310 empfängt den Schlüssel, auf Basis dessen der Sicherheitscodegenerator 32 den Sicherheitscode erzeugt hat. Basierend auf dem Schlüssel, den Empfangsdaten und der Empfangsbitposition kann die Verifizierungsschaltung 310 einen erwarteten Sicherheitscode nach den gleichen Regeln bestimmen, nach denen der Sicherheitscodegenerator 32 den Sicherheitscode aus dem Schlüssel, den Sendedaten und der Sendebitposition bestimmt hat. Beispiele hierfür werden noch erläutert. Dieser erwartete Sicherheitscode wird dann mit dem empfangenen Sicherheitscode verglichen. Bei Übereinstimmung ist die Authentifizierung erfolgreich und die empfangenen Daten können verwendet werden. Bei Nichtübereinstimmung ist die Authentifizierung fehlgeschlagen, und es können wie bereits unter Bezugnahme auf die 1 erläutert Maßnahmen ergriffen werden.
  • Ein Beispiel für den Aufbau von CAN-Transceivern gemäß Ausführungsbeispielen, beispielsweise den CAN-Transceivern 35, 37 der 3, werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 4 und 5 erläutert.
  • 4 zeigt einen CAN-Transceiver 41 gemäß einem Ausführungsbeispiel, welcher mit einem Microcontroller 40 kommuniziert. Der Microcontroller 40 kann dabei insbesondere die für den Sendeknoten 30 der 3 und/oder den Empfangsknoten 31 der 3 erläuterten Funktionen übernehmen, insbesondere ein zweites Signal und ein kryptographisches Datum, wie einen Sicherheitscode, und ein zu sendendes erstes Signal bereitstellen.
  • In 4 sind als erstes Signal zu sendende Sendedaten mit Tx, aus einem Empfangssignal wiedergewonnene Empfangsdaten mit Rx, der als zweites Signal zu sendende Sicherheitscode mit sc_send und der empfangene Sicherheitscode mit sc_empf gekennzeichnet.
  • Die zu sendenden ersten Sendedaten Tx, welche das erste Signal bestimmen, und der als zweites Signal zu sendende Sicherheitscode werden an einen Transmitter 42 des Transceivers 41 übermittelt. Dieser erzeugt auf CAN-Leitungen CANH, CANL, ein entsprechendes Überlagerungssignal gemäß dem CAN-Kommunikationsprotokoll, welches durch den Sicherheitscode moduliert wird. Die Leitungen CANH, CANL, sind dabei wie durch die oben erwähnten CAN-Standards spezifiziert mit einem Widerstand 45 von etwa 60 Ohm verbunden. Bei rezessiven Bits gleicht sich das Potenzial der Leitungen CANH, CANL über den Widerstand 45 einander an, sodass im Wesentlichen keine Potenzialdifferenz zwischen den Leitungen vorliegt. Bei dominanten Bits werden die Leitungen CANH, CANL von dem Transmitter 42 aktiv auf eine Spannungsdifferenz getrieben.
  • Beispiele für die Implementation des Transmitters 42 hierzu werden später noch näher erläutert. Zum Empfangen sind die Leitungen CANH, CANL mit einem Receiver 43 verbunden, der das erste Signal s1 wiedergewinnt. Zudem sind die Leitungen mit einer Überwachungsschaltung 44 verbunden, welche aus der Differenzspannung zwischen den Spannungen an den Leitungen CANH, CANL den Sicherheitscode wiedergewinnt. Hierzu kann die Differenzspannung insbesondere mit einem Schwellenwert verglichen werden, wie dies später noch näher erläutert werden wird.
  • Die 5 zeigt einen Teil eines Transmitters, insbesondere einen Treiber als Beispiel für eine mögliche Implementierung des Transmitters 42 der 5. Allgemein wird in der dominanten Phase die Leitung CANH über einen Widerstand mit einer positiven Spannung (beispielsweise VDD, VCC oder einer anderen Versorgungsspannung Vs) verbunden, und die Leitung CANL wird über einen Widerstand mit einer hierzu kleineren Spannung (beispielsweise VSS, Masse oder dergleichen) verbunden. Dieses Verbinden kann schrittweise über mehrere Widerstände geschehen. Die 5 zeigt eine entsprechende Schaltung für die Leitung CANH. Eine entsprechende Schaltung kann auch für die Leitung CANL vorgesehen sein.
  • Der Treiber der 5 umfasst eine Parallelschaltung 50 einer Vielzahl von Widerständen 55, 53, 51, welche jeweils mit einem zugeordneten Schalter 56, 54, 52 in Reihe geschaltet ist. Die Schalter können mittels Transistoren implementiert sein. Ein erster Anschluss der Widerstände 55, 53 51 ist mit einer Versorgungsspannung Vs verbunden, und ein jeweiliger zweiter Anschluss ist mit einem ersten Anschluss des jeweils zugeordneten Schalters verbunden. Zweite Anschlüsse der Schalter 56, 54, 52 sind über eine Diode 57 mit den Leitung CANH verbunden. Die Anzahl von drei Widerständen und drei zugeordneten Schaltern ist dabei als Beispiel zu verstehen, und es kann jede Anzahl von Widerständen mit jeweils zugeordneten Schaltern bereitgestellt sein.
  • Bei einem rezessiven Bit sind alle Schalter 56, 54, 52 geöffnet, und über den Widerstand 45 der 4 wird eine Spannungsdifferenz zwischen CANH und CANl ausgeglichen. Bei einem dominanten Bit werden die Schalter 56, 54, 52 sukzessive geschlossen, sodass der Spannungspegel auf der Leitung CANH letztendlich durch die Versorgungsspannung Vs den Wert der Widerstände 55, 53, 51, dem Wert des Widerstandes 45 sowie dem Wert entsprechender Widerstände einer entsprechenden Schaltung, die mit der Leitung CANL verbunden ist, bestimmt wird.
  • Bei der Sendeschaltung 42 der 4 bestimmt der Sicherheitscode, wie viele Schalter bei einem dominanten Bit, z.B. bei einem Wechsel von Tx in 4 von 1 auf 0, geschlossen werden. Beispielsweise wird ein Teil der Schalter 56, 54, 52, z.B. alle Schalter außer dem Schalter 52, im dominanten Fall immer geschlossen. Ein anderer Teil der Schalter, beispielsweise der Schalter 52, wird im dominanten Fall in Abhängigkeit von dem Sicherheitscode gesteuert. Auf diese Weise wird z.B. durch Schließen der Schalter 56, 54 der Pegel für ein dominantes Bit der CAN-Übertragung erzeugt, und durch wahlweise Schließen des Schalters 52 wird der Sicherheitscode aufmoduliert. Der Widerstand 51 ist in diesem Beispiel dann so dimensioniert, dass durch Öffnen und Schließen des Schalters 52 der Spannungspegel auf der Leitung CANH einen durch das Kommunikationsprotokoll, in diesem Fall des CAN-Protokolls, spezifizierten Spannungsbereichs für den dominanten Pegel nicht verlässt. Dieser kann bei manchen Ausführungsbeispielen eine Rückwärtskompatibilität sicherstellen. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch mehr als ein Schalter zur Modulation des Sicherheitscodes auf das Signal verwendet werden.
  • Zur weiteren Veranschaulichung zeigt die 6 Beispiele für Signale des Ausführungsbeispiels der 4. Es ist zu bemerken, dass diese und auch andere in dieser Anmeldung dargestellten Signalformen nur der Veranschaulichung dienen und sich die exakten Signalformen in Abhängigkeit von der Implementierung, zu übertragenden Informationen und einem gewählten Sicherheitscode oder anderen kryptographischen Daten, verwendeten Kommunikationsprotokollen sowie in Abhängigkeit von äußeren Umständen wie Temperatur ändern können.
  • Mit 60 sind die Sendedaten Tx in 4 bezeichnet, d.h. die von dem Microcontroller 40 in dem Transceiver 41 empfangenen zu sendenden Daten, die das erste Signal bestimmen. Die Daten stellen eine Abfolge aus logischen Einsen und Nullen dar.
  • Mit 61 wird der zu sendende Sicherheitscode bezeichnet, der das zweite Signal bestimmt. Mit 62 ist ein letztendlich auf den CAN-bus gesendetes Überlagerungssignal dargestellt, wobei die Differenz zwischen den Spannungen auf den Leitungen CANH, CANL, auch als Vdiff bezeichnet, dargestellt ist. Bei einer logischen 1 der Sendedaten 60 liegt ein rezessiver Zustand des Busses vor, d.h. die Leitungen CANH, CANL werden nicht aktiv getrieben, und über den Widerstand 45 gleicht sich das Potenzial der Leitungen CANH, CANL einander an. Das Überlagerungssignal 62, welches die Differenzspannung Vdiff widerspiegelt, ist also bei oder nahe 0. Bei einer logischen 0 (niedriger Pegel) des Signals 60 werden die Leitungen CANH, CANL jeweils über Widerstände mit Spannungen verbunden, wie unter Bezugnahme auf 5 erläutert, sodass sich eine Differenzspannung ergibt. Während dieser dominanten Phasen wird der Sicherheitscode 61 als zweites Signal aufmoduliert. Wie an dem Überlagerungssignal 62 zu sehen ist, ist während der dominanten Phasen die Spannung Vdiff etwas höher, auf einem Pegel 65, wenn das Signal 61 auf logisch 1 (hoher Pegel) ist, und etwas niedriger, auf einem Pegel 66, wenn der Sicherheitscode 61 auf logisch 0 (niedriger Pegel) ist. Dies kann wie unter Bezugnahme auf die 5 erläutert durch wahlweises Schließen des Schalters wie des Schalters 52 erreicht werden.
  • Mit 63 sind die aus dem Signal 62 wiedergewonnenen Empfangsdaten Rx bezeichnet. Dieses entspricht dem Signal 60 mit einer Verzögerung, die von einer Wahl der Abtastzeitpunkte abhängt. Mit 64 ist der wiedergewonnene Sicherheitscode bezeichnet. Dieser entspricht ebenso mit einer Verzögerung dem gesendeten Sicherheitscode 61. Damit dies möglich ist, werden Signalwechsel wie oben bereits kurz erläutert des Sicherheitscodes 61 so gewählt, dass sie während dominanter Phasen liegen, beispielsweise wie in 6 gezeigt, mit dem Beginn dominanter Phasen zusammenfallen, wofür wie bereits unter Bezugnahme auf die 3 erläutert ein Sicherheitscodegenerator Information über die zu sendenden Daten erhält. Ein Flankenwechsel des Signals 61 während einer rezessiven Phase würde hingegen nicht sofort im Signal 62 wiedergespiegelt werden, sondern ggf. erst bei dem nächsten dominanten Bit, was zu einer Änderung des Signals 64 verglichen mit dem Signal 61 führen würde.
  • Zu beachten ist, dass je nach zu sendenden Daten relativ viele rezessive Bits sukzessive gesendet werden können. Je nach verwendetem physikalischen Kommunikationsprotokoll ist aber eine gewisse Anzahl an dominanten Phasen sichergestellt, sodass der Sicherheitscode oder allgemein ein zweites Signal, welches ein kryptographisches Datum umfasst, aufmoduliert werden kann.
  • Wie oben erläutert entsteht durch die Wahl der Abtastzeitpunkte (und ggf. auch durch andere Effekte wie Signallaufzeiten) eine Verzögerung zwischen den Sendedaten Tx, welche zu senden sind, und den wiedergewonnenen Empfangsdaten Rx. Dies wird nun unter Bezugnahme auf die 7 und 8 noch näher erläutert. Die 7 und 8 betreffen dabei insbesondere das Wiedergewinnen des Sicherheitscodes und die Wahl von Abtastzeitpunkten hierzu, d.h. die Wahl von Zeitpunkten, zu denen die Spannungsdifferenz Vdiff zum Gewinnen des Sicherheitscodes ausgewertet wird.
  • Die 7 zeigt als Verlauf 70 die Sendedaten Tx, als Überlagerungssignal 71 die Spannung Vdiff, als Verlauf 72 die Empfangsdaten Rx und als Verlauf 73 den wiedergewonnenen Sicherheitscode. In diesem Beispiel wird die Spannung Vdiff bezüglich des Sicherheitscodes bei der fallenden Flanke des Signals Rx ausgewertet. In anderen Worten wird, sobald eine fallende Flanke des Signals Rx und somit ein Übergang zu einer dominanten Phase erkannt wird, die Spannungsdifferenz Vdiff ausgewertet, um einen Wert für den Sicherheitscode wiederzugewinnen. Dies kann durch Vergleich der Spannungsdifferenz Vdiff mit einem Schwellenwert geschehen, der zwischen den beiden möglichen Signalpegeln im dominanten Fall liegt (vgl. die beiden in 6 gezeigten Pegel 65, 66, als Schwellenwert wird dann eine Spannung zwischen diesen Pegeln gewählt), wie später noch erläutert werden wird. In diesem Fall ist der wiedergewonnene Sicherheitscode 73 zu den Empfangsdaten 72 hinsichtlich Flankenwechseln synchron. Hierfür ist nötig, dass zu diesem Zeitpunkt das Überlagerungssignal 71 für das Abtasten zum Wiedergewinnen des Sicherheitscodes „gültig“ ist, d.h. seinen stationären Wert erreicht hat. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Schleifenverzögerung (im Englischen als loop delay bezeichnet) kleiner ist als die Zeitdauer eines Bits bei der höchsten Bitrate (beispielsweise entspricht dies bei 5 Megabit pro Sekunde 200 Nanosekunden), da sich sonst der Bitzustand schon wieder geändert haben könnte.
  • Eine Alternative ist in 8 gezeigt. Die 8 zeigt Sendedaten Tx, ein Überlagerungssignal 81 als Spannungsdifferenz Vdiff auf dem Bus, Empfangsdaten Rx und einen wiedergewonnenen Sicherheitscode 83. Hier erfolgt das Abtasten der Differenzspannung Vdiff eine vorgegebene Zeit dt nach der fallenden Flanke von Sendedaten 80, wobei die Zeit dt kleiner als die Zeitdauer eines Bits bei der höchsten auftretenden Bitrate gewählt ist. So wird sichergestellt, dass sich im Abtastzeitpunkt das Bit nicht wieder geändert hat. In diesem Fall ist der wiedergewonnene Sicherheitscode 83 hinsichtlich Flankenwechsel nicht synchron zu den Empfangsdaten 82.
  • Diese Abtastzeitpunkte sind lediglich als Beispiel zu verstehen, und es können allgemein Abtastzeitpunkte gewählt werden, bei welchen das Signal die abzutastenden Signalpegel soweit angenommen hat, dass die verschiedenen Pegel des aufmodulierten Sicherheitscodes unterscheidbar sind.
  • Bei manchen Implementierungen, beispielsweise bei manchen Kommunikationsprotokollen, kann es wünschenswert sein, dass Signale hinsichtlich des Verlaufs ansteigender und fallender Flanken sich immer gleich verhalten. Durch das Überlagern des zweiten Signals, z.B. Aufmodulieren des Sicherheitscodes, kann es bei manchen Implementierungen vorkommen, dass dies nicht gewährleistet ist. Zur Veranschaulichung sind in 9 Sendedaten Tx, welche eine zu sendende Bitfolge repräsentieren, dargestellt. Eine Kurve 91 zeigt einen Fall für das übertragende Überlagerungssignal, wenn ein logisch hoher Pegel des Sicherheitscodes aufmoduliert wird. Eine gestrichelte Kurve 92 zeigt den Fall des Überlagerungssignals, in dem ein logisch niedriger Pegel des Sicherheitscodes aufmoduliert wird, wobei in dem Beispiel der Kurven 91, 92 Schalter sukzessive geschlossen werden, wie unter Bezugnahme auf die 5 erläutert. Wie zu sehen ist, sind die ansteigenden Flanken in beiden Fällen bis zum Erreichen des jeweiligen Signalpegels identisch. Die fallenden Flanken können jedoch zeitlich versetzt sein. Wenn eine bestimmte Abtastschwelle zum Abtasten des Signals 91 bzw. 92 verwendet wird, kann dies wie durch Kurven 93, 94 angedeutet zu verschiedenen Empfangsdaten Rx führen, deren Flanken leicht zueinander versetzt sind. Dies kann bei manchen Anwendungen mit hohen Bitraten nachteilhaft sein.
  • In einem derartigen Fall kann das Schalten auf einen höheren Pegel für eine logische 1 des Sicherheitscodes zeitlich versetzt erfolgen, wie dies in einem unteren Teil der 9 dargestellt ist. Dabei sind wieder Sendedaten Tx gezeigt, und ein Verlauf 96 zeigt eine verzögerte Version der Sendedaten 95. In diesem Falle erfolgt die Erzeugung des Überlagerungssignals 97 ohne den aufmodulierten Sicherheitscode auf Basis des verzögerten Signals 96. Das Ende der Aufmodulierung des Sicherheitscodes erfolgt hingegen mit der steigenden Flanke des Signals 95, sodass der Sicherheitscode beabstandet zu den Flanken des Signals aufmoduliert wird, wie durch das Signal 97 gezeigt. In anderen Worten erfolgt hier eine Überlagerung des zweiten Signals gemäß dem Sicherheitscode, nachdem für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgte und für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgen wird. Eine Schwellenspannung 98, auf deren Basis der Signalwechsel des Empfangssignals erfolgt, wird somit unabhängig von dem aufmodulierten Sicherheitscode immer zur gleichen Zeit gekreuzt. Die steigende Flanke der Sendedaten 95 kann zudem dann zum Abtasten des Sicherheitscodes verwendet werden (siehe die Erläuterungen zu den 7 und 8 hinsichtlich des Abtasten des Sicherheitscodes).
  • Durch die Modulation des Sicherheitscodes wie in dem Überlagerungssignal 97 wird die Schleifenverzögerung geringfügig erhöht, da die verzögerten Sendedaten 96 als Grundlage für die Erzeugung des Signals verwendet werden, es bleibt jedoch das Verhalten hinsichtlich steigender und fallender Flanken bei manchen Ausführungsbeispielen unabhängig von dem aufmodulierten Sicherheitscode.
  • Wie bereits vorstehend erläutert kann der Sicherheitscode wiedergewonnen werden, indem das empfangene Signal im Falle eines CAN-Busses die Differenzspannung, mit einem Schwellenwert (z.B. Schwellenspannung) verglichen wird. Dieser Schwellenwert liegt zweckmäßigerweise zwischen den beiden möglichen Pegeln des Sicherheitscodes, beispielsweise zwischen den Pegeln 65 und 66 der 6. Diese beiden Pegel liegen bei manchen Ausführungsbeispielen relativ nah beieinander, beispielsweise um sicherzustellen, dass beide Pegel innerhalb eines Toleranzbereichs für einen entsprechenden Signalpegel des Signals gemäß dem Kommunikationsprotokoll liegen, wie erläutert. Bei manchen Implementierungen können die Pegel zusätzlich in Abhängigkeit von Umständen wie Temperatur, Versorgungsspannung, Herstellungstoleranzen von Komponenten und dergleichen schwanken, was bei manchen Ausführungsbeispielen eine geeignete Wahl der Schwellenspannung erschweren kann. Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 10 und 11 am Beispiel eines CAN-Busses erläutert, und dann werden nachfolgend verschiedene Kalibrierungsmöglichkeiten erläutert, welche es ermöglichen, auch in Implementierungen, bei denen derartige Variationen auftreten, eine geeignete Schwellenspannung zu bestimmen.
  • 10 zeigt schematisch einen Treiber eines Transmitters für einen CAN-Bus im dominanten Zustand. Die 10 zeigt die beiden bereits diskutierten Leitungen CANH, CANL eines CAN-Busses, welche über einen Lastwiderstand 100 entsprechend dem Lastwiderstand 45 der 4 verbunden sind. Der Lastwiderstand 100 weist bei CAN-Bussen einen Wert von 60 Ohm auf, wobei hier Toleranzen in einem Bereich von etwa 50 Ohm bis 75 Ohm zugelassen sind. Die Leitung CANH ist über einen Widerstand 101 mit einem Widerstandwert RH und eine Diode 102 mit einer positiven Versorgungsspannung VCC verbunden, und die Leitung CANL ist über eine Diode 103 und einen Widerstand 104 mit einem Widerstandwert RL mit Masse verbunden. Der Widerstand 101 entspricht dabei beispielsweise denjenigen Widerständen 55, 53, 51 der 5, deren Schalter im dominanten Zustand geschlossen sind, ist also ein Ersatzschaltbild für die parallelen Schalter und Widerstände der 5 im dominanten Zustand, und die Diode 102 entspricht der Diode 57 der 5. Die Diode 103 und der Widerstand 104 entsprechen entsprechenden Komponenten zwischen CANL und Masse. Die differenzielle Spannung Vdiff zwischen CANH und CANL berechnet sich zu: Vdiff = ( VCC − 2 Ud ) * Rload / ( RH + RL + Rload ) ,
    Figure DE102018110252A1_0001
    wobei Rload der Widerstandswert des Widerstandswert 100 und Ud die Diodenspannung der Dioden 102, 103 in Durchlassrichtung ist.
  • RH und RL variieren dabei zwischen den beiden Pegeln, die in dem dargestellten Sicherheitscode verwendet werden. Um ein Zahlenbeispiel zu geben, kann RH=RL=20 Ohm für den einen Pegel des Sicherheitscodes und RH=RL=15 Ohm für den anderen Pegel sein. Mit Beispielwerten VCC=5 Volt, Rload=60 Ohm und Ud=0,7 Volt ergibt sich dann mit der obigen Formal Vdiff,low=2,16 Volt und Vdiff,high=2,4 Volt für die beiden möglichen Pegel, mit denen der Sicherheitscode moduliert wird. Die Spannungsdifferenz zwischen diesen beiden Pegeln liegt bei diesem Beispiel also etwas über 200 mV.
  • Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich ist hängt die Spannung Vdiff von der Versorgungsspannung VCC sowie dem Lastwiderstand 100 ab. Zudem hängen die Größen in der Gleichung, beispielsweise die Diodenspannung Ud, auch von der Temperatur ab. Die Abhängigkeit von der Versorgungsspannung und von Rload ist in der 11 schematisch dargestellt. Die 12 veranschaulicht zudem eine Abhängigkeit von der Temperatur.
  • In der 11 zeigen Kurven 110-115 die Spannung Vdiff gemäß obiger Gleichung über dem Lastwiderstand Rload. Rload variiert dabei zwischen 50 und 75 Ohm, was beispielsweise einem erlaubten Variationsbereich für CAN-Busse entsprechen kann. In 12 ist die Spannung Vdiff über der Temperatur aufgetragen.
  • Die Kurven 110-115 zeigen die Spannung Vdiff für verschiedene Versorgungsspannungen und für einen hohen Pegel (entsprechend dem obigen Vdiff,high) und einen niedrigen Pegel (entsprechend dem obigen Vdiff,low) für die Beispielwerte für RH, RL von 15 bzw. 20 Ohm wie oben erläutert. Insbesondere zeigt die Kurve 110 Vdiff,high für VCC=5,25 Volt, die Kurve 1111 Vdiff,high für VCC=5, die Kurve 112 Vdiff,low für VCC=5,25 Volt, die Kurve 113 Vdiff,high für VCC=4,75 Volt, die Kurve 114 Vdiff,low für VCC=5 Volt und die Kurve 115 Vdiff,low für VCC=4,75 Volt. In 12 zeigt die Kurve 120 Vdiff,high für VCC=5 Volt und Rload=75 Ohm, die Kurve 121 Vdiff,high für VCC=5 Volt und Rload=60 Ohm, die Kurve 122 Vdiff,low für VCC=5 Volt und Rload=75 Ohm, die Kurve 123 Vdiff,high für VCC=5 Volt und Rload=50 Ohm, die Kurve 124 Vdiff,low für VCC=5 Volt und Rload=60 Ohm und die Kurve 125 Vdiff,low für VCC=5 Volt und Rload=50 Ohm.
  • Der externe Lastwiderstand 100 ist dabei a priori nicht bekannt und kann eben variieren wie erläutert. Auch die Versorgunsspannung kann variieren, beispielsweise zwischen 4,75 Volt und 5,25 Volt wie in 11 angegeben. Wie aus den 11 und 12 ersichtlich kann bei derartigen Implementierungen, bei denen solche Variationen auftreten können, kein einziger Schwellenwert (d.h. in diesem Fall eine Schwellenspannung) festgelegt werden, mit dem zwischen Vdiff,high und Vdiff,low für alle auftretenden Lastwiderstände, Spannungen und Temperaturen unterschieden werden kann. Z.B. würden bei einem Schwellenwert von 2,30 Volt wie in 4 ersichtlich bei einem Widerstand Rload über 60 Ohm und einer Versorgungsspannung von 5,75 Volt sowohl Vdiff,high (Kurve 110) als auch Vdiff,low (Kurve 112) über diesem Schwellenwert liegen, sodass eine Unterscheidung nicht möglich wäre. Gleiches gilt auch für andere mögliche Schwellenwerte.
  • Daher wird bei manchen Ausführungsbeispielen, bei welchen derartige Variationen auftreten können, eine Kalibrierung durchgeführt, für welche im Folgenden verschiedene Möglichkeiten erörtert werden. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen derartige Variationen nicht oder in geringem Ausmaß auftreten, kann hingegen ein einziger Schwellenwert gewählt werden, und die Kalibrierung kann weggelassen werden.
  • Die 13 zeigt eine für eine derartige Kalibrierung verwendete Schaltung gemäß mancher Ausführungsbeispiele. Bei dem Ausführungsbeispiel der 13 wird eine Nachbildung des in 10 dargestellten Treibers bereitgestellt, um eine Referenzspannung Vref zu gewinnen. Eine Nachbildung eines Schaltungsteils ist dabei eine Schaltung, die allgemein dem Schaltungsteil entsprechende Komponenten enthält, welche bezüglich des Schaltungsteils skaliert sein können (beispielsweise eine um einen Skalierungsfaktor verkleinerte Fläche aufweisen können, eine um einen Skalierungsfaktor vergrößerten Widerstand aufweisen können und dergleichen). Die Nachbildung im Ausführungsbeispiel der 13 umfasst einen Widerstand 131 entsprechend dem Widerstand 101, eine Diode 132 entsprechend der Diode 102, eine Diode 133 entsprechend der Diode 103 und einen Widerstand 134 entsprechend dem Widerstand 104. Wie in 13 angedeutet sind die Widerstände 133, 134 bezüglich der Widerstände 101,104 um einen Faktor n skaliert, insbesondere um einen Faktor n höher, was einen Stromfluss durch die Nachbildung begrenzt. Die Dioden 132, 133 weisen verglichen mit den Dioden 102, 103 eine um den Skalierungsfaktor n verkleinerte Fläche auf, was einen Flächenbedarf für die Nachbildung verringert und die Stromaufnahme verringert. Bei typischen Werten kann n > 30 gelten, um eine Stromaufnahme der Nachbildung unter 1 mA zu halten. Deutlich höhere Werte von n würden zwar die Stromaufnahme weiter verringern, könnten aber je nach Implementierung das Matching der Nachbildung zu dem in 10 dargestellten Treiber verschlechtern. Für die Widerstände 131, 134 kann dabei ein Zwischenwert zwischen den Werten n*RH und n*RL für den hohen und niedrigen Pegel des Sicherheitscodes verwendet werden. Über dem Widerstand 130 fällt dann eine Spannung ab, die als Referenzspannung bei manchen Ausführungsbeispielen verwendet wird. Schwankungen der Versorgungsspannung VCC sowie der Temperatur wirken sich mit einer derartigen Schaltung in gleicher Weise auf die Spannung Vdiff und auf die durch die Nachbildung gewonnene Referenzspannung Vref aus, sodass hierdurch der Einfluss von schwankenden Referenzspannungen und Temperaturen ausgeglichen werden kann.
  • Allerdings werden hierdurch noch nicht Schwankungen des Widerstandwerts Rload des Widerstands 100 ausgeglichen. Da der Widerstand 100 bei vielen Implementierungen ein externer Widerstand ist, ist dieser häufig nicht a priori bekannt.
  • Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen derartige Variationen eines Lastwiderstandes auftreten, welche die Pegel des aufmodulierten zweiten Signals, z.B. auf Basis des diskutierten Sicherheitscodes (in diesem Fall die Spannung Vdiff) beeinflussen, kann zusätzlich der Widerstand 130, welche den Widerstand 100 nachbildet, einstellbar sein und auf einen Wert RL_RF=n*Rload kalibriert werden, wobei n wiederum die Skalierung ist. Möglichkeiten, wie eine derartige Kalibrierung vorgenommen werden kann, werden später noch näher erläutert. Das Ergebnis einer derartigen Kalibrierung ist in 14 dargestellt. In 14 zeigt eine Kurve 140 die Spannung Vdiff,high für eine Versorgungsspannung von 5 Volt und einen Lastwiderstand Rload von 55 Ohm über der Temperatur, und eine Kurve 142 zeigt die Spannung Vdiff,low für die Versorgungsspannung und den Lastwiderstand von 55 Ohm. Eine Kurve 141 zeigt eine Referenzspannung Vref über der Temperatur, welche mit einem Widerstand 130 gewonnen wurde, dessen Widerstandwert RL RF auf 55 Ohm*n eingestellt wurde. Die Widerstände 131, 134 betrugen dabei jeweils n*17 Ohm, d.h. ein Wert zwischen den oben erwähnten Beispielwerten von 20 Ohm und 15 Ohm für niedrigen und hohen Pegeln des Sicherheitscodes.
  • Ähnliche Resultate werden bei anderen Werten von Rload erhalten. Somit kann durch eine Kalibrierung des Widerstandwertes RL RF bei manchen Ausführungsbeispielen eine Referenzspannung erzeugt werden, die als Schwellenspannung benutzt werden kann, um die zwei Pegel zu unterscheiden.
  • 15 zeigt eine Kalibrierungsschaltung gemäß manchen Ausführungsbeispielen, mit welchen eine derartige Kalibrierung eines nachgebildeten Widerstandes zum Bestimmen einer geeigneten Schwellenspannung (Referenzspannung) als Schwellenwert erfolgen kann. Die 15 umfasst den Teil des Treibers des Transmitters mit den Bezugszeichen 100-104, welcher bereits unter Bezugnahme auf die 10 beschrieben wurde. Wie bereits erläutert können die Widerstände 101, 104 jeweils zwei verschiedene Werte (z.B. 15 Ohm und 20 Ohm) annehmen, und diese sind in 15 mit R1 und R2 bezeichnet. R1 entspricht dabei dem Widerstandswert für den niedrigen Pegel (20 Ohm in dem obigen Beispiel) und R2 für den hohen Pegel (15 Ohm in dem obigen Beispiel), d.h. R2 < R1.
  • Die Schaltung der 15 umfasst zwei Nachbildungen dieses Treibers. Eine erste Nachbildung umfasst einen Widerstand 153, entsprechend dem Widerstand 101, eine Diode 154 entsprechend der Diode 102, einen verstellbaren Widerstand 155 entsprechend dem Widerstand 100, eine Diode 156 entsprechend der Diode 103 und einen Widerstand 157 entsprechende der Diode 104. Die Dioden 154, 156 sind bezüglich der Dioden 102, 103 um einen Faktor n skaliert (beispielsweise um n kleiner Fläche) und die Widerstandwerte der Widerstände 153, 157 betragen n*R2, d.h. sind bezüglich des Widerstandswertes der Widerstände 101, 104 für den hohen Pegel des Sicherheitscodes skaliert.
  • Eine zweite Nachbildung umfasst einen Widerstand 158 entsprechend dem Widerstand 101, eine Diode 159 entsprechend der Diode 102, einen verstellbaren Widerstand 1510 entsprechend dem Lastwiderstand 100, eine Diode 1511 entsprechend der Diode 103 und einen Widerstand 1512 entsprechend dem Widerstand 104. Die Dioden 159, 1511 sind wiederum bezüglich der Dioden 102, 103 um den Faktor n skaliert weisen beispielsweise also eine n-mal kleiner Fläche auf. Die Widerstände 158, 1512 sind bezüglich des Widerstandswertes R1 um n skaliert, d.h. bezüglich des Widerstandwertes für den niedrigen Pegel.
  • Eine Kalibrierschaltung 152 misst die differenzielle Spannung Vdiff an dem Widerstand 100. Zur Kalibrierung kann beispielsweise am Anfang eines CAN-Telegramms oder während einer Kalibrierphase die Sendeschaltung zunächst den Widerstand R1 für die Widerstände 101, 104 einstellen und dann den Widerstand R2 oder umgekehrt.
  • Zudem misst die Kalibrierschaltung 152 den Spannungsabfall über den Widerstand 155, in 15 als Vref2 bezeichnet, und den Spannungsabfall über den Widerstand 1510, in 15 als Vref1 bezeichnet, wobei die Widerstände 155, 1510 auf den gleichen Widerstandswert eingestellt sind.
  • Während der Kalibrierphase stellt die Kalibrierschaltung 152 den während der Phase, in der die Widerstände 101, 104 auf R1 eingestellt sind, den Widerstand 1510 und den Widerstand 155 so ein, dass Vref1=Vdiff gilt. Da die Widerstände 158 und 1512 gleich n x R1 sind, gilt nach dieser Einstellung, dass der Wert der Widerstände 1510, 155 gleich n x Rload ist. Auf diese Weise werden also die Widerstände 155 und 1510 dem Widerstandwert Rload des Widerstands so angepasst, dass die Referenzspannungen Vref1, Vref2 den beiden möglichen Werten des Signals Vdiff für hohen und niedrigen Pegeln des Sicherheitscodes entsprechen. Aus den Werten Vref1, Vref2 kann dann ein Schwellenwert Vref zum Wiedergewinnen des Sicherheitscodes bestimmt werden, indem Vref auf einen Wert zwischen Vref1 und Vref2 gesetzt wird.
  • In dem Ausführungsbeispiel der 16 ist zusätzlich zu den beiden Nachbildungen der 15 eine dritte Nachbildung umfassend einen Widerstand 160 entsprechend dem Widerstand 101, eine Diode 161 entsprechend der Diode 102, einen einstellbaren Widerstand 162 entsprechend dem Lastwiderstand 100, eine Diode 163 entsprechend der Diode 103 und ein Widerstand 164 entsprechend dem Widerstand 104 bereitgestellt. Der Widerstand 160 und der Widerstand 164 sind bezüglich eines Widerstandes mit einem Widerstandwert, der zwischen R1 und R2 liegt, um einen Faktor n skaliert. Wenn wie in dem Zahlenbeispiel R1=20 Ohm und R2=15 Ohm ist, kann ein Widerstandswert der Widerstände 160 und 164 beispielsweise n*17 Ohm oder n-mal ein anderer Wert zwischen R1 und R2 sein. Die Dioden 161 und 163 sind verglichen mit den Dioden 102 und 103 ebenfalls um den Faktor n skaliert, weisen beispielsweise eine n-mal kleinere Fläche auf.
  • In diesem Fall werden die Widerstände 155, 1510 und 162 gleichzeitig wie oben erläutert eingestellt, z.B. sodass Vref1 = Vdiff in einer Phase, in der die Widerstände 101, 104 auf R1 sind, gilt. Durch die Wahl der Widerstände 160, 164 fällt dann an dem Widerstand 162 eine Referenzspannung Vref ab, welche zwischen Vdiff,high und Vdiff,low liegt und somit als Schwellenwert für die Gewinnung des Sicherheitscodes aus dem empfangenen Signal verwendet werden kann.
  • Eine weitere Möglichkeit zu Bestimmung einer Spannung Vref, welche als Schwellenwert dienen kann, ist in 17 dargestellt. Verglichen mit der 15 sind bei dem Ausführungsbeispiel der 17 zusätzlich Widerstände 170, 171, 172, 173 bereitgestellt, welche wie in 17 dargestellt mit den Widerständen 1510, 155 verschaltet sind. Bei manchen Ausführungsbeispielen weisen alle Widerstände 170-173 einen gleichen Widerstandswert R auf. Zwischen einem ersten Knoten, welcher zwischen den Widerständen 170, 171 liegt und einem zweiten Knoten, welcher zwischen den Widerständen 172, 173 liegt, kann dann eine Spannung Vref die als Schwellenwert dienen kann, abgegriffen werden. Weisen alle Widerstände 170-173 einen gleichen Widerstandswert auf, gilt Vref=(Vref1+Vref2)/2. Durch Änderung der Widerstandswerte 170-173 kann dies verändert werden, beispielsweise Vref näher an Vref1 oder näher an Vref2 geschoben werden. Bei Ausführungsbeispielen weisen die Widerstände 170-173 höhere Widerstandwerte auf als die Widerstände 153, 157, 158 und 1512. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann dies einen Fehler bei der Bestimmung der Referenzspannung Vref verringern.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen können Störungen auf Kommunikationsleitungen wie beispielsweise Busleitungen, im Falle eines CAN-Busses den Leitungen CANH, CANL auftreten. Beispiele für derartige Störungen umfassen hochfrequente Störungen (RF-Störungen), welche beispielsweise durch elektromagnetische Übersprechen (EMI, electromagnetic interference) entstehen können.
  • Wenn derartige Störungen während der beschriebenen Kalibrierungsvorgänge auftreten, können sie das Ergebnis der Kalibrierung verfälschen. Um dies zu vermeiden, können bei manchen Ausführungsbeispielen Maßnahmen ergriffen werden. Beispielsweise kann bei dem Ausführungsbeispiel der 16 eine zusätzliche Spannungsüberwachung 1513 optional bereitgestellt werden, welche die Spannung auf den Busleitungen CANH, CANL überwacht und überprüft, ob diese in einem erlaubten Bereich sind. Bei einem CAN-Bus kann der erlaubte Bereich beispielsweise zwischen 1 und 4 Volt sein. Bei anderen Kommunikationsmedien können andere erlaubte Bereiche vorliegen.
  • Eine Kalibrierung, d.h. eine Einstellung der Widerstände 1510, 155, um entsprechend der gemessenen Spannung Vdiff, ist nur dann gültig, wenn die Spannungen auf den Bussen auf den Leitungen CANH, CANL in dem erlaubten Bereich liegen. Liegen sie außerhalb des erlaubten Bereichs, ist die Kalibrierung ungültig und muss wiederholt werden.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, welches in der 18 dargestellt ist, können die Widerstände 1510 und 155 unabhängig voneinander von zwei Kalibrierschaltungen eingestellt werden. Dementsprechend ist verglichen mit der 15 in der 18 die Kalibrierschaltung 152 durch eine erste Kalibrierschaltung 180 zum Einstellen des Widerstandes 155 und eine zweite Kalibrierschaltung 181 zum Einstellen des Widerstandes 1510 ersetzt. Die Kalibrierungen können dabei zeitlich versetzt erfolgen. Eine Vergleichsschaltung 182 vergleicht die Kalibrierresultate. Bei einer korrekten Kalibrierung sollten die für die Widerstände 155 und 1510 eingestellten Widerstandswerte zumindest näherungsweise gleich sein. Unterscheiden sie sich um mehr als einen vorgegebenen Schwellenwert, wird bei manchen Ausführungsbeispielen die Einstellung der Widerstände 155, 1510 verworfen, und die Kalibrierung wird wiederholt. Diese Maßnahmen zum Sicherstellen einer erfolgreichen Kalibrierung, welche auch als Validierung der Kalibrierung bezeichnet werden können, die unter Bezugnahme auf die 16 und 18 erläutert wurden, sind auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar, beispielsweise das Ausführungsbeispiel der 17.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen wird die oben erläuterte Kalibrierung nur in manchen Phasen einer Kommunikation ausgeführt. Beispielsweise gibt es bei einem CAN-Bus Phasen der Kommunikation wie eine Arbitrierungsphase zum Beginn der Kommunikation, welchem viele Sender in einem dominanten Zustand sein können. Eine Kalibrierung zu einem derartigen Zeitpunkt könnte das Ergebnis der Kalibrierung in manchen Fällen verfälschen. Daher wird bei manchen Ausführungsbeispielen eine Kalibrierung nur außerhalb einer solchen Arbitrierungsphase durchgeführt.
  • Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Kalibrierung durch ein separates Signal von einem Microcontroller oder einer anderen Steuerung aktiviert werden. Ein Beispiel hierfür ist in 19 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der 19 ist eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der 4, und gleiche Komponenten tragen die gleichen Bezugszeichen und werden nicht nochmals erläutert.
  • Zusätzlich zu den in 4 dargestellten Komponenten kann die Microcontroller 40 durch einen Pfeil 190 dargestellt mit einem Signal calibration_en die Kalibrierung aktivieren und deaktivieren. So kann der Microcontroller 40 z.B. die Kalibrierung während der oben erwähnte Arbitrierungsphase deaktivieren.
  • Oben wurden verschiedene Möglichkeiten erläutert, wie bei variablem externen Widerstand wie dem Lastwiderstand 100 eine Kalibrierung erfolgen kann, um eine Referenzspannung Vref als Schwellenwert zu gewinnen.
  • Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein Unterschied zwischen Spannungspegeln für den Sicherheitscode so gewählt werden, dass in einem gesamten erlaubten Bereich von Lastwiderständen eine gleiche Referenzspannung verwendet werden kann, die dann nicht kalibriert werden muss. Dies kann als Kalibrierung des Treibers auf der Senderseite angesehen werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in 20 dargestellt.
  • Die 20 zeigt wiederum den beschriebenen Teil der Sendeschaltung mit den Bezugszeichen 100-104. Zudem wird eine Nachbildung bereitgestellt, bei der ein Widerstand 201 dem Widerstand 101, eine Diode 202 der Diode 102, ein Widerstand 200 dem Widerstand 100, eine Diode 203 der Diode 103 und ein Widerstand 204 dem Widerstand 104 entspricht. Die Dioden 202 und 203 sind bezüglich der Dioden 102 und 103 um einen Skalierungsfaktor n skaliert, weisen z.B. eine n-mal kleinere Fläche auf. Der Widerstand 200 ist bezüglich eines mittleren Widerstandswertes des Lastwiderstands 100 mit dem Faktor n skaliert. Im Falle eines CAN-Busses kann der Widerstand 200 beispielsweise einen Widerstandswert von n*60 Ohm aufweisen. Die Widerstände 201 und 204 sind bezüglich eines mittleren Wertes der Widerstände 101, 104 um den Skalierungsfaktor n skaliert. Wie bereits erläutert können die Widerstände 101, 104 zur Erzeugung von zwei Pegeln zum Modulieren des Sicherheitscodes zwei verschiedene Werte annehmen, und die Widerstände 201, 204 sind bezüglich eines dazwischenliegenden Wertes skaliert.
  • Um ein Zahlenbeispiel zu geben, können bei dem Ausführungsbeispiel der 20 die Widerstände 101, 104 entweder auf 10 Ohm für einen hohen Pegel oder auf 20 Ohm für einen niedrigen Pegel gesetzt werden, was einem Unterschied von näherungsweise 500 mV zwischen den Pegeln für die oben bereits verwendeten Zahlenbeispiele entspricht. Die Widerstände 201, 204 können dann einen Wert von n*15 Ohm aufweisen, oder n * einem anderer Wert, des zwischen 10 Ohm und 20 Ohm liegt, beispielsweise n*14 Ohm. Der Spannungsabfall über dem Widerstand 200 wird dann als Referenzspannung zum Wiedergewinnen des Sicherheitscodes verwendet. Bei derartigen Ausführungsbeispielen ist keine Kalibrierung des Widerstandes 200 nötig. Bei manchen Ausführungsbeispielen ist jedoch der Flächenbedarf wegen des größeren Unterschiedes der beiden Werte der Widerstände 101, 104 höher. Zudem kann der Unterschied zwischen den Pegeln je nach verwendetem Kommunikationsprotokoll nicht beliebig hoch gewählt werden, wenn die oben erläuterte Rückwärtskompatibilität, in dem die Pegel in spezifizierten Bereichen gehalten werden, erhalten werden soll.
  • Die 20 zeigt Simulationsergebnisse für eine Schaltung wie unter Bezugnahme auf 20 erläutert. Die 20 zeigt insbesondere Spannungen Vdiff,high und Vdiff,low über der Temperatur in Grad Celsius für verschiedene Lastwiderstände Rload und eine konstante Versorgungsspannung VCC=5 Volt. Eine Kurve 210 zeigt Vdiff,high für Rload=75 Ohm, eine Kurve 211 zeigt Vdiff,high für Rload=50 Ohm, eine Kurve 213 zeigt Vdiff,low für Rload=75 Ohm und eine Kurve 214 zeigt Vdiff,low für Rload=50 Ohm. Eine Kurve 212 zeigt die Referenzspannung an dem Widerstand 200 der 20 für einen Widerstandwert von n*60 Ohm. Wie zu sehen ist, kann für den gesamten Bereich von Rload von 50 Ohm bis 75 Ohm mittels der Referenzspannung 212 gemäß der Kurve 212 zwischen Vdiff,high und Vdiff,low unterschieden werden.
  • Somit ist auch ein Ausführungsbeispiel ohne die oben erläuterte Kalibrierung möglich, beispielsweise indem wie unter Bezugnahme auf 20 erläutert die möglichen Widerstandwerte für die Widerstände 101, 104 so gewählt werden, dass der Abstand zwischen Vdiff,high und Vdiff,low genügend groß ist.
  • Wie oben erläutert ist allgemein der Unterschied zwischen Vdiff,low und Vdiff,high relativ klein, beispielsweise ungefähr 200 mV oder ungefähr 500 mV in den obigen Beispielen. Dieses Signal kann durch elektromagnetische Störungen beeinflusst werden. Um elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu verbessern, können bei manchen Ausführungsbeispielen Maßnahmen ergriffen werden, um die Auswirkungen von elektromagnetischen Störungen auf das Signal zumindest zu verringern. Dies wird nun unter Bezugnahme auf die 22 und 23 erläutert. Die 22 und 23 zeigen jeweils ein Ersatzschaltbild für eine Ausgangsstufe eines CAN-Busses mit Leitungen CANH, CANL unter dem Einfluss einer elektromagnetischen Störung.
  • Sowohl in 22 als auch in 23 ist mit dem Bezugszeichen 220 der Ausgangswiderstand (entsprechend dem Widerstand 100 in vorherigen Figuren), der etwa 60 Ohm beträgt, bezeichnet. Jede Leitung CANH, CANL ist mit einem Widerstand 221, 222 dargestellt, welcher in dem dargestellten Beispiel etwa 120 Ohm beträgt. Zusätzlich ist eine Kapazität 223 bzw. 224 mit einem Kapazitätswert von 4,7 Nanofarrad bereitgestellt. Die Widerstände 221, 222 und die Kapazitäten 223, 224 repräsentieren ein Einkoppelnetzwerk, über welches Störungen in die Busleitungen CANH, CANL eingekoppelt werden.
  • Im Falle der 22 und 23 wird eine elektromagnetische Störung durch eine Störungsquelle 226, mit Wechselspannungsquelle 228 und Widerstand 227 dargestellt, über das Einkoppelnetzwerk (221-224) in die Leitungen CANH, CANL eingekoppelt. Im Falle einer derartigen Störung wird Vdiff durch einen Kurzschlussstrom, welcher einem maximalen möglichen Stromfluss entspricht, bereitgestellt, da in diesem Fall eine Strombegrenzung auf der mit CANH gekoppelten Seite oder der mit CANL gekoppelten Seite eines Treibers auftritt. Dieser Treiber ist in 22 durch eine Stromquelle 229 und im Falle der 23 durch eine Stromquelle 230 repräsentiert. Bei großen Spannungen (z.B. durch Störungen) verhalten sich Treiber mit Strombegrenzung wie eine Stromquelle. Die Stromquellen 229 bzw. 230 repräsentieren somit auch den Kurzschlussstrom der im Falle der 22 zu einer positiven Spannung, wie VCC, und im Falle der 23 zu Masse fließt. Eine derartige Strombegrenzung kann beispielsweise durch einen maximalen Stromfluss eines durch einen oder mehrere Transistoren implementierten Schalters wie der Schalter 56, 54, 52 der 5 auftreten.
  • In beiden Fällen fließt der Kurzschlussstrom in gleicher Weise über beide Leitungen CANH, CANL, wie durch Pfeile 2210, 2211 in den 22 und 23 angedeutet.
  • Die sich ergebende Differenzspannung Vdiff ist in diesem Fall Vdiff=Rload*ishort/2, wobei ishort der Kurzschlussstrom ist.
  • Durch geeignete Wahl der Strombegrenzung dieses Kurzschlussstroms kann erreicht werden, dass auch bei elektromagnetischen Störungen die Spannung Vdiff im Wesentlichen unverändert bleibt. Insbesondere kann der Kurzschlussstrom ishort so eingestellt werden, dass er zweimal der im Normalzustand fließende Strom ist (d.h. im dominanten Zustand fließende Strom). Eine derartige Strombegrenzung kann in irgendeiner herkömmlichen Weise, beispielsweise mittels eine Stromspiegels erreicht werden.
  • Wie oben erläutert ist (im Falle ohne elektromagnetische Störungen) Vdiff=(VCC-2Ud)*Rload/(RH+RL+Rload).
  • Mit der oben erwähnten Bedingung, dass der Kurzschlussstrom ishort zweimal dem unter Normalbedingungen fließenden Strom ist, erhält man ishort = 2 ∗ ( VCC − 2 Ud ) / ( RH + RL + Rload ) .
    Figure DE102018110252A1_0002
  • Damit ist die Spannung Vdiff,en unter dem Einfluss einer elektromagnetischen Störung Vdiff ,en = Rload*ishort / 2 = Rload* ( VCC − 2 Ud ) ( RH + RL + Rload )
    Figure DE102018110252A1_0003
    und somit gleich dem obigen Wert von Vdiff ohne den Einfluss elektromagnetischer Störungen. Somit kann durch die oben beschriebene Begrenzung des Kurzschlussstromes der Einfluss von elektromagnetischen Störungen auf die Differenzspannungen Vdiff bei manchen Ausführungsbeispielen zumindest verringert, wenn nicht beseitigt werden. Dabei kann der Strombegrenzungswert ishort entsprechend der Änderung von RH und RL für die verschiedenen Pegel des zweiten Signals jeweils geändert werden. Es kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch ein Mittelwert für ishort für die verschiedenen Werte von RH, RL gebildet werden.
  • Oben wurden viele Ausführungsbeispiele diskutiert, bei welchen ein erstes Signal mit einem kryptographischen Datum auf einer physikalischen Ebene auf ein Signal moduliert wird. Zusätzlich zu diesem Sicherheitscode kann auch eine Codierung in einer Logikprotokollschicht erfolgen, d.h. die zu sendende Information wird auf Basis eines (geheimen) Schlüssels verschlüsselt, welcher mit einem Schlüssel, der zur Erzeugung des kryptographischen Datums dient, identisch sein kann oder von diesem verschieden sein kann. Wie im Folgenden erläutert kann hierdurch eine Redundanz mit gleichzeitiger Diversität (verschiedene Sicherheitsverfahren, Verschlüsselung auf der Logikprotokollschicht und Überlagern mit dem zweiten Signal mit dem kryptographischen Datum) bereitgestellt werden. Eine derartige Verschlüsselung mittels Schlüsseln kann in verschiedenen Ausprägungen in herkömmlicher Weise implementiert werden.
  • Die 24 zeigt eine entsprechende Kommunikationsschaltungsanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer ersten Kommunikationsschaltung 241, die als Transmitter dient, und einer zweiten Kommunikationsschaltung 242, die als Receiver dient. Das Ausführungsbeispiel der 24 beruht dabei auf dem Ausführungsbeispiel der 1, und einander entsprechende Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Insbesondere erfolgt die Modulation eines zweiten Signals mit kryptographischem Datum auf physikalischer Ebene, wie unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben, wobei hier sämtliche unter Bezugnahme auf die 1-23 beschriebenen Varianten und Implementierungsmöglichkeiten anwendbar sind.
  • Daher werden im Folgenden nur die Unterschiede zwischen der Kommunikationsschaltungsanordnung 240 und der Kommunikationsschaltungsanordnung 10 der 1 erläutert.
  • In der Kommunikationsschaltung 241 wird eine zu sendende Information einer Signalerzeugungs- und Codierungsschaltung 245 zugeführt. Die Signalerzeugungs- und Codierungsschaltung verschlüsselt die Information basierend auf einem Schlüssel auf einer Logikprotokollschicht, die gemäß einem Logikprotokoll arbeitet. Auf Basis der so verschlüsselten Information wird dann ein Sendesignal erzeugt, wie für die Erzeugung eines Signals durch die Signalerzeugungsschaltung 15 der 1 beschrieben, mit dem Unterschied, dass nunmehr die verschlüsselte Information als Grundlage dient. Auf dieses Signal wird dann in der Modulationsschaltung 16 wie beschrieben das zweite Signal mit dem kryptographischen Datum 14 aufmoduliert und das Signal wird über das Kommunikationsmedium 13 übertragen.
  • In der Kommunikationsschaltung 242 wird zum einen durch die bereits beschrieben Codeempfangsschaltung 18 der in der Modulationsschaltung 16 aufmodulierte Sicherheitscode wiedergewonnen. Zum anderen wird in einer Signalempfangs- und Decodierungsschaltung 247 zum einen die verschlüsselte Information aus dem empfangenen Signal wiedergewonnen und dann die verschlüsselte Information in einer Logikprotokollschicht entschlüsselt. Hierzu liegt der Signalempfangs- und Decodierungsschaltung der zum Verschlüsseln verwendete Schlüssel oder ein entsprechend hierzu passender Entschlüsselungsschlüssel vor.
  • Diese Verschlüsselung und Entschlüsselung kann in jeder herkömmlichen Weise erfolgen.
  • Entspricht das durch die Codeempfangsschaltung 18 gewonnene kryptographische Datum nicht dem erwarteten Sicherheitscode, können wie beschrieben Maßnahmen ergriffen werden. Diese Maßnahmen können den bereits beschriebenen Maßnahmen entsprechen. Zudem kann, wenn die Entschlüsselung in der Signalempfangs- und Decodierungsschaltung 247 korrekt verlief, auch lediglich eine Warnung ausgegeben werden, oder es kann keine Maßnahme ergriffen werden, wenn die Authentifizierung durch die erfolgreiche Entschlüsselung allein auf der Logikprotokollschicht akzeptabel ist. Es wird also auf diese Weise eine Redundanz mit zwei verschiedenen Sicherheitsmechanismen (Verschlüsselung auf der Logikprotokollschicht und Modulierung eines zweiten Signals mit kryptographischem Datum auf der physikalischen Schicht) mit gleichzeitiger Diversität (zwei verschiedene Maßnahmen) bereitgestellt.
  • In der 25 ist ein entsprechendes Verfahren gemäß mancher Ausführungsbeispiele dargestellt. Das Verfahren der 25 kann in der Kommunikationsschaltungsanordnung 240 der 24 implementiert werden und wird zur Vermeidung von Wiederholungen unter Bezugnahme auf diese beschrieben, und kann jedoch auch unabhängig von der Kommunikationsschaltungsanordnung 240 verwendet werden.
  • Wie bereits für das Verfahren der 2 ausgeführt müssen die Verfahrensschritte der 25 nicht notwendigerweise in der dargestellten Reihenfolge durchgeführt werden, und es können insbesondere verschiedene Vorgänge auch gleichzeitig durchgeführt werden.
  • Bei 250 wird eine Information verschlüsselt, beispielsweise auf Basis eines Schlüssels, wie für die Signalerzeugungs- und Codierungsschaltung 215 beschrieben. Bei 251 wir die verschlüsselte Information in ein erstes Signal umgesetzt, insbesondere basierend auf einem physikalischen Kommunikationsprotokoll, wie dem diskutierten CAN-Protokoll oder einem anderen Kommunikationsprotokoll.
  • Bei 252 wird das erste Signal durch ein zweites Signal mit einem kryptographischen Datum überlagert. Das kryptographische Datum kann ein von einem gleichen Schlüssel, der zum Verschlüsseln bei 250 verwendet wurde, abgeleitetes Datum oder auch ein anderes kryptographisches Datum sein.
  • Das so erzeugte Überlagerungssignal wird an einen Empfänger gesendet, und bei 253 wird die verschlüsselte Information aus dem Sendesginal wiedergewonnen. Bei 254 wird die verschlüsselte Information dann entschlüsselt. Bei 255 wird zudem das kryptographische Datum aus dem Überlagerungssignal wiedergewonnen. Je nachdem, ob das Entschlüsseln bei 254 und/oder das kryptographische Datum, das bei 255 gewonnen wurde, mit einem erwarteten kryptographischen Datum übereinstimmt, kann die Information als authentifiziert, d.h. von einem autorisierten Empfänger gesendet, angesehen werden, wie dies ebenfalls bereits beschrieben wurde.
  • Die beschriebenen Funktionalitäten können auf verschiedene Weise implementiert werden. Insbesondere können manche der Funktionalitäten, beispielsweise das Bereitstellen des Sicherheitscodes angepasst an die zu sendenden Daten, in einem Microcontroller bereitgestellt werden, wie für den Microcontroller 40 der 19 beschrieben, der dann entsprechende Informationen an einen CAN-Transceiver wie den CAN-Transceiver 41 der 19 gibt und von diesem empfängt. Details solcher Implementierungsmöglichkeiten werden nunmehr unter Bezugnahme auf die 26-36 erläutert.
  • Die 26 zeigt ein Blockdiagramm eines Microcontrollers 260 gemäß eines Ausführungsbeispiels.
  • Der Microcontroller 260 kann beispielsweise eine Steuereinheit (MCU, microcontrol unit) eines Fahrzeugs sein, beispielsweise eine Motorsteuerung, Getriebesteuerung oder andere Steuereinheit. In einem Fahrzeug sind häufig eine Vielzahl derartiger Steuereinheiten verbaut.
  • Neben den im Folgenden explizit dargestellten Funktionen des Microcontrollers 260 und auch nachfolgend beschriebener Microcontroller können weitere herkömmliche Funktionen in dem Microcontroller 260 implementiert sein.
  • Der Microcontroller 260 weist ein Hardwaresicherheitsmodul (MSM) 261 auf, in welchem Schlüssel (keys) gespeichert sind, die als kryptographisches Datum bei den oben beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen dienen können, bzw. aus denen ein derartiges kryptographisches Datum, z.B. der beschriebene Sicherheitscode, erzeugbar ist. Das Hardwaresicherheitsmodul 261 ist durch zusätzliche, für sich genommen bekannte Maßnahmen vor Zugriff und Störungen wie Störungen durch Partikel, elektromagnetische Strahlung und dgl. geschützt. Es ist auch gegen Angriffe und Zugriffe besser als der Rest des Microcontrollers 260 geschützt. Software des Hardwaresicherheitsmoduls 261 kann z.B. in gesonderten Speicherbereichen laufen, und Algorithmen können seitenkanalresistent sein.
  • Der Microcontroller 260 enthält zudem ein oder mehrere als SPAD (safe physical anomaly detection) bezeichnete Schaltungsteile 263A-263D, welche die beschriebenen Techniken implementieren. Insbesondere kann jede SPAD 263A-263D (im Folgenden zusammenfassend als SPAD 263 bezeichnet) einen aufzumodulierenden Sicherheitscode für einen Transceiver wie einen CAN-Transceiver bereitstellen, wie dies unter Bezugnahme auf die 4 erläutert worden ist. Die Anzahl von vier SPADs 263 in 26 dient dabei lediglich als Beispiel, und es kann jede benötigte Anzahl von SPADs gewählt werden.
  • Die SPADs 263 empfangen Steuer- und Dateninformationen über einen internen Bus 262 des Microcontrollers. Beispielsweise können so die zu sendenden Daten und Informationen hinsichtlich einer Position von Sende- und Empfangsbits wie unter Bezugnahme auf die 3 erläutert bereitgestellt werden. Zusätzlich erhalten die SPADs 263 Schlüssel von dem Hardwaresicherheitsmodul 261. Dies kann entweder auch über den Steuer- und Datenbus 262 oder auch über eine separate Verbindung wie durch gestrichelte Linien angezeigt erfolgen. Diese Schlüssel können dann als kryptographisches Datum bei den oben beschriebenen Techniken verwendet werden, oder es kann aus den Schlüsseln gemäß einem vorgegebenen Algorithmus ein kryptographisches Datum, wie der diskutierte Sicherheitscode, erzeugt werden.
  • Die SPADs können jeweils Kommunikationsschnittstellen zugeordnet sein. Dies ist schematisch in der 27 dargestellt. Hier umfasst ein Microcontroller 270 SPADs 273A-274D und das Hardwaresicherheitsmodul 261 der 27. Die SPADs 273A-273D werden im Folgenden zusammenfassend als SPADs 273 bezeichnet, wobei die Anzahl von vier SPADs 273 wiederum nur als nicht einschränkendes Beispiel zu verstehen ist. Jeder der SPADs 273 ist einer jeweiligen Kommunikationsschnittstelle 274A, 274B, 274C bzw. 274C (zusammenfassend als Kommunikationsschnittstellen 274 bezeichnet) zugeordnet. Die Kommunikationsschnittstellen 274 können beispielsweise mit CAN-Transceivern wie beschrieben oder mit Transceivern für andere Arten von Bussen gekoppelt werden, sind jedoch nicht hierauf beschränkt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 27 ist jedes SPAD 273 einer jeweiligen Kommunikationsschnittstelle 274 zugeordnet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann ein SPAD mehreren Kommunikationsschnittstellen zugeordnet sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist als Microcontroller 280 in 28 dargestellt. Die 28 zeigt einen Microcontroller 280 mit dem bereits beschriebenen Hardwaresicherheitsmodul 261 und dem internen Bus 262. Mit dem Bus sind Kommunikationsschnittstellen 262A-262C, zusammenfassend als Kommunikationsschnittstellen 282 bezeichnet, angeordnet. Die Kommunikationsschnittstellen 282 können als Submodule einer einzigen Kommunikationsschnittstelle gesehen sein, die einem einzigen SPAD 281 zugeordnet ist. Der SPAD 281 führt die beschriebenen Techniken für alle Kommunikationsschnittstellen 282A-282C aus. Die Anzahl von drei dargestellten Kommunikationsschnittstellen 282 in 28 ist dabei wiederum lediglich ein Beispiel. Somit zeigen die 27 und 28, dass SPADs auf verschiedene Weise Kommunikationsschnittstellen zugeordnet sein können. Auch Mischformen zwischen 27 und 28 sind möglich, bei denen manche SPAD mehreren Kommunikationsschnittstellen zugeordnet sind und andere SPADs nur einer einzigen Kommunikationsschnittstelle zugeordnet sind.
  • Die 29 zeigt ein Blockdiagramm eines SPADs 290, wie er beispielsweise als SPAD in den 26, 27 und 28 verwendbar ist.
  • Der SPAD 290 umfasst ein Modul 291 zum Schlüsselaustausch mit einem Hardwaresicherheitsmodul wie dem beschriebenen Hardwaresicherheitsmodul 261 der 26-28. Basierend auf einem empfangenen Schlüssel stellt ein Modul 293 einen Sicherheitscode zum Modulieren auf ein Signal auf einer physikalischen Ebene bereit, wie beschrieben. Ein Modul 294 empfängt einen aus einem empfangenen Signal gewonnenen Sicherheitscode und führt in einem Modul 292 eine Authentifizierung auf Basis eines empfangenen Schlüssels, welcher einen erwarteten Sicherheitscode angibt, wie beschrieben aus. Die Authentifizierung bei 292 kann dabei redundant erfolgen. Beispielsweise kann zudem wie beschrieben eine Codierung der gesendeten Informationen auf einer Logikprotokollschicht, oder die Überprüfung des empfangenen Sicherheitscodes kann redundant in mehreren Schaltungsteilen durchgeführt werden. Je nach Erfolg der Authentifizierung kann dann ein Signal ausgegeben werden, welches eine erfolgreiche oder eine fehlgeschlagene Authentifizierung anzeigt, und bei einer fehlgeschlagenen Authentifizierung können Maßnahmen wie beschrieben ergriffen werden.
  • Wie bereits oben erläutert können in einer Vorrichtung wie einem Fahrzeug eine Vielzahl von Microcontrollern angeordnet sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen können Informationen über erfolgreiche oder fehlgeschlagene Authentifizierungen von mehreren Microcontrollern gesammelt werden, und basierend auf dieser Sammlung können dann Maßnahmen ergriffen werden. Dies ist in 30 schematisch dargestellt.
  • 30 zeigt eine Vielzahl von Microcontrollern 300A, 300B, 300C (die Anzahl von drei Microcontrollern ist wiederum nur als Beispiel zu verstehen), welche jeweils eine SPAD wie oben beschrieben zur Authentifizierung beinhalten und welche mit einem Kommunikationsmedium, beispielsweise einem gemeinsamen Bus, verbunden sind. Jede der Microcontroller 300 führt Authentifizierungsmessungen (z.B. die beschriebenen Überprüfungen eines empfangenen kryptographischen Datums) auf dem Bus durch und meldet Informationen über die Authentifizierungen (beispielsweise über fehlgeschlagene Authentifizierungen) an eine Aggregationseinheit 301. Die Aggregationseinheit 301 wertet die empfangenen Informationen aus und verursacht weitere Maßnahmen. Beispielsweise kann, wenn nur eine MCU ein Signal nicht authentifizieren kann, bei manchen Ausführungsbeispielen noch keine Maßnahme ergriffen werden, da dies beispielsweise auch auf einem Übertragungsfehler beruhen könnte. Empfangen mehrere Microcontroller nicht authentifizierbare Nachrichten, kann dies beispielsweise als Eindringversuch gewertet werden, und wie beschrieben eine Maßnahme ergriffen werden. Dies stellt ebenso eine Redundanz bei der Detektion von unerlaubt angekoppelten Kommunikationsvorrichtungen bereit und kann somit dazu beitragen, Sicherheitserfordernisse zu erfüllen.
  • Eine SPAD kann Signale von einem Übertragungsmedium wie dem Übertragungsmedium 13 der 1 auf verschiedene Weise empfangen. Dies wird nunmehr unter Bezugnahme auf die 31-35 näher erläutert.
  • In der 31 sind ein SPAD 312 und eine zugehörige Kommunikationsschnittstelle 311 in einem Microcontroller 310 angeordnet. Weitere Elemente wie bereits oben beschrieben können in dem Microcontroller vorhanden sein, insbesondere ein Hardwaresicherheitsmodul und weitere Kommunikationsschnittstellen und/oder weitere SPADs. Die Kommunikationsschnittstelle 311 ist mit einem Transceiver 313, welcher eine physikalische Schicht einer Kommunikation implementiert, verbunden, beispielsweise mit einem CAN-Transceiver wie beschrieben. Der Transceiver 313 kommuniziert dann über ein physikalisches Medium 315, beispielsweise einen CAN-Bus.
  • Bei der Anordnung der 31 erhält die SPAD 312 direkt Signale von dem physikalischen Medium 315 über eine dazwischen geschaltete Schutzschaltung 314, beispielsweise um den Sicherheitscode wiederzugewinnen. Die Schutzschaltung 314 kann übliche Schutzelemente wie Schutzelemente vor elektrostatischen Entladungen (ESD-Schutzelemente, vom Englischen „electrostatic discharge“), Überstromschutzelemente oder Überspannungsschutzelemente umfassen. Das Ausführungsbeispiel der 31 kann einen herkömmlichen Transceiver nutzen, benötigt aber eine zusätzliche Schutzschaltung 314.
  • Eine andere Anordnung ist in der 32 gezeigt. Hier ist wiederum eine Kommunikationsschnittstelle 321 und eine SPAD 322 in einem Microcontroller 322 angeordnet. Die Kommunikationsschnittstelle 321 kommuniziert mit einem Transceiver 322, der im Falle der 32 etwas detaillierter mit einer Treiberschaltung 327, einem Sender 326, einem Empfänger 325 und einer Schutzschaltung 324 dargestellt ist. Im Gegensatz zur 31 benutzt die SPAD hier die Schutzschaltung 324 des Transceivers 323 mit, d.h. sie erhält von der Schutzschaltung 324 gefilterte Signale. Das Ausführungsbeispiel der 32 benötigt keine zusätzliche Schutzschaltung, benötigt aber einen entsprechend ausgestalteten Transceiver 323, der von der Schutzschaltung 324 das Signal direkt zur SPAD gibt.
  • Eine weitere Anordnung ist in 33 dargestellt. Ein Microcontroller 330 enthält eine Kommunikationsschnittstelle 331 und eine SPAD 332. Die Kommunikationsschnittstelle 331 ist mit einem Transceiver 334 verbunden, welcher wie der Transceiver der 32 eine Treiberschaltung 335, einen Sender 336, einen Empfänger 337 und eine Schutzschaltung 338 enthält. Von der Schutzschaltung 338 werden Signale einer Messschaltung 339 zugeführt, welche beispielsweise den Sicherheitscode wiedergewinnen kann und den wiedergewonnenen Sicherheitscode über eine Schnittstelle 3310 zu einer entsprechenden Schnittstelle 333 in dem Microcontroller 330 und von dort zur SPAD 332 sendet. Hier erfolgt die Wiedergewinnung also - wie auch beispielsweise in 4 gezeigt - in dem Transceiver.
  • Das Ausführungsbeispiel der 33 benötigt einen komplexeren Transceiver 334 mit der Messschaltung 339, ermöglicht jedoch auf der anderen Seite präzisere Messungen.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel, welches in 34 gezeigt ist, kann eine Messeinheit 349 entsprechend der Messeinheit 339 außerhalb eines Transceivers 344 und außerhalb eines Microcontrollers 340 zusammen mit einer Schnittstelle 3410 angeordnet sein, beispielsweise in einem eigenen Baustein, um direkt an dem Medium 315 Messungen durchzuführen. Der Transceiver 344 enthält eine Treiberschaltung 345, einen Sender 346, einen Empfänger 347 und eine Schutzschaltung 348. Der Microcontroller 340 enthält eine SPAD 342, eine Kommunikationsschnittstelle 341 und eine Schnittstelle 343. Hier ist dann noch eine zusätzliche Einheit mit der Messeinheit 349 und der Schnittstelle 3410 nötig, welche ggf. eine eigene Schutzschaltung benötigt. Ansonsten ist die Funktionsweise wie bei dem Ausführungsbeispiel der 33.
  • Die 31-34 zeigen also, dass verschiedene Aufteilungen und Implementierungen der diskutierten Funktionalitäten möglich sind.
  • Die Funktionalitäten einer SPAD können auch zentral in einem geschalteten Netzwerk bereitgestellt werden. Die 35 zeigt ein derartiges Netzwerk mit einem Switch 352, welcher verschiedene Kommunikationsteilnehmer, im Beispiel der 35 einen ersten Microcontroller 350 mit einem ersten Transceiver 351, einen zweiten Microcontroller 3511 mit einem zweiten Transceiver 359 und einen dritten Microcontroller 3512 mit einem dritten Transceiver 3510 wahlweise miteinander verbindet. Hierfür weist der Switch 352 Transceiver 353, 358 und 357 auf, um wie dargestellt mit den Transceivern 351, 359 und 3510 zu kommunizieren. Des Weiteren verfügt der Switch 352 über eine Prozessoreinheit 355 mit einer SPAD 356, womit die von den Microcontrollern 350, 3511, 3512 über die jeweiligen Transceiver 351, 359, 3510 gesendeten Signale authentifiziert werden müssen. In diesem Fall muss also nicht jeder Microcontroller über eine SPAD verfügen, sondern die Authentifizierung (Überprüfung des aufmodulierten kryptographischen Datums und/oder einer zusätzlichen Verschlüsselung auf Logikprotokollschicht) kann zentral im Switch überprüft werden.
  • Auch bei einem Transceiver, der mehrere Kanäle bedient, beispielsweise mehrere Kanäle auf einem oder mehreren CAN-Bussen, kann die Bereitstellung und Überprüfung eines Sicherheitscodes für alle Kanäle in einer Einheit erfolgen. Ein Beispiel ist in 36 schematisch dargestellt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel der 36 stellen Sende/Empfangsknoten 361A, 361B, 361C ein Sendesignal TX für einen jeweiligen zugeordneten CAN-Bus 362A, 362B oder 362C bereit und empfangen ein entsprechendes empfangenes Signal RX. Diesbezüglich entspricht die Funktion der CAN-Knoten 361A, 361B, 361C den Elementen 33, 34, 39 und 38 der 3.
  • Das Bereitstellen eines Sicherheitscodes wird in zeitmultiplexter Art und Weise auf Basis einer Zeitsteuerung durch einen Zeitmultiplexer bereitgestellt, welcher wie durch einen Pfeil 356 angedeutet den Sicherheitscode für einen Mehrkanaltransceiver 364 bereitstellt und steuert, welcher CAN-Bus 362A, 362B, 362C jeweils bedient wird. Die Knoten 361A, 361B, 361D liefern dabei wie ebenfalls unter Bezugnahme auf 3 beschrieben Daten und die Bitpositionen an den Zeitmultiplexer 360, sodass dieser einen geeigneten Sicherheitscode zum Modulieren auf dominante Bits des jeweiligen CAN-Busses erstellen kann. Der Transceiver 364 moduliert dann den Sicherheitscode grundsätzlich wie bereits beschrieben auf die Signale auf dem jeweiligen CAN-Bus, mit dem Unterschied, dass es in einem Zeitmultiplexverfahren alternierend für die CAN-Busse geschieht. Auf diese Weise können bei manchen Ausführungsbeispielen eine Implementierung für mehrere CAN-Busse mit vergleichsweise wenig Komponenten realisiert werden.
  • Wie somit aus den vorstehend beschriebenen Figuren ersichtlich gibt es eine Vielzahl verschiedener Möglichkeiten, die beschriebenen Techniken zu implementieren. Somit ist die Anwendung der beschriebenen Techniken nicht auf eine spezifische Art der Implementierung beschränkt.
  • Die folgenden Beispiele definieren wenigstens einige der Ausführungsbeispiele.
  • Beispiel 1. Transceiver aufweisend:
    • einen Transmitter, der dazu ausgebildet ist,
      • - an einem Ausgang ein erstes Signal gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls bereitzustellen, und
      • - an dem Ausgang ein zweites Signal bereitzustellen, das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst, wobei das erste und das zweite Signal als ein Überlagerungssignal an dem Ausgang einander überlagert sind, und wobei das Überlagerungssignal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  • Beispiel 2. Transceiver nach Beispiel 1,
    wobei das zweite Signal ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  • Beispiel 3. Transceiver nach einem der Beispiele 1 bis 2, wobei das zweite Signal dem ersten Signal nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls überlagert wird.
  • Beispiel 4. Transceiver nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei das zweite Signal überlagert wird, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgen wird.
  • Beispiel 5. Transceiver nach einem der Beispiele 1 bis 4, wobei eine Logikprotokollschicht, die dem physikalischen Kommunikationsprotokoll übergeordnet ist, ein Logiksignal bereitstellt, und das Logiksignal zur Erzeugung des ersten Signals verwendet wird.
  • Beispiel 6. Transceiver nach Beispiel 5, wobei die Logikprotokollschicht ausgebildet ist, zu sendende Daten zu verschlüsseln, um das Logiksignal bereitzustellen.
  • Beispiel 7. Transceiver nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das kryptographische Datum ein Sicherheitscode des Transceivers ist.
  • Beispiel 8. Transceiver nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei dem Transceiver ein Schlüssel zum Erzeugen des kryptographischen Datums, bereitgestellt wird.
  • Beispiel 9. Transceiver nach Beispiel 8, wobei der Schlüssel durch eine dem Transceiver übergeordnete Schlüsselinstanz bereitgestellt wird.
  • Beispiel 10. Transceiver nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Transmitter eine Treiberschaltung umfasst, die eingerichtet ist, das Überlagerungssignal bereitzustellen, und wobei der Transmitter eingerichtet ist, die Treiberschaltung zu kalibrieren.
  • Beispiel 11. Transceiver nach Beispiel 10, wobei die Treiberschaltung eine erste Reihenschaltung aus einem ersten Schalter und einem ersten Widerstand umfasst, die zwischen eine Versorgungsspannung und dem Ausgang gekoppelt ist, wobei der erste Schalter in Abhängigkeit von dem ersten Signal ansteuerbar ist, und die Treiberschaltung eine zweite Reihenschaltung aus einem zweiten Schalter und einen zweiten Widerstand aufweist, die zwischen die Versorgungsspannung und dem Ausgang gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter in Abhängigkeit von dem kryptographischen Datum ansteuerbar ist.
  • Beispiel 12. Transceiver aufweisend:
    • einen Receiver, der dazu ausgebildet ist,
      • - ein Empfangssignal, welches eine Überlagerung eines ersten Signals gemäß einem physikalischen Kommunikationsprotokoll mit einem zweiten Signal, das ein kryptographisches Datum umfasst, ist, zu empfangen,
      • - das Empfangssignal gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll zu verarbeiten, um in dem ersten Signal übertragene Informationen zu gewinnen, und
      • - aus dem Empfangssignal das kryptographische Datum zu gewinnen.
  • Beispiel 13. Transceiver nach Beispiel 12, wobei das zweite Signal ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  • Beispiel 14. Transceiver nach einem der Beispiele 12 oder 13,
    wobei der Receiver ausgebildet ist, das kryptographische Datum aus der Überlagerung des zweiten Signals über dem ersten Signal nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls zu gewinnen.
  • Beispiel 15. Transceiver nach einem der Beispiele 1 bis 3, wobei der Receiver ausgebildet ist, das kryptographische Datum aus der Überlagerung des zweiten Signal über dem ersten Signal zu gewinnen, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgen wird.
  • Beispiel 16. Transceiver nach einem der Beispiele 12 bis 15, wobei die aus dem ersten Signal gewonnenen Informationen einer Logikprotokollschicht, die dem physikalischen Kommunikationsprotokoll übergeordnet ist, als Logiksignal bereitstellt wird.
  • Beispiel 17. Transceiver nach Beispiel 16, wobei die Logikprotokollschicht ausgebildet ist, aus dem Logiksignal durch Entschlüsselung gesendete Daten zu gewinnen.
  • Beispiel 18. Transceiver nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das kryptographische Datum ein Sicherheitscode eines weiteren Transceivers ist, von dem das Empfangssignal empfangen wird, und wobei der Transceiver eingerichtet ist, das kryptographische Datum mit einem erwarteten kryptographischen Datum zu vergleichen, um den weiteren Transceiver zu authentifizieren.
  • Beispiel 19. Transceiver nach Beispiel 18, wobei dem Transceiver ein Schlüssel zum Erzeugen des erwarteten kryptographischen Datums bereitgestellt wird.
  • Beispiel 20. Transceiver nach Beispiel 19, wobei der Schlüssel durch eine dem Transceiver übergeordnete Schlüsselinstanz bereitgestellt wird.
  • Beispiel 21. Transceiver nach einem der Beispiele 12-20, wobei der Receiver eine Empfangsschaltung umfasst, die eingerichtet ist, das kryptographische Datum zu gewinnen, und wobei der Receiver eingerichtet ist, die Empfangsschaltung zu kalibrieren.
  • Beispiel 22. Transceiver nach Beispiel 21, wobei das Kalibrieren ein Bestimmen einer Referenzspannung zum Gewinnen des kryptographischen Datums umfasst.
  • Beispiel 23. Transceiver nach Beispiel 22, wobei die Kommunikationsschaltung eine Kalibrierungsschaltung umfasst, die eingerichtet ist, die Referenzspannung in Abhängigkeit von einer Versorgungsspannung und/oder einer Temperatur zu bestimmen.
  • Beispiel 24. Transceiver nach Beispiel 23, wobei die Kalibrierungsschaltung eine skalierte Nachbildung zumindest eines Teils eines Sendepfades zum Senden des Empfangssignals umfasst, wobei die Kalibrierungsschaltung eingerichtet ist, die Referenzspannung auf Basis eines Spannungsabfalls über einem Teil der Nachbildung zu bestimmen.
  • Beispiel 25. Transceiver nach Beispiel 24, wobei der Teil der Nachbildung einen Widerstand umfasst, der einen mit mindestens einer Übertragungsleitung, über die das Empfangssignal empfangbar ist, gekoppelten Widerstand nachbildet.
  • Beispiel 26. Transceiver nach Beispiel 24 oder 25, wobei der Teil der Nachbildung einstellbar ist, wobei die Kalibrierungsschaltung eingerichtet ist, den Teil der Nachbildung zur Anpassung an einen entsprechenden Teil des Sendepfades einzustellen.
  • Beispiel 27. Transceiver nach Beispiel 26, wobei die Kalibrierungsschaltung eingerichtet ist, den Teil der Nachbildung auf Basis von Variationen der mindestens zwei Signalpegel während einer Kalibrierungsphase einzustellen.
  • Beispiel 28. Transceiver nach Beispiel 26 oder 28, wobei die Kalibrierungsschaltung eingerichtet ist, die Einstellung des Teils der Nachbildung zu validieren.
  • Beispiel 29. Transceiver nach einem der Beispiele 12-28, wobei der Receiver eingerichtet ist, nur das Empfangssignal gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll zu verarbeiten, um in dem ersten Signal übertragene Informationen zu gewinnen, wenn das Empfangssignal kein zweites Signal enthält und/oder das kryptographische Datum nicht aus dem Empfangssignal gewinnbar ist.
  • Beispiel 30. System, umfassend:
    • einen ersten Transceiver nach einem der Beispiele 1-11, und
    • einen mit dem ersten Transceiver über ein Kommunikationsmedium gekoppelten zweiten Transceiver nach einem der Beispiele 12-29.
  • Beispiel 31. System nach Beispiel 30, wobei der erste Transceiver und/oder der zweite Transceiver ein Teil einer Steuereinheit eines Fahrzeugs ist.
  • Beispiel 32. Signal, umfassend eine Überlagerung aus:
    • - einem erstes Signal gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls, und
    • -einem zweites Signal, das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst,
    wobei das Signal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  • Beispiel 33. Signal nach Beispiel 32,
    wobei das zweite Signal ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  • Beispiel 34. Signal nach einem der Beispiele 32 oder 33, wobei das zweite Signal dem ersten Signal nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls überlagert ist.
  • Beispiel 35. Signal nach einem der Beispiele 32 und 33, wobei das zweite Signal dem ersten Signal überlagert ist, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgen wird.
  • Beispiel 36. Signal nach einem der Beispiel 32 bis 35, wobei das erste Signal logisch verschlüsselte Daten umfasst.
  • Obgleich in dieser Beschreibung spezifische Ausführungsbeispiele illustriert und beschrieben wurden, werden Personen mit üblichem Fachwissen erkennen, dass eine Vielzahl von alternativen und/oder äquivalenten Implementierung als Substitution für die spezifischen Ausführungsbeispiele, die in dieser Beschreibung gezeigt und beschrieben sind, ohne von dem Umfang der gezeigten Erfindung abzuweichen, gewählt werden können. Es ist die Intention, dass diese Anmeldung alle Adaptionen oder Variationen der spezifischen Ausführungsbeispiele, die hier diskutiert werden, abdeckt. Daher ist es beabsichtigt, dass diese Erfindung nur durch die Ansprüche und die Äquivalente der Ansprüche beschränkt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
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Claims (30)

  1. Transceiver (41) aufweisend: einen Transmitter (42), der dazu ausgebildet ist, - an einem Ausgang ein erstes Signal (s1) gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls bereitzustellen, und - an dem Ausgang ein zweites Signal (s2) bereitzustellen, das mindestens ein kryptographisches Datum (14) umfasst, wobei das erste (s1) und das zweite (s2) Signal als ein Überlagerungssignal (s) an dem Ausgang einander überlagert sind, und wobei das Überlagerungssignal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  2. Transceiver (41) nach Anspruch 1, wobei das zweite Signal (s2) ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  3. Transceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das zweite Signal (s2) dem ersten Signal (s1) nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls überlagert wird.
  4. Transceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das zweite Signal (s2) überlagert wird, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals (s1) erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals (s1) erfolgen wird.
  5. Transceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Logikprotokollschicht, die dem physikalischen Kommunikationsprotokoll übergeordnet ist, ein Logiksignal bereitstellt, und das Logiksignal zur Erzeugung des ersten Signals (s1) verwendet wird.
  6. Transceiver nach Anspruch 5, wobei die Logikprotokollschicht ausgebildet ist, zu sendende Daten zu verschlüsseln, um das Logiksignal bereitzustellen.
  7. Transceiver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kryptographische Datum (14) ein Sicherheitscode des Transceivers ist.
  8. Transceiver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Transceiver ein Schlüssel zum Erzeugen des kryptographischen Datums (14), bereitgestellt wird.
  9. Transceiver nach Anspruch 8, wobei der Schlüssel durch eine dem Transceiver (41) übergeordnete Schlüsselinstanz (261) bereitgestellt wird.
  10. Transceiver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Transmitter (42) eine Treiberschaltung (50) umfasst, die eingerichtet ist, das Überlagerungssignal bereitzustellen, und wobei der Transmitter (42) eingerichtet ist, die Treiberschaltung zu kalibrieren.
  11. Transceiver nach Anspruch 10, wobei die Treiberschaltung (50) eine erste Reihenschaltung aus einem ersten Schalter (56, 54) und einem ersten Widerstand (55, 53) umfasst, die zwischen eine Versorgungsspannung und dem Ausgang gekoppelt ist, wobei der erste Schalter (56, 54) in Abhängigkeit von dem ersten Signal (s1) ansteuerbar ist, und die Treiberschaltung eine zweite Reihenschaltung aus einem zweiten Schalter (52) und einen zweiten Widerstand (51) aufweist, die zwischen die Versorgungsspannung und dem Ausgang gekoppelt ist, wobei der zweite Schalter (52) in Abhängigkeit von dem kryptographischen Datum ansteuerbar ist.
  12. Transceiver (41) aufweisend: einen Receiver (43), der dazu ausgebildet ist, - ein Empfangssignal (s), welches eine Überlagerung eines ersten Signals gemäß einem physikalischen Kommunikationsprotokoll mit einem zweiten Signal, das ein kryptographisches Datum (14) umfasst, ist, zu empfangen, - das Empfangssignal gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll zu verarbeiten, um in dem ersten Signal übertragene Informationen zu gewinnen, und - aus dem Empfangssignal das kryptographische Datum zu gewinnen.
  13. Transceiver nach Anspruch 12, wobei das zweite Signal ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  14. Transceiver nach einem der Ansprüche 12 oder 13, wobei der Receiver (43) ausgebildet ist, das kryptographische Datum aus der Überlagerung des zweiten Signals über dem ersten Signal nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls zu gewinnen.
  15. Transceiver nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Receiver (43) ausgebildet ist, das kryptographische Datum aus der Überlagerung des zweiten Signal über dem ersten Signal zu gewinnen, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals erfolgen wird.
  16. Transceiver (41) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die aus dem ersten Signal gewonnenen Informationen einer Logikprotokollschicht, die dem physikalischen Kommunikationsprotokoll übergeordnet ist, als Logiksignal bereitstellt wird.
  17. Transceiver (41) nach Anspruch 16, wobei die Logikprotokollschicht ausgebildet ist, aus dem Logiksignal durch Entschlüsselung gesendete Daten zu gewinnen.
  18. Transceiver (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kryptographische Datum ein Sicherheitscode eines weiteren Transceivers ist, von dem das Empfangssignal empfangen wird, und wobei der Transceiver (41) eingerichtet ist, das kryptographische Datum mit einem erwarteten kryptographischen Datum zu vergleichen, um den weiteren Transceiver zu authentifizieren.
  19. Transceiver (41) nach Anspruch 18, wobei dem Transceiver (41) ein Schlüssel zum Erzeugen des erwarteten kryptographischen Datums bereitgestellt wird.
  20. Transceiver (41) nach Anspruch 19, wobei der Schlüssel durch eine dem Transceiver (41) übergeordnete Schlüsselinstanz (261) bereitgestellt wird.
  21. Transceiver (41) nach einem der Ansprüche 12-20, wobei der Receiver (43) eine Empfangsschaltung (44) umfasst, die eingerichtet ist, das kryptographische Datum zu gewinnen, und wobei der Receiver (43) eingerichtet ist, die Empfangsschaltung zu kalibrieren.
  22. Transceiver nach Anspruch 21, wobei das Kalibrieren ein Bestimmen einer Referenzspannung zum Gewinnen des kryptographischen Datums umfasst.
  23. Transceiver (41) nach einem der Ansprüche 12-21, wobei der Receiver (43) eingerichtet ist, nur das Empfangssignal gemäß dem physikalischen Kommunikationsprotokoll zu verarbeiten, um in dem ersten Signal übertragene Informationen zu gewinnen, wenn das Empfangssignal kein zweites Signal enthält und/oder das kryptographische Datum nicht aus dem Empfangssignal gewinnbar ist.
  24. System (10), umfassend: einen ersten Transceiver nach einem der Ansprüche 1-11, und einen mit dem ersten Transceiver über ein Kommunikationsmedium (13) gekoppelten zweiten Transceiver nach einem der Ansprüche 12-23.
  25. System nach Anspruch 24, wobei der erste Transceiver und/oder der zweite Transceiver ein Teil einer Steuereinheit eines Fahrzeugs ist.
  26. Signal, umfassend eine Überlagerung aus: - einem erstes Signal (s1) gemäß eines physikalischen Kommunikationsprotokolls, und -einem zweites Signal (s2), das mindestens ein kryptographisches Datum umfasst, wobei das Signal das physikalische Kommunikationsprotokoll erfüllt.
  27. Signal nach Anspruch 26, wobei das zweite Signal (s2) ein pulsförmiges Signal oder ein wechselstromförmiges Signal ist.
  28. Signal nach einem der Ansprüche 26 oder 27, wobei das zweite Signal (s2) dem ersten Signal (s1) nur auf einem von mindestens zwei Pegeln des ersten Signals (s1) gemäß des physikalischen Kommunikationsprotokolls überlagert ist.
  29. Signal nach einem der Ansprüche 26 bis 28, wobei das zweite Signal (s2) dem ersten Signal(s1) überlagert ist, wenn für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals (s1) erfolgte oder für eine bestimmte Zeit kein Pegelwechsel des ersten Signals (s1) erfolgen wird.
  30. Signal nach einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das erste Signal (s1) logisch verschlüsselte Daten umfasst.
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