DE102019219904A1

DE102019219904A1 - Datennetzwerk mit zumindest drei Leitungszweigen, die über einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sind, sowie Kraftfahrzeug und Betriebsverfahren für das Datennetzwerk

Info

Publication number: DE102019219904A1
Application number: DE102019219904.6A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulter
Original assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Current assignee: Conti Temic Microelectronic GmbH
Priority date: 2019-12-17
Filing date: 2019-12-17
Publication date: 2021-06-17
Anticipated expiration: 2039-12-18
Also published as: DE102019219904B4; US11947482B2; WO2021121915A1; CN114762297A; US20230048283A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Datennetzwerk (18) mit zumindest drei Leitungszweigen (11), die über einen gemeinsamen Sternpunkt (14) verbunden sind, um Nachrichtensignale (16) aus einem der Leitungszweige (11) auf die übrigen Leitungszweige (11) zu verteilen, wobei an zumindest einen der Leitungszweige (11) zumindest ein Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, welches dazu eingerichtet ist, in einem jeweiligen Sendebetrieb (B2, B3) mittels einer jeweiligen Sendeeinheit (21) zumindest eines der Nachrichtensignale (16) zu erzeugen, wobei in dem jeweiligen Teilnehmergerät (10, 10') dessen Sendeeinheit (21) eine Stromquellenschaltung (23) aufweist, die dazu eingerichtet ist, zum Erzeugen des Nachrichtensignals (16) einen elektrischen Strom (I0) in elektrische Leitungen (19) desjenigen Leitungszweigs (11), an welchen das Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, einzuprägen und über die Stromquellenschaltung (23) die Leitungen (19) mit einem Innenwiderstandswert (Z) der Stromquellenschaltung (23) verbunden sind, der im Sendebetrieb (B2, B3) durchgehend größer als 10 Mal der Wert des Wellenwiderstands, insbesondere größer als 500 Ohm, ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Datennetzwerk mit zumindest drei Leitungszweigen, die über einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sind. Wenn in einem Leitungszweig ein Teilnehmergerät ein Nachrichtensignal aussendet, kann dieses in die übrigen zwei oder mehr Leitungszweige verteilt werden. Der Sternpunkt ist passiv, das heißt an dem Sternpunkt entsteht beim Verteilen des Nachrichtensignals eine Reflexion, die zu dem sendenden Teilnehmergerät zurückreflektiert wird. Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datennetzwerks. Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben eines Datennetzwerks, um Nachrichtensignale in mehrere Leitungszweige zu verteilen.
In einem Kraftfahrzeug kann als Datennetzwerk beispielsweise ein Datenbus, wie beispielsweise ein CAN (Controller Area Network) oder ein Flexray-Datenbus oder auch ein Ethernet bereitgestellt sein. Hierbei nutzt man überwiegend eine Linienstruktur für die elektrische Zweidrahtleitung, über welche die Nachrichtensignale in dem Datennetzwerk zwischen den Teilnehmergeräten ausgetauscht werden. An jedem Ende der Linienstruktur ist ein Abschlusswiderstand angeschlossen, um eine Reflexion der sich ausbreitenden Wellen zu unterdrücken oder zu dämpfen. Eine Reflexion kann auch an einem Sternpunkt erfolgen, an welchem ein Leitungszweig in zwei andere Leitungszweige übergeht. Dies kann heutzutage nur erlaubt werden, wenn einer der Leitungszweige eine verhältnismäßig kurze Stichleitung darstellt, die hochohmig an die Haupt-Linienstruktur angeschlossen ist. Möchte man mehr als zwei Leitungszweige, also zumindest drei Leitungszweige, in einem Sternpunkt miteinander verschalten, so kann dies nur mit einem aktiven Sternpunkt in Form eines sogenannten Hubs oder Switches erfolgen, welcher die in dem Sternpunkt endenden Leitungszweige einzeln mittels eines Abschlusswiderstands abschließen oder vor einer Reflexion eines eintreffenden Nachrichtensignals schützen kann. Dies bedeutet aber einen verhältnismäßig hohen Schaltungsaufwand zum Verschalten von zumindest drei Leitungszweigen in einem Sternpunkt.
Die Patentschrift EP 0610276 B1 beschreibt ein Datenkommunikationssystem basierend auf dem CAN Bus, bei dem erfindungsgemäß ein passiver Sternpunkt realisiert wird. Ohne weitere Maßnahmen würde ein solcher Sternpunkt mit relativ langen Leitungssegmenten zu unerwünschten Reflexionen und damit zu Signalverfälschungen auf den Leitungen und den Empfängern und damit zu Informationsverlust führen. Dieser Nachteil wird durch in EP 0610276 B1 beschriebene Verfahren vermieden, indem mittels aufgeschobener Ferritkerne die Impedanzen der Leitungssegmente transformiert und in einem eingeschränkten Frequenzbereich hinreichend gut eine reflexionsarme Sternstruktur ergeben.
Für höhere Symbolraten ist diese Methode jedoch nicht umsetzbar. Sind höhere Baudraten gewünscht, setzt man üblicherweise aktive Sternknoten ein, so dass zu den einzelnen ECU beidseitig abgeschlossene Leitungen mit aktivem Weiterschalten von Nachrichten eingesetzt werden können, etwa nach dem Vorbild von Ethernet-Switches
Die Verwendung eines passiven Sternpunkts, also beispielsweise die einfache elektrische Verbindung der elektrischen Leitungen von zumindest drei Leitungszweigen in einem Sternpunkt, verursacht die beschriebenen Reflexionen im Sternpunkt, was keinen störsicheren Betrieb bei hohen Bitraten (größer als ein Megabit pro Sekunde) ermöglicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Datennetzwerk mit zumindest drei Leitungszweigen bereitzustellen, das mit geringem technischem Aufwand einen störsicheren Betrieb ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.
Durch die Erfindung ist ein Datennetzwerk mit zumindest drei Leitungszweigen bereitgestellt, die über einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sind. Bei dem Sternpunkt handelt es sich insbesondere um einen elektrisch passiven Sternpunkt, das heißt elektrische Leitungen der Leitungszweige sind in dem gemeinsamen Sternpunkt galvanisch miteinander verbunden. Die Leitungszweige können gleich lang sein oder ähnliche Längen aufweisen, das heißt jeder der Leitungszweige kann eine Länge größer als 50 Zentimeter aufweisen. Die Leitungszweige sind über den gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden, um Nachrichtensignale aus einem der Leitungszweige auf die übrigen Leitungszweige zu verteilen. An jeden Leitungszweig kann in dem Datennetzwerk jeweils zumindest ein Teilnehmergerät angeschlossen sein, welches dazu eingerichtet ist, in einem jeweiligen Sendebetrieb mittels einer jeweiligen Sendeeinheit zumindest eines der besagten Nachrichtensignale zu erzeugen. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass ein sendendes Teilnehmergerät nur in einem oder einigen der Leitungszweige bereitgestellt ist.
Sendet ein solches Teilnehmergerät ein Nachrichtensignal in den Leitungszweig, an welchen dieses angeschlossen ist, aus, so breitet sich das Nachrichtensignal in Richtung zum Sternpunkt aus und wird dort auf die übrigen Leitungszweige weiterverteilt oder in diese weitergeleitet. Es kommt allerdings auch zu einer Reflexion des Nachrichtensignals am Sternpunkt, durch welche ein Teil der Energie des Nachrichtensignals zurück in denjenigen Leitungszweig reflektiert wird, in welchem das sendende Teilnehmergerät ist. Am Ende eines solchen Leitungszweigs kann in an sich bekannter Weise ein Abschlusswiderstand angeschlossen sein, sodass diese Reflexion dort gedämpft oder unterdrückt wird. Allerdings muss verhindert werden, dass eine weitere Reflexion (des bereits am Sternpunkt reflektierten Nachrichtensignals) am sendenden Teilnehmergerät erzeugt wird. Hierzu weist in dem jeweiligen Teilnehmergerät dessen Sendeeinheit eine Stromquellenschaltung auf, die dazu eingerichtet ist, zum Erzeugen des Nachrichtensignals einen elektrischen Strom in die elektrischen Leitungen des Schaltungszweigs, an welchen das Teilnehmergerät angeschlossen ist, einzuprägen oder zu erzeugen. Eine Stromquellenschaltung kann ausgestaltet sein, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist, etwa von LVDS, (siehe z.B. die Internetseite https://de.wikipedia.org/wiki/Low_Voltage_Differential_Signaling). Hierbei muss der Fachmann zum Realisieren des erfindungsgemäßen Datennetzwerks lediglich darauf achten, dass über die Stromquellenschaltung die Leitungen mit einem Innenwiderstand der Stromquellenschaltung verbunden sind, der im Sendebetrieb durchgehend größer als 10 Mal der Wert des Wellenwiderstands der Leitung, insbesondere durchgehend größer als 500 Ohm, ist. Mit anderen Worten ist die Sendeeinheit mit ihrer Stromquellenschaltung auch im Sendebetrieb durchgehend „hochohmig“ zwischen die Leitungen des Leitungszweigs geschaltet. Trifft nun das am Sternpunkt reflektierte Nachrichtensignal wieder an der Sendeeinheit des sendenden Teilnehmergeräts ein, so wird hier aufgrund der beschriebenen hochohmigen Anbindung der Sendeeinheit an den Leitungszweig keine oder nur eine unwesentliche weitere Reflexion durch die Stromquellenschaltung erzeugt, da sich die hochohmige Stromquellenschaltung in Parallelschaltung zum Abschlusswiderstand elektrisch ähnlich zu einem Leitungsabschnitt des Leitungszweigs verhält, in welchem überhaupt kein Teilnehmergerät angeschlossen ist.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass in dem Datennetzwerk trotz eines gemeinsamen Sternpunkts, über welchen zumindest drei Leitungszweige miteinander verschaltet sind, nur eine einzelne einfache Reflexion eines Nachrichtensignals zurück in den Leitungszweig erfolgt, an welchen das sendende Teilnehmergerät angeschlossen ist. An dem Teilnehmergerät erfolgt keine weitere Reflexion, die wieder zurück zum Sternpunkt gerichtet sein könnte. Da das sendende Teilnehmergerät selbst das gesendete Nachrichtensignal kennt, ist in diesem Teilnehmergerät die durch die Reflexion verursachte Störung des Spannungsverlaufs im Leitungszweig irrelevant. Damit können mehr als zwei Leitungszweige in dem Datennetzwerk über einen gemeinsamen Sternpunkt verschaltet sein, ohne dass die empfangenden Teilnehmergeräte durch eine Reflexion des gesendeten Nachrichtensignals irritiert oder im Empfang gestört werden.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.
In dem Datennetzwerk kann ein Teilnehmergerät entweder an einem Leitungsende eines der Leitungszweige oder entlang eines Leitungszweigs zwischen einem Leitungsende und dem Sternpunkt angeschlossen sein. Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung berücksichtigen die sich hier ergebenden unterschiedlichen benötigten Reflexionseigenschaften der Teilnehmergeräte.
In einer Ausführungsform ist in zumindest einem Teilnehmergerät, das an ein Leitungsende eines der Leitungszweige angeschlossen ist, dessen Sendeeinheit derart ausgestaltet, dass sie eine zu der Stromquellenschaltung parallel geschaltete Abschlussschaltung aufweist. Die Abschlussschaltung verbindet die elektrischen Leitungen des Leitungszweiges, an dem das Teilnehmergerät angeschlossen ist, und weist dabei einen elektrischen Widerstandswert auf, der einem Leitungswiderstand des Leitungszweigs entspricht. Während also die Stromquellenschaltung selbst hochohmig im oben genannten Sinne ist, wird ein an dem Teilnehmergerät am Leitungsende eintreffendes Nachrichtensignal durch die Abschlussschaltung gedämpft oder „geschluckt“, da diese Abschlussschaltung einen Widerstandswert aufweist, welcher dem Leitungswiderstand des Leitungszweigs entspricht. Durch die Verwendung der Stromquellenschaltung ist es möglich, die Abschlussschaltung unabhängig von den übrigen elektrischen Eigenschaften der Stromquellenschaltung an den Leitungswiderstand des Leitungszweigs anzupassen.
In einer Ausführungsform weist in einem Teilnehmergerät, das nicht am Leitungsende eines Leitungszweigs selbst, sondern zwischen einem Leitungsende eines der Leitungszweige und dem Sternpunkt angeschlossen ist, dieses Teilnehmergerät eine Leerlaufschaltung auf, die für den Fall, dass die Stromquellenschaltung inaktiv ist, die Leitungen des Leitungszweigs elektrisch trennt. Wird also die Stromquellenschaltung abgeschaltet, so sind auch die elektrischen Leitungen des Leitungszweigs elektrisch voneinander getrennt. Im Sendebetrieb der Stromquellenschaltung ergibt sich somit zwischen den Leitungen des Leitungszweigs lediglich der elektrische Widerstand der Stromquellenschaltung selbst, der in der beschriebenen Weise hoch genug ist, um eine Signalreflexion zu vermeiden oder nur mit einem unwesentlichen Reflexionsgrad zu verursachen (Reflexionsgrad kleiner als 20 Prozent, insbesondere kleiner als 10 Prozent, was erreicht werden kann, indem der elektrische Innenwiderstand der Stromquellenschaltung entsprechend hoch gewählt wird, was mit Schaltungen aus dem Stand der Technik ermöglicht werden kann).
Bisher wurde beschrieben, wie ein Teilnehmergerät mittels einer Stromquellenschaltung verhindern kann, dass beim Senden eines Nachrichtensignals dessen Reflexion, wie sie am Sternpunkt erfolgt und wieder zurück zum sendenden Teilnehmergerät gelangt, nicht noch einmal reflektiert und in Richtung zum Sternpunkt gelangen kann.
Im Folgenden sind Ausführungsformen beschrieben, die das Empfangen von Nachrichtensignalen betreffen.
In einer Ausführungsform weist das zumindest eine Teilnehmergerät jeweils eine Empfangsschaltung auf, die dazu eingerichtet ist, aus dem jeweiligen Leitungszweig, an welchen das Teilnehmergerät angeschlossen ist, als ein Empfangssignal zumindest ein Nachrichtensignal eines anderen Teilnehmergeräts zu empfangen. Mittels der Empfangsschaltung kann also das Teilnehmergerät an dem Leitungszweig lauschen und ein über den Leitungszweig eintreffendes Empfangssignal empfangen und beispielsweise verstärken und/oder an einen Mikrocontroller weiterleiten. Die Empfängerschaltung weist dabei ein Kompensationsfilter auf, welches dazu eingerichtet ist, im Sendebetrieb der eigenen Sendeeinheit, also der Sendeeinheit des eigenen Teilnehmergeräts, in welchem sich auch die Empfangsschaltung befindet, das von der Sendeeinheit ausgesendete eigene Nachrichtensignal zeitversetzt dem Empfangssignal negativ zu überlagern, also dieses Nachrichtensignal vom Empfangssignal zu subtrahieren. Es wird dabei dieses Nachrichtensignal nicht mit dem ursprünglichen Signalpegel, sondern gewichtet überlagert. Die Gewichtung entspricht dabei dem Reflexionsgrad des Sternpunkts und optional einem Dämpfungswert des Leitungsabschnitts zwischen dem Teilnehmergerät und dem Sternpunkt. Der Zeitversatz der negativen Überlagerung entspricht dabei der Signallaufzeit in dem Leitungszweig von dem Teilnehmergerät zu dem Sternpunkt und zurück zu dem Teilnehmergerät. Kommt es also zu einer Reflexion des ausgesendeten eigenen Nachrichtensignals am Sternpunkt, so wird der am Sternpunkt reflektierte Anteil des Nachrichtensignals an der Empfangsschaltung zum selben Zeitpunkt eintreffen, zu welchem auch das Kompensationsfilter mit der negativen und gewichteten Überlagerung des eigenen Nachrichtensignals beginnt. Da diese Überlagerung negativ erfolgt, wird der eintreffende, reflektierte Anteil des ausgesendeten Nachrichtensignals durch das Kompensationsfilter kompensiert oder ausgelöscht. Dagegen wird ein unbekanntes, fremdes Nachrichtensignal eines anderen Teilnehmergeräts von dem Kompensationsfilter nicht beeinträchtigt. Somit ist ein Vollduplex-Betrieb in dem Datennetzwerk ermöglicht.
In einer Ausführungsform ist das besagte Kompensationsfilter auf der Grundlage zumindest einer analogen Verzögerungsleitung und zumindest einer Verstärkerschaltung realisiert. Hierdurch kann auch die Signallaufzeit eines kurzen Leitungsabschnitts eines Leitungszweigs, beispielsweise kürzer als drei Meter, insbesondere kürzer als zwei Meter, als Zeitversatz oder Zeitverzögerung bereitgestellt werden. Ein digitales Kompensationsfilter wäre technisch aufwendiger für einen derart kurzen Zeitversatz. Die Verzögerungsleitung kann auf der Grundlage einer elektromagnetischen Verzögerung realisiert werden, wie sie mit einem gewickelten Draht und der Verwendung eines Dielektrikums und/oder eines ferromagnetischen Materials realisiert werden kann, oder als elektronische Verzögerung mittels eines Eimerkettenspeichers und/oder auf der Grundlage einer Kaskade von Induktivitäten und Kapazitäten realisiert sein.
Eine Ausführungsform ermöglicht eine abhörsichere Kommunikation zwischen zwei der Teilnehmergeräte. Hierzu wird davon ausgegangen, dass eines der Teilnehmergeräte sein Nachrichtensignal an ein empfangendes Teilnehmergerät sendet. Währenddessen sendet das empfangende Teilnehmergerät im Vollduplex-Betrieb ein Störsignal, beispielsweise ein Pseudo-Rauschen oder ein Rauschsignal oder eine Nachrichtensequenz. Das zumindest eine Teilnehmergerät ist also jeweils dazu eingerichtet, während eines Empfangsbetriebs der eigenen Empfangsschaltung mittels seiner Sendeeinheit ein Störsignal zu senden. Da das Teilnehmergerät mittels des Kompensationsfilters sein eigenes Störsignal wieder herausfiltert, kann die Empfangsschaltung das eintreffende Nachrichtensignal des sendenden Teilnehmergeräts rekonstruieren.
Eine Ausführungsform betrifft die Frage, wie mittels der Stromquellenschaltung eine Übertragung von mehr als zehn Megabit pro Sekunde, insbesondere mehr als 100 Megabit pro Sekunde, erreicht werden kann. Hierzu sieht eine Ausführungsform vor, dass in dem jeweiligen Teilnehmergerät dessen Sendeeinheit einen Vierquadrantensteller mit einer H-Brückenschaltung aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Stromquellenschaltung mit abwechselnder Polarität zwischen die Leitungen des Leitungszweigs zu schalten. In der H-Brückenschaltung ist also die Stromquellenschaltung in dem Quer-Zweig der H-Brückenschaltung geschaltet. Die Schalter der H-Brückenschaltung können beispielsweise auf der Grundlage von Transistoren, beispielsweise MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistoren) realisiert sein. Durch einen Vierquadrantenbetrieb kann die Stromquellenschaltung den Strom mit abwechselnder Flussrichtung in die Leitungen des Leitungszweigs einprägen. Da hierzu die Stromquellenschaltung nicht umgeschaltet werden muss, sondern der Vierquadrantensteller für die Richtungsumkehr des Stromflusses sorgt und hierzu beispielsweise Transistoren zum Umschalten verwendet werden können, kann die beschriebene Senderate erreicht werden.
In einer Ausführungsform ist in dem zumindest einen Teilnehmergerät die jeweilige Sendeeinheit dazu eingerichtet, ihr jeweiliges Nachrichtensignal als differenziellen Spannungspegel in die Leitungen des Leitungszweigs einzuprägen. Mit anderen Worten kann also beispielsweise nach dem Prinzip des LVDS (Low Voltage Differential Signalling) gesendet werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass mit einer einzigen Stromquellenschaltung in einer Sendeeinheit die korrekten Spannungspegel für zwei elektrische Leitungen des Leitungszweigs eingestellt oder erzeugt werden können.
Das erfindungsgemäße Datennetzwerk eignet sich insbesondere für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug, wo bisher nur Linien-Busstrukturen oder mehrere Leitungszweige mit einem aktiven Sternpunkt (beispielsweise einem Switch oder Hub) bereitgestellt werden können. Entsprechend sieht die Erfindung auch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datennetzwerks in einem Kraftfahrzeug vor. Als jeweiliges Teilnehmergerät kann in einem Kraftfahrzeug jeweils ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Als Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen oder Motorrad vorgesehen sein.
Durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Datennetzwerks ergibt sich ein Verfahren, das ebenfalls Bestandteil der Erfindung ist. Das Verfahren sieht vor, dass in einem Datennetzwerk mit zumindest drei Leitungszweigen, die über einen passiven Sternpunkt miteinander verbunden sind, ein Teilnehmergerät ein Nachrichtensignal in einen der Leitungszweige aussendet, an welchen das Teilnehmergerät angeschlossen ist. Das Nachrichtensignal breitet sich in dem Leitungszweig aus, wo es durch einen Abschlusswiderstand gedämpft oder vernichtet werden kann, und zum anderen breitet sich das Nachrichtensignal zum Sternpunkt hin aus, wo es auf die übrigen Leitungszweige aufgeteilt wird. Allerdings wird an dem Sternpunkt ein Teil des Nachrichtensignals reflektiert und in dem Leitungszweig, aus welchem es gekommen ist, zurück zu dem sendenden Teilnehmergerät reflektiert. Damit es an den sendenden Teilnehmergeräten nicht zu einer erneuten Reflexion kommt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Teilnehmergerät eine Sendeeinheit mit einer Stromquellenschaltung aufweist, die zum Erzeugen des Nachrichtensignals einen elektrischen Strom in die elektrischen Leitungen des Leitungszweigs einprägt, wobei die Stromquellenschaltung die Leitungen mit einem Innenwiderstandswert verbindet, der im Sendebetrieb durchgehend größer als 500 Ohm, insbesondere größer als ein Kiloohm, ist. Mit anderen Worten ist also das Teilnehmergerät an die elektrischen Leitungen des Leitungszweigs allzeitig und allseitig hochohmig angeschlossen. Es findet insbesondere kein Erzeugen des Sendesignals durch Kurzschließen der Leitungen oder durch Verbinden der Leitungen mit einem Massepotential statt. Somit kann an dem Teilnehmergerät nur eine Reflexion erzeugt werden, deren Reflexionsfaktor umso kleiner ist, je größer der Innenwiderstandswert der Stromquellenschaltung ist. Die Reflexion kann in der beschriebenen Weise durch eine zusätzliche Abschlussschaltung angepasst werden, sodass die Sendeeinheit insgesamt einen einstellbaren Anschlusswiderstand zwischen den Leitungen des Leitungszweigs aufweist. Dieser Anschlusswiderstand kann dem Wellenwiderstand des Leitungszweigs entsprechen, wenn das Teilnehmergerät am Leitungsende des Leitungszweigs angeschlossen ist, oder einen möglichst großen Innenwiderstandswert aufweisen, wobei „möglichst“ begrenzt ist durch den Innenwiderstand der Stromquellenschaltung selbst.
Die Erfindung umfasst auch Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Datennetzwerks beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Datennetzwerks für ein Kraftfahrzeug beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 einen Vergleich von Netzwerk-Topologien aus dem Stand der Technik mit einer möglichen Topologie eines erfindungsgemäßen Datennetzwerks;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datennetzwerks;
3 eine schematische Darstellung eines Kompensationsfilters, wie es in einem Teilnehmergerät des Datennetzwerks von 2 vorgesehen sein kann;
4 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen von Signalen, wie sie in dem Datennetzwerk von 2 entstehen können;
5 ein Diagramm mit zeitlichen Verläufen von Signalen, wie sie in dem Datennetzwerk von 2 im Vollduplex-Betrieb entstehen können;
6 eine Veranschaulichung eines Sendebetriebs eines Teilnehmergeräts an einem Leitungsende des Datennetzwerks von 2; und
7 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung eines Sendebetriebs eines Teilnehmergeräts, das zwischen einem Leitungsende und einem Sternpunkt geschaltet ist in dem Datennetzwerk von 2.

Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt zwei Netzwerk-Topologien a, b, wie sie im Stand der Technik vorgesehen sein könnte. Des Weiteren ist als eine weitere Netzwerk-Topologie c eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datennetzwerks veranschaulicht. Dargestellt sind, wie Teilnehmergeräte 10 über Leitungszweige 11 miteinander verschaltet sein können. In der Topologie a ist eine Linien-Busstruktur vorgesehen, an welche die Teilnehmergeräte 10 an einem langen Leitungszweig angeschlossen sein können und nur ausnahmsweise kurze Stichleitungen 12 zugelassen sind, da es ansonsten zu unerwünschten Reflexionen von Nachrichtensignalen kommen kann. Dieses typische Netzwerk in Linienstruktur (Busstruktur) mit Terminierung einer Leitung an den Endpunkten T und ohne Terminierung bei Netzwerkknoten, welche mittels relativ kurzen „Stichleitungen“ an die gemeinsam genutzte Leitung verbunden sind. Viele heutige Netzwerke im Automobil, etwa der CAN-Bus oder Flexray-Bus werden in dieser Topologie realisiert. Die (Linien-) Busstruktur nach 1 (a) etwa beim CAN Bus ist dabei nicht sehr günstig für die Realisierung in einem Kraftfahrzeug, eine Sternstruktur wäre oftmals besser geeignet.
Die Netzwerk-Topologie b ermöglicht mehrere Leitungszweige 11, die aber über einen aktiven Switch 13 verschaltet sein müssen, um Reflexionen zu vermeiden.
Topologie b ist eine Sternstruktur mit zentralem, aktivem Netzwerkknoten und mittels Punkt-zu-Punkt verbundenen Netzwerkknoten.
Die Netzwerk-Topologie c ermöglicht es, Leitungszweige 11 über einen passiven Sternpunkt 14 miteinander zu verbinden. Geht man davon aus, dass ein Teilnehmergerät 15 ein sendendes Teilnehmergerät ist, welches ein Nachrichtensignal 16 in das Datennetzwerk aussendet, so ist aus Sicht des sendenden Teilnehmergeräts 15 die Anordnung aus den dargestellten drei Leitungszweigen 11 so zu interpretieren, dass jenseits des Sternpunktes 14 jeder Leitungszweig 11 einen Leitungswiderstand Z_L aufweisen kann und sich somit aus Sicht des sendenden Teilnehmergeräts 15 ein Leitungswiderstand von 0,5 Z_L ergeben kann. Das Nachrichtensignal 16 wird am Sternpunkt 14 mit einem Reflexionsfaktor r_S = -1/3 reflektiert, sodass sich ein reflektierter Teil 17 des Nachrichtensignals ergibt, der wieder beim sendenden Teilnehmergerät 15 eintreffen kann.
2 veranschaulicht zu der Netzwerk-Topologie c ein Datennetzwerk 18, in welchem über den Sternpunkt 14 drei Leitungszweige 11 verschaltet sind, von denen in 2 jeweils die einzelnen elektrischen Leitungen 19 dargestellt sind. Die Leitungszweige 11 sind hier durch Bezeichnungen L1, L2, L3 unterschieden, der Sternpunkt 14 ist auch als Sternpunkt S bezeichnet. Die an jeweiligen Leitungsenden 20 angeschlossenen Teilnehmergeräte 10 sind auch als Teilnehmergeräte T1, T2, T3 bezeichnet. Teilnehmergeräte 10', die zwischen dem jeweiligen Leitungsende 20 und den Sternpunkt 14 des jeweiligen Leitungszweigs 11 angeschlossen sind, sind hier als Teilnehmergeräte TA, TB, TC beispielhaft bezeichnet.
Das Datennetzwerk 18 kann in einem Kraftfahrzeug KFZ bereitgestellt sein, wobei dann die Teilnehmergeräte 10, 10' beispielsweise Steuergeräte sein können. Von den Teilnehmergeräten 10 sind jeweils eine Sendeeinheit 21 und eine Empfangsschaltungen 22 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird im Folgenden lediglich das Teilnehmergerät T1 beschrieben, die übrigen Teilnehmergeräte 10, 10' können in derselben Weise ausgestaltet sein, wobei sich ein Unterschied zwischen den Teilnehmergeräten 10 und den Teilnehmergeräten 10' genauer im Zusammenhang mit 6 und 7 beschrieben werden wird.
In der Sendeeinheit 21 kann eine Stromquellenschaltung 23 über einen Vierquadrantensteller 24 mit einer H-Brückenschaltung 25 an die Leitungen 19 des Leitungszweigs 11 angeschlossen sein. Die Stromquellenschaltung 23 kann zum Aussenden eines Nachrichtensignals 16 einen elektrischen Strom I0 in die Leitungen 19 einprägen. Hierzu können Schalter S1, S2, S3, S4 der Brückenschaltung 25 durch eine Steuerschaltung 26 in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf des gesendeten Nachrichtensignals 16 geschaltet werden, wie es beispielsweise von einem Mikrocontroller des Teilnehmergeräts 10 als Sendesignal TX1 vorgegeben sein kann. Da das Teilnehmergerät 10 an dem Leitungsende 20 des Leitungszweigs 11 angeschlossen ist, kann des Weiteren eine Abschlussschaltung 27 vorgesehen sein, mittels welcher die Leitungen 19 durch einen Abschlusswiderstand 28 mit einem Widerstandswert Z1 abgeschlossen oder elektrisch verbunden sein können, wobei der Widerstandswert Z1 dem Leitungswiderstand des Leitungszweigs 11 entsprechen kann. Zusätzlich kann vorgesehen sein, mittels einer Spannungsquelle 29 und einem Massepotential 30 für den Zeitraum außerhalb des Sendebetriebs des Teilnehmergeräts 10 elektrische Spannungspegel der Leitungen 19 einzustellen. Dies ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt und wird daher nicht weiter beschrieben.
Mittels der Empfangsschaltung 22 kann ein Empfangssignal 32 als Spannungssignal, das zwischen den Leitungen 19 anliegt, mittels eines Differenzverstärkers 33 (D) empfangen werden, sodass das Empfangssignal 32 als Signal RX bereitgestellt werden kann. Mittels eines Kompensationsfilters 34 (F1 für das Teilnehmergerät T1) kann das Nachrichtensignal 16, das von dem Teilnehmergerät aktuell ausgesendet wird, zeitversetzt subtrahiert werden, wobei auch eine Gewichtung oder Skalierung möglich ist. Hieraus ergibt sich ein kompensiertes Empfangssignal 35, das hier auch als Ry bezeichnet ist. Die Nummerierungen der Signale sind entsprechende Nummerierungen der einzelnen Teilnehmergeräte T1, T2, T3.
3 veranschaulicht beispielhaft eine Ausführungsform eines Kompensationsfilters 34. Die Darstellung in 3 geht davon aus, dass ein einzelnes zu sendendes Symbol (beispielsweise ein Bit) eine Symboldauer T aufweist. Dargestellt ist, wie das zu sendende Nachrichtensignal Tx in das Kompensationsfilter 34 eingespeist wird und ein geschätztes Echosignal Rx'(t), welches mittels einer Überlagerungsschaltung 40 dem Empfangssignal Rx(t) überlagert werden kann, woraus sich das kompensierte Empfangssignal Ry(t) ergibt.
Um das geschätzte Echosignal Rx'(t) zu ermitteln, kann eine Kaskade aus Verzögerungsgliedern 41 bereitgestellt sein, von denen jedes eine zeitliche Verzögerung mit einer Dauer der Symboldauer T erzeugen kann. Durch Einspeisen des Sendesignals Tx(t) in die Kaskade der Verzögerungsglieder 41 können verzögerte Varianten Tx(t-T), Tx(t-2T)... des Sendesignals Tx(t) erzeugt werden, von denen jede mit einer Verstärkungsschaltung 42 skaliert oder gewichtet werden kann, um eine gedämpfte Variante oder eine gedämpfte Version des jeweils verzögerten Sendesignals zu erhalten. Insgesamt sind M Verzögerungsglieder 41 vorgesehen. Der Verstärkungsfaktor ist hier jeweils als b₀ bis b_M repräsentiert. Durch weitere Überlagerungsschaltungen 43 kann eine Aufsummierung erfolgen, was das geschätzte Echosignal Rx(t) ergibt. Die Verzögerungsglieder 41 und/oder die Verstärkungsschaltungen 42 und/oder die Überlagerungsschaltungen 40, 43 können jeweils als analoge Schaltung realisiert sein. Die Überlagerungsschaltungen 42, 40 können beispielsweise als analoge Addierschaltungen oder allgemein auf der Grundlage zumindest eines Operationsverstärkers und/oder Transistors, die Verstärkerschaltungen 42 können auf der Grundlage eines Operationsverstärkers und die Verzögerungsglieder 41 können auf der Basis einer Verzögerungsleitung realisiert sein.
4 veranschaulicht einen Betrieb des Datennetzwerks 18. Über der Zeit t ist dargestellt, wie ein Sendesignal tx1 des Teilnehmergeräts t1 vorgegeben sein kann, das mittels der Sendeeinheit 21 des Teilnehmergeräts T1 in den Leitungszweig L1 eingespeist werden kann. Eine Symboldauer ist hier mit Tsym gekennzeichnet, was der Symboldauer Ty3 entspricht.
Die Empfangsschaltung 22 des Teilnehmergeräts T1 empfängt unmittelbar das Nachrichtensignal als Rx1 sowie das Echo im Empfangssignal 32 nach einer Zeitdauer, die der Laufzeit des Nachrichtensignals vom Teilnehmergerät T1 bis zum Sternpunkt 14 und zurück zum Teilnehmergerät T1 entspricht. Das kompensierte Empfangssignal Ry1 weist keine Reflexionen mehr auf, da das Kompensationsfilter 34 das Echosignal korrekt geschätzt und aus dem Empfangssignal Rx1 entfernt hat.
Zudem ist das am Sternpunkt S eintreffende Nachrichtensignal 16 veranschaulicht, welches mit einem Zeitversatz tl₁ am Sternpunkt S eintrifft, was der Laufzeit vom Teilnehmergerät T1 bis zum Sternpunkt S entspricht.
Am Sternpunkt S wird das Nachrichtensignal 16 aufgeteilt und in die beiden Leitungszweige L₂ und L₃ (siehe 2) weitergeleitet. Durch die Laufzeit vom Sternpunkt S bis zum jeweiligen Teilnehmergerät T2, T3 ergibt sich eine jeweilige weitere Laufzeit TI₂ und TI₃, wobei am Zeitverlauf zu erkennen ist, dass durch den Sternpunkt S in den Leitungszweigen L₂, L₃ keine Reflexion verursacht wird.
5 veranschaulicht in einem Diagramm über der Zeit t in Bezug auf das Teilnehmergerät T1 dieselbe Sendesituation. Zusätzlich ist in 5 ein Beispiel zugrunde gelegt, bei welchem auch das Teilnehmergerät T3 ein Nachrichtensignal Tx3 erzeugt, das über den Sternpunkt S in die übrigen beiden Leitungszweige L₁ und L₂ verteilt wird. Das vom Teilnehmergerät T3 ausgesendete Signal kann ein Störsignal 44 sein, welches das Empfangssignal Rx2 des Teilnehmergeräts T2 dahingehend gestört wird, dass es sich um eine Überlagerung der Nachrichtensignale Tx1 und Tx3 handelt, sodass im Teilnehmergerät T2 ein gestörtes Empfangssignal 45 empfangen wird, das im Teilnehmergerät T2 nicht mehr interpretiert oder verstanden werden kann. Dagegen zeigt das kompensierte Empfangssignal Ry1 im Teilnehmergerät T1, dass das Teilnehmergerät T1 das Nachrichtensignal Tx3 des Teilnehmergeräts T3 korrekt empfangen kann, während das Teilnehmergerät T3 ein kompensiertes Empfangssignal Ry3 mit seinem Kompensationsfilter erzeugen kann, das den zeitlichen Verlauf des Nachrichtensignals Tx1 des Teilnehmergeräts T1 entspricht. Somit können also die Teilnehmergeräte T1 und T3 fehlerfrei miteinander kommunizieren, das heißt ihr jeweiliges Nachrichtensignal rekonstruieren, während das Teilnehmergerät T2 nur ein gestörtes Empfangssignal 45 empfangen kann.
6 zeigt eine Ersatzbild-Betrachtung eines Betriebs einer Teilnehmerschaltung 10 an einem Leitungsende. Dargestellt sind drei Betriebsphasen B1, B2, B3, wobei die Betriebsphase B1 ein Empfangsbetrieb, die Betriebsphasen B2 und B3 einen Sendebetrieb darstellen können. Die Betriebsphasen B2 und B3 unterscheiden sich darin, dass unterschiedliche Symbole gesendet werden, was durch die Schaltdarstellungen der Schalter S1 bis S4 bewirkt werden kann. Zusätzlich ist in 6 dargestellt, wie aus Sicht des Leitungszweiges 11 an dem Leitungsende 20 das Teilnehmergerät 10 jeweils elektrisch wirkt, was als Ersatzschaltbild 50 dargestellt ist. Durch den Innenwiderstand der Stromquellenschaltung 23 ist lediglich der Abschlusswiderstand Z wirksam, weshalb unabhängig von der Betriebsphase B1, B2, B3 am Leitungsende 20 derselbe Widerstandswert Z wirksam ist. Der Vergleich der Betriebsphasen B2, B3 zeigt, wie durch die Schalterstellungen der Schalter S1 bis S4 der Brückenschaltung 25 der von der Stromquellenschaltung 23 erzeugte elektrische Strom I₀ mit unterschiedlicher Polarität oder Flussrichtung am Leitungsende 20 in die Leitungen 19 des Leitungszweigs 11 eingespeist wird.
7 veranschaulicht in derselben Weise wie 6 die elektrische Wirkweise als Ersatzschaltbild 50 von einem Teilnehmergerät 10', das nicht am Leitungsende 20, sondern zwischen dem Leitungsende 20 und dem Sternpunkt 14 (siehe 2) geschaltet ist. Es kann sich in der Darstellung von 2 um eines der Teilnehmergeräte TA, TB, TC handeln.
Da die Abschlussschaltung 27 fehlt und stattdessen eine Leerlaufschaltung 51 vorgesehen ist, ist lediglich der elektrische Widerstand der Stromquellenschaltung 23 und der H-Brückenschaltung 25 wirksam, wodurch sich aufgrund der Innenwiderstandswerte im Ersatzschaltbild 50 aus Sicht der Leitungen 19 des Leitungszweigs 11 ein Leerlauf ergibt, was Reflexionen verhindert.
Bekannte Bussysteme im Kraftfahrzeug nutzen überwiegend die beschriebene Linienstruktur einer elektrischen Zweidrahtleitung mit beidseitigem Abschluss, so dass die sich ausbreitenden Wellen möglichst reflexionsarm zur Signalübertragung genutzt werden können (siehe 1 (a)). Kurze Stichleitungen mit kurzer, hochohmiger Ankopplung sind erlaubt, dies wird ausgiebig genutzt, wie bei CAN, CAN-FD oder FlexRay oder bei den ersten Ethernet Standards 10-Base5 und 10-Base2.
Bei der Vernetzung im Fahrzeug wird häufig eine Sternstruktur angestrebt, welche aber mit der Vorgabe der kurzen Stichleitungen nicht leicht zu erreichen ist. Besonders bei hohen Bitraten erreicht man häufig ein Ausmaß der reflektierenden Signalanteile, dass ein störsicherer Betrieb schwer sicherzustellen ist (CAN, CAN-FD).
Die Aufgabe ist generell, eine Sternstruktur mit einfach und kostengünstig gekoppelten Leitungssegmenten für schnelle Kommunikation im Kraftfahrzeug zu betreiben. Darüber hinaus soll die Sicherheit (Security) von Systemen im Fahrzeug zu erhöhen und gegenüber Angriffen von Hackern härten.
Die Kommunikation im Fahrzeug kann zudem vor böswilligen Angriffen geschützt werden, indem erfindungsgemäß eine Vollduplex-Übertragung mit zufallsähnlichen Signalen eingesetzt werden kann. Die vorliegende Idee der sicheren Vollduplex Übertragung kann auch in einem schnellen Sternnetzwerk genutzt werden. Aber auch ein Halbduplex Betrieb ist möglich.
Das Bussystem nutzt zur Signalübertragung eine Leitung mit an den Leitungs-Wellenwiderstand (Z_L) angepassten Abschusswiderständen, um Reflexionen zu verhindern (z.B. CAN, CAN-FD, Flexray) nach 1 (c).
Die vorliegende Idee beschreibt eine Möglichkeit, eine gemäß der Idee realisierte, beispielhafte passive Sternstruktur gemäß 1 (c) bei hohen Symbolraten zu betreiben. Dabei wird die Idee genau eines zentralen Punkts mit Reflexion genutzt. Dies entsteht bei Parallelschaltung z.B. zweier mit Wellenwiderstand Z_L abgeschlossenen Leitungssegmenten. Das angeschlossene z.B. dritte Leitungssegment ist somit mit Z_L/2 abgeschlossen, der Reflexionsfaktor ist im Sternpunkt rs = -1/3 für alle Segmente gleich und die entstehende Reflexion ist jedoch einfach zu beherrschen, wie in dieser Erfindung gezeigt wird. Gleichzeitig wird eine Vollduplex Übertragung zwischen zwei Teilnehmern ermöglicht, welche auch zum abhörsicheren Nachrichtenaustauch verwendet werden kann. Eine solche Möglichkeit wurde in der Anmeldung 10 2018 216 949.7 für kurze Punkt- zu Punkt Verbindungen skizziert, welche beidseitige definiert angepasste Transceiver voraussetzt. Eine derartige Anpassung kann etwa mit LVDS Transceivern nach IEC 644 erreicht werden.
Es wird somit bevorzugt ein passives Sternnetzwerk mit relativ langen Leitungssegmenten als gewünschte Topologie angestrebt. Die Endpunkte sind Transceiver, welches an den Endpunkten jeweils eine sehr gute Terminierung der Leitung mit Ihrem Wellenwiderstand sicherstellen. Diese Terminierung ist in jedem Betriebszustand gleich gut, insbesondere auch beim Senden. Die Verwendung solcher stets angepasst terminierter Transceiver vom Typ 1 an den Endknoten des Sterns ist ein vorteilhaftes Merkmal der hier beschriebenen Idee und steht im Unterschied zu den niederohmigen Transceivern mit passiven Sternpunkt.
Die Prinzipielle Darstellung eines Sternnetzwerks zeigt 2 für die 3 (oder allgemein N) Transceiver-Endknoten (T1, T2 und T3), welche am gemeinsamen Bus über die Leitungen L₁, L₂ und L₃ angeschlossen sind (Typ 1). Die Leitungen sind über einen Sternpunkt S galvanisch verbunden. Die Leitungen nicht notwendigerweise kurz, so dass sich Reflexionen ausbilden, sobald eine Welle von einem Sender (hier z.B. Transceiver T1) ausgehend als vorlaufende Welle auf den Sternpunkt zuläuft. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Reflexion am Sternpunkt sich in einer rücklaufenden Welle in Richtung des Senders 1 ausbildet. Die anderen Stationen (z.B. Transceiver T2, T3) empfangen jedoch nur die vorlaufende Welle ohne Reflexion. Werden die sendenden Transceiver mit erfindungsgemäßen Filtern F1, F2, F3,... ausgestattet, ist auch ein gleichzeitiges Senden eines zweiten Transceivers möglich (Vollduplex-Betrieb).
Es sind auch hochohmige Transceiver vom Typ A zur Ankopplung über kurze Stichleitungen möglich (TA, TB, TC), siehe 2 und 7. Transceiver vom Typ 1 sind demnach stets angepasst terminiert, Typ A Transceiver sind stets hochohmig, also nicht terminiert.
Für die folgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sind noch einmal die verwendeten Abkürzungen als Übersicht angegeben:

Txn: Sender Spannung (Transmitter Voltage)
Rxn: Empfänger-Differenzspannung (Receiver Diff. Voltage)
Ryn: erfindungsgemäß gefilterte Empfänger Spannung (Receiver filtered voltage, acc. to the current invention)
Zn: Abschluss-Impedanz (Termination Impedance)
Zn = ZL: (Transceiver Typ 1) or Z_n = ∞ (Transceiver Typ A)
D: Hochohmiger Differenz Verstärker (High-impedance difference amplifier)
Fn: Erfindungsgemäßes Reflexions-Kompensationsfilter (Reflection-compensation filter according to the invention)
Ln: Leitungssegmente mit Wellenwiderstand Z_L und Länge l_n (Line segments with char. Impedance Z_L)
I0: Konstanter Strom zur Signal-Encodierung (Constant current for signal encoding),
z.B.:: I₀ = 10 - 20 mA
S: Passiver Sternpunkt (Passive star node)

Im Folgenden ist beispielhaft ein Halbduplex-Betrieb beschrieben:

Die in 2 gezeigte Anordnung wird mit den folgenden Parametern betrachtet: NRZ- Symboldauer T_sym = 10 ns, damit Symbolrate f_sym = 100 MBaud, Leitungslängen l₁ = 4 m, l₂ = 2 m, l₃ = 1 m, mit einer typischen Ausbreitungsgeschwindigkeit auf verdrillten Zweidrahtleitungen von 2/3 Lichtgeschwindigkeit v_PH = 2·10⁸ m/s, ergibt sich eine Signallaufzeit von T_l = 1/v_PH = 5 ns/m. Die Signallaufzeiten entlang der Leitungssegmente beträgt demnach T_l1 = 20 ns, T_l2 = 10 ns, T_l3 = 5 ns. Der Reflexionsfaktor rs am Sternpunkt S beträgt mit N = 3 Endknoten:

mit N = 3 Endknoten	$r_{s} = \frac{\frac{Z_{L}}{2} - Z_{L}}{\frac{Z_{L}}{2} + Z_{L}} = - \frac{1}{3}$	(1)
Allgemein mit N Endknoten	$r_{s} = \frac{\frac{Z_{L}}{N - 1} - Z_{L}}{\frac{Z_{L}}{N - 1} + Z_{L}} = \frac{1 - N + 1}{1 + N - 1} = - \frac{N - 2}{N}$

Der vorliegenden Idee liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich in einem Sternnetzwerk mit einem passiven Stern S, also einem simplen Zusammenschalten langer Leitungssegmente ohne jegliche Zusatzbeschaltung eine wohldefinierte Reflexion auftritt, die sich aber nur in Richtung des Senders ausbreitet. In der vorliegenden Idee von stets richtig abgeschlossenen Transceivern ausgegangen, insbesondere während des Sendevorgangs, was im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Netzwerken steht.
In der bevorzugten Anordnung nach 1 (c) und 2 wirkt sich die Reflexion am Sternpunkt nur einfach beim Sender aus, die Reflexion erreicht aber die übrigen Empfänger nicht, was direkt zur Anwendung im Halbduplex-Betrieb führt. Es muss nach Senden einer Nachricht durch Transceiver T1 einfach die doppelte Signallaufzeit 2·T_L1 nach Ende der Nachricht (hier z.B. Sendefolge 1010) plus die Dauer der Nachricht (hier 4·T_sym) abgewartet werden, bis die Reflexion an Transceiver T1 verschwunden ist.
Es kann jedem Empfänger-Differenzverstärker D je eine Filtereinrichtung F1, F2, F3... nachgeschaltet sein, um die im Sendebetrieb zu erwartenden Reflexionen zu kompensieren. Als Filterstruktur eignet sich eine Kaskade aus Verzögerungselementen mit der einheitlichen Verzögerungszeit T und einer Anzahl Gewichtungsfaktoren b, ähnlich einem nicht-rekursiven FIR Filter, um die erwartete sendeseitige Reflexion am Eingang Rx am Ausgang Ry zu kompensieren:

1 zeigt eine mögliche Realisierung der erfindungsgemäßen Empfangsfilters in jedem der Transceiver Endknoten (T1, T2, T3,...) sowie TA, TB, TC, ... der den Ausgangssignalen Rx der Differenzverstärker D der Empfänger nachgeschaltet sind. Ähnlich einem digitalen, nicht-rekursiven FIR Filter, wird eine Kaskade von M Verzögerungselementen mit der Verzögerungszeit T mit einer Anzahl Gewichtungselementen b₀, b₁, ... b_M verwendet, deren Ausgänge summiert werden, um das erwartete Reflexionsverhalten an den Ausgängen Ry zu kompensieren.

Das erwartete Empfangssignal lässt sich für ein Sternnetzwerk nach 2 theoretisch bestimmen:

Für T1, erwartetes Empfangssignal:	$R \hat{x_{1}} (t) = T x_{1} (t) + r_{s} \cdot T x_{1} (t - 2 T_{l 1})$
Mit m < M	$m = \frac{2 T_{l 1}}{T}$
Filterkoeffizienten:	$\begin{array}{l} b_{0} = 1 \\ b_{m} = r_{s} \end{array}$
Filterausgang:	$R y_{1} (t) = R x_{1} (t) - R \hat{x_{1}} (t) = R x_{1} (t) - b_{0} \cdot T x_{1} (t) - b_{m} \cdot T x_{1} (t - m T)$

Mit den zur Darstellung in 4 verwendeten Parametern: Symboldauer T_sym = 10 ns (entsprechend f_sym = 100 MBaud, Signallaufzeiten T_l1 = 20 ns, T_l2 = 10 ns, T_l3 = 5 ns, Reflexionsfaktor am Sternpunkt: rs = -0.333 mit N = 3 Endknoten kann man das auftretende Reflexionssignal am eigenen Empfänger mit einem Filter F unterdrücken (siehe 1 mit Filter F1 für Transceiver 1). Unter der Annahme, dass ein Filter mit M = 10 Laufzeitelementen mit jeweils T= 5 ns zur Verfügung steht, ergibt sich nach (2) eine optimale Kompensation für m = 40 ns/5 ns = 8, b₀ = 0.5, b₈ = -0.333, siehe Ry1 in 4.
Die optimale Einstellung der Filter kann fest für jede Station oder auch adaptiv erfolgen, wenn etwa im verwendeten Protokoll eine bekannte Bitfolge, ähnlich dem Synchronisationsbyte bei Ethernet, vorgesehen wird.
Grundsätzlich sind Topologien mit mehreren passiven Sternpunkten möglich, die Filterstrukturen zur Kompensation mehrerer Reflexionswerden dadurch jedoch aufwändig.
Im Gegensatz dazu kann man die negative Auswirkung eines passiven Sterns mit herkömmlichen, senderseitig niederohmigen Transceivern (gemäß CAN, Flexray) betrachten: Demnach treten die Reflexionen empfängerseitig auf, wo sie nicht mehr kompensierbar sind. Aus gutem Grund sind daher bei den meisten herkömmlichen Netzwerken Sternstrukturen mit langen Leitungssegmenten nicht zugelassen, sondern nur Linienstruktur (Busstruktur) mit zwei bestmöglich terminierten Leitungsenden.
Im Folgenden ist beispielhaft ein Vollduplex-Betrieb beschrieben:

Die in 2 gezeigte Anordnung mit den erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen F1,F2,F3, ... kann auch vorteilhaft zur Vollduplex-Kommunikation zwischen 2 Teilnehmern eingesetzt werden, da die sendende Station der einzige Knoten im Netzwerk ist, bei dem eine Reflexion überhaupt ankommt, und diese erfindungsgemäß mittels Filter kompensiert werden kann. Daher kann ein Protokoll festgelegt sein, welches einer zweiten Station erlaubt ebenfalls zu senden, während eine erste Station sendet.

Eine solche Vollduplex-Situation ist in 5 dargestellt: Eine Station 1 sendet über Transceiver T1 die Bitfolge 1010, welche durch die Filtereinrichtung F1 unterdrückt wird (Ry1).
Verfahrensgemäß beginnt Station 3 unmittelbar nach Empfang des ersten Teils der Nachricht von Station 1 (Signal Ry3) damit, über Transceiver T3 die Bitfolge 1100 zu senden. Als Folge davon breitet sich eine Welle von Transceiver 3 ausgehend in Richtung Sternpunkt aus, und wird dort teilweise reflektiert (Reflexionsfaktor rs) und bildet wieder eine rücklaufende Welle in Richtung Station 3 aus, wo sie mittels Kompensationsfilter F3 kompensiert werden kann. Station 3 kann somit das Signal 1010 von Station 1 ungestört empfangen.
Am Sternpunkt S, sowie am Empfänger 2 (Rx2) ist jedoch aufgrund der Überlagerung des Sendesignals Tx1 und des Sendesignals Tx3 keine Decodierung in die zugrunde liegende Bitfolge möglich.
Unmittelbar hinter dem Empfänger 1 (Rx1) sind zwar ebenfalls Reflexionen festzustellen, diese werden jedoch durch das erfindungsgemäße Filter F1 kompensiert, so dass an Ausgang Ry1 die von Station 3 gesendete Bitfolge 1100 erkannt wird. Entsprechendes gilt für Station 3, da diese sendet, kann das Kompensationsfilter F3 die Reflexionen und das eigene Sendesignal kompensieren, so dass die von Station 1 gesendete Bitfolge 1010 fehlerfrei erkannt werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung nach 2 ist also eine Vollduplex-Kommunikation mit Nachrichten zwischen 2 beliebigen Stationen möglich, was für Handshake-Protokolle ähnlich TCP/IP besonders vorteilhaft ist.
Mit der Anordnung nach 2 kann die Vollduplex-Kommunikation auch zur Kommunikationsverschleierung genutzt werden: Noch während eine Station eine sicherheits- (security)-relevante Nachricht sendet, kann diese durch eine empfangende Station durch ein zweites zufallsähnliches Signal überlagert werden, etwa beim Schlüsselaustausch.
Grundsätzlich beschreibt die vorliegende Idee ein Netzwerk auf der physikalischen Schicht (OSI Layer 1), die Aspekte der Sicherungsschicht (OSI Layer 2) wie Arbitrierung, Fehlerabsicherung und Fehlerbehandlung, usw. können von anderen Netzwerken übernommen werden, so ist es etwa denkbar, dass eine UART Kommunikation ähnlich RS-485 oder aber Ethernet Frames gemäß IEEE 802.3 mit dem vorliegenden Netzwerk verwendet werden.
Vorteilhafte Aspekte der Idee sind in der folgenden Liste zusammengefasst:

1. Verfahren und Anordnung nach 2, dadurch gekennzeichnet dass ein Sternnetzwerk Stationen mit relativ langen Leitungssegmenten mit stets angepasst abgeschlossenen Transceivern (totally matching termination) derart betrieben werden, dass eine Reflexion nur am Sternpunkt stattfindet, die sich in Richtung des sendenden Transceiver ausbreitet, und nicht zu an den anderen, empfangenden Transceivern.
2. Verfahren und Anordnung nach 2, dadurch gekennzeichnet, dass den hochohmigen Differenzverstärkern im Empfangsteil des Transceivers ein Filter nachgeschaltet ist, welches dazu geeignet ist, die vom Sendeteil des Transceivers verursachte Reflexion im Empfangsteil des sendenden Transceivers zu kompensieren.
3. Verfahren und Anordnung nach Aspekt 1 oder nach Aspekt 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Station im Halbduplex Betrieb sendet, und ein Protokoll vorsieht, dass ein hinreichender zeitlicher Abstand zur nächsten Nachricht eingehalten werden muss, um Interferenzen mit Reflexionen zu vermeiden.
4. Verfahren und Anordnung nach Aspekt 2, wobei jede Station im Halbduplex Betrieb sendet, und ein Protokoll vorsieht, dass nach festgelegten vorzugsweise kurzen Zeiten ein weiterer Sendevorgang erfolgen kann, ohne dass Reflexionen abgewartet werden müssen.
5. Verfahren und Anordnung nach Aspekt 2, wobei jede Station im Vollduplex Betrieb als zweite Station sendet, während bereits ein erster Sendevorgang erfolgt, ohne dass Reflexionen abgewartet werden müssen, wobei beide Stationen gegenseitig Informationen austauschen.
6. Verfahren und Anordnung nach Aspekt 2 und Aspekt 5, wobei jede Station als zweite Station sendet, während bereits ein erster Sendevorgang erfolgt, ohne dass Reflexionen abgewartet werden müssen, wobei eine Station Informationen an die zweite Station übermittelt, die zweite Station durch Senden eines zufälligen Signals eine Decodierung des Signals auf den Leitungssegmenten praktisch unmöglich macht, dieses zufällige Signal aber von der zweiten Station mit Hilfe der erfindungsgemäßen Filtereinrichtung wirksam unterdrücken kann.
7. Verfahren nach Aspekt 1 oder 2, wobei mehrere passive Sternpunkte vorhanden sind, verbunden mit langen Leitungssegmenten. Die Unteraspekte 3 bis 6 gelten dafür entsprechend.

Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung ein schnelles und abhörsicheres Datennetzwerk bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Teilnehmergerät
11: Leitungszweig
12: Stichleitung
13: Switch
14: Sternpunkt
15: Teilnehmergerät
16: Nachrichtensignal
17: Teil
18: Datennetzwerk
19: Leitungen
20: Leitungsende
21: Sendeeinheit
22: Empfangsschaltung
23: Stromquellenschaltung
24: Vierquadrantensteller
25: Brückenschaltung
26: Steuerschaltung
27: Abschlussschaltung
28: Abschlussschaltung
29: Spannungsquelle
30: Massepotential
32: Empfangssignal
33: Differenzverstärker
34: Kompensationsfilter
35: Empfangssignal
40: Überlagerungsschaltung
41: Verzögerungsglieder
42: Verstärkerschaltung
43: Überlagerungsschaltung
44: Störsignal
45: Empfangssignal
50: Ersatzschaltbild
51: Leerlaufschaltung
B1: Betriebsphase
B2: Betriebsphase
B3: Betriebsphase
I0: elektrischer Strom
T1, T2, T3: Teilnehmergerät
Z: Innenwiderstandswert

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 Patentliteratur

EP 0610276 B1 [0003]

Claims

Datennetzwerk (18) mit zumindest drei Leitungszweigen (11), die über einen gemeinsamen Sternpunkt (14) miteinander verbunden sind, um Nachrichtensignale (16) aus einem der Leitungszweige (11) auf die übrigen Leitungszweige (11) zu verteilen, wobei an zumindest einen der Leitungszweige (11) jeweils zumindest ein Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, welches dazu eingerichtet ist, in einem jeweiligen Sendebetrieb (B2, B3) mittels einer jeweiligen Sendeeinheit (21) zumindest eines der Nachrichtensignale (16) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Teilnehmergerät (10, 10') dessen Sendeeinheit (21) eine Stromquellenschaltung (23) aufweist, die dazu eingerichtet ist, zum Erzeugen des Nachrichtensignals (16) einen elektrischen Strom (I₀) in elektrische Leitungen (19) desjenigen Leitungszweigs (11), an welchen das Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, einzuprägen, wobei über die Stromquellenschaltung (23) die Leitungen (19) mit einem Innenwiderstandswert verbunden sind, der im Sendebetrieb (B2, B3) durchgehend größer als 10 Mal der Wert des Wellenwiderstands des Leitungszweigs (11), insbesondere größer als 500 Ohm, ist.
Datennetzwerk (18) nach Anspruch 1, wobei in zumindest einem Teilnehmergerät (10), das an ein Leitungsende (20) eines der Leitungszweige (11) angeschlossen ist, dessen Sendeeinheit (21) eine zu der Stromquellenschaltung (23) parallel geschaltete Abschlussschaltung (28) aufweist und die Abschlussschaltung (28) an demjenigen Leitungszweig (11), an welchem das Teilnehmergerät (10') angeschlossen ist, die elektrischen Leitungen (19) verbindet und einen Widerstandswert (Z), der einem Wellenwiderstand des Leitungszweiges (11) entspricht, aufweist.
Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in zumindest einem Teilnehmergerät (10'), das zwischen einem Leitungsende (20) eines der Leitungszweige (11) und dem Sternpunkt (14) angeschlossen ist, dieses eine Leerlaufschaltung (51) aufweist, die zumindest für den Fall, dass die Stromquellenschaltung (23) inaktiv ist, oder durchgehend die Leitungen (19) des Leitungszweigs (11) elektrisch trennt.
Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine Teilnehmergerät (10, 10') jeweils eine Empfangsschaltung (22) aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus dem jeweiligen Leitungszweig (11), an welchen das Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, als ein Empfangssignal (32) zumindest ein Nachrichtensignal (16) eines anderen Teilnehmergeräts (10, 10') zu empfangen, wobei die Empfängerschaltung (22) ein Kompensationsfilter (34) aufweist, welches dazu eingerichtet ist, im Sendebetrieb (B2, B3) der Sendeeinheit (21) des eigenen Teilnehmergeräts (10, 10') das von der Sendeeinheit (21) ausgesendete eigene Nachrichtensignal (16) zeitversetzt dem Empfangssignal (32) negativ und gewichtet zu überlagern, wobei ein Zeitversatz der negativen Überlagerung einer sich in dem Leitungszweig (11) ergebenden Signallaufzeit von dem Teilnehmergerät (10, 10') zu dem Sternpunkt (14) und zurück zu dem Teilnehmergerät (10, 10') entspricht.
Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kompensationsfilter (34) auf Grundlage zumindest einer analogen Verzögerungsleitung (41) und zumindest einer Verstärkerschaltung (42) realisiert ist.
Datennetzwerk (18) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei das zumindest eine Teilnehmergerät (10, 10') jeweils dazu eingerichtet ist, während eines Empfangsbetriebs (B1) der eigenen Empfangsschaltung (22) mittels der Sendeeinheit (21) ein Störsignal (44) auszusenden.
Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem jeweiligen Teilnehmergerät (10, 10') dessen Sendeeinheit (21) einen Vierquadrantensteller (24) mit einer H-Brückenschaltung (25) aufweist, der dazu eingerichtet ist, die Stromquellenschaltung (23) mit abwechselnder Polarität zwischen die Leitungen (19) des Leitungszweigs (11) zu schalten.
Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zumindest einen Teilnehmergerät (10, 10') die jeweilige Sendeeinheit (21) dazu eingerichtet ist, ihr jeweiliges Nachrichtensignal (16) als differenziellen Spannungspegel in die Leitungen (19) des Leitungszweigs (11) einzuprägen.
Kraftfahrzeug (KFZ) mit einem Datennetzwerk (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben eines Datennetzwerks (18) mit zumindest drei Leitungszweigen (11), die über einen gemeinsamen Sternpunkt (14) miteinander verbunden sind, um Nachrichtensignale (16) aus einem der Leitungszweige (11) auf die übrigen Leitungszweige (11) zu verteilen, wobei an zumindest einen der Leitungszweige (11) jeweils zumindest ein Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, welches dazu eingerichtet ist, in einem jeweiligen Sendebetrieb (B2, B3) mittels einer jeweiligen Sendeeinheit (21) zumindest eines der Nachrichtensignale (16) zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem jeweiligen Teilnehmergerät (10, 10') dessen Sendeeinheit (21) eine Stromquellenschaltung (23) aufweist, die zum Erzeugen des jeweiligen Nachrichtensignals (16) einen elektrischen Strom (I₀) in elektrische Leitungen (19) desjenigen Leitungszweigs (11), an welchen das Teilnehmergerät (10, 10') angeschlossen ist, einprägt, wobei über die Stromquellenschaltung (23) die Leitungen (19) mit einem Innenwiderstandswert der Stromquellenschaltung (23) verbunden sind, der im Sendebetrieb (B2, B3) durchgehend größer als 10 Mal der Wert des Wellenwiderstands des Leitungszweigs (11), insbesondere größer als 500 Ohm, ist.