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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf Kommunikationssysteme, Transmitter und Receiver zum Übermitteln von Informationen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug.
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Kommunikationssysteme werden in vielen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise auch zur Kommunikation zwischen Steuer-, Komfort- und Unterhaltungsgeräten in Kraftfahrzeugen. Die elektrischen Bordnetze bzw. Kommunikationssysteme entwickeln sich in Fahrzeugen derzeit bzgl. der Verkabelung in Richtung Zonalisierung. Mehrere getrennte Zonen werden mittels eines Kommunikationssystems miteinander verbunden. Ein Auslöser für den Trend zur Zonalisierung ist die hohe Komplexität des kundenspezifischen Kabelbaums. Gleichzeitig werden häufig mehrere bislang getrennte Funktionen auf leistungsfähigen Integrationsplattformen konzentriert. Zwischen den entstehenden Zonen oder auch Zonen-Integrations-Modulen und solchen Integrationsplattformen wird ein leistungsfähiger Backbone-Bus als Teil des Kommunikationssystems benötigt, der sowohl große Datenmengen transportieren als auch kurze Latenzen garantieren kann, der also simultan mehrere Use Cases unterstützt. Switched Ethernet wäre dafür prinzipiell geeignet, wenn die Anzahl der Zonen gering bleibt, beispielsweise kleiner als 5. Dies wäre der Fall, solange sich eine Zonalisierung an der Granularität der Stromversorgung im Fahrzeug orientiert. Bei stärkerer Zonalisierung in beispielsweise 10-25 Zonen wäre ein geswitchtes System zu komplex und teuer. Eine Zonalisierung in Richtung 20-25 Zonen ergibt sich jedoch, wenn man einen Kabelbaum für Fahrzeuge voll automatisiert fertigen will.
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Zum Beispiel für eine Anwendung im Kraftfahrzeug besteht daher ein Bedarf, ein verbessertes Kommunikationssystem bereitzustellen. Diesem Bedarf tragen die Transmitter, Receiver, Kommunikationssysteme sowie das Fahrzeug nach den unabhängigen Ansprüchen Rechnung.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Transmitters für ein Kommunikationssystem umfasst einen Modulator, der ausgebildet ist, ein Sendesignal zu erzeugen und dabei Informationen auf eine Mehrzahl von Subbändern zu modulieren, wobei zumindest zwei der Subbänder eine unterschiedliche Bandbreite aufweisen. Die Modulation auf Subbänder unterschiedlicher Breite kann bewirken, dass in jedem Band die erforderliche Menge an Informationen übermittelt werden kann, während gleichzeitig die Elektronik der Transceiver, insbesondere ein Analog-zu-Digital Wandler zum Digitalisieren eines Eingangssignals, nicht überdimensioniert werden muss, um in herkömmlichen Anwendungen übliche Leistungsreserven bereitzuhalten.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Receivers für ein Kommunikationssystem umfasst einen Demodulator, der ausgebildet ist, ein Eingangssignal mit mehreren Subbändern unterschiedlicher Breite zu demodulieren und die in einem Subband übermittelten Informationen zu rekonstruieren. Die Möglichkeit, Eingangssignale mit mehreren Subbändern unterschiedlicher Breite zu demodulieren ermöglicht die Verwendung eines Analog-zu-Digital Wandlers im Receiver, der im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine geringere Leistung verarbeiten muss, was diesen beispielsweis kostengünstiger werden lässt.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Kommunikationssystems für ein Kraftfahrzeug umfasst einen Datenbus, ein Ausführungsbeispiel eines ersten Transmitters, der mit dem Datenbus zum Senden von Informationen über den Datenbus gekoppelt ist und ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Transmitters, der mit dem Datenbus zum Senden von Informationen über den Datenbus gekoppelt ist. Das Verwenden der Transmitter ermöglicht es, das Kommunikationssystem zuverlässig und effizient in einer Daisy Chain Architektur zu implementieren.
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Ein Ausführungsbeispiel eines dies ermöglichenden Verfahrens zum Senden von Informationen umfasst ein Modulieren von Informationen auf ein erstes Subband und ein Modulieren von weiteren Informationen auf ein zweites Subband, wobei das erste Subband und das zweite Subband eine unterschiedliche Bandbreite aufweisen.
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Ausführungsbeispiele werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Transmitters;
- 2 eine schematische Darstellung eines Receivers;
- 3 eine schematische Darstellung eines Transceivers;
- 4 eine Illustration der Abhängigkeit der übertragbaren Bitrate von der Bandbreite und dem Signal-zu-Rausch Verhältnis;
- 5 eine Illustration zur Auslegung eines Kommunikationssystems;
- 6 eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems in einem Kraftfahrzeug;
- 7 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Empfangen von Informationen; und
- 8 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Senden von Informationen
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
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Die 1 illustriert eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Transmitters 100 für ein Kommunikationssystem.
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Der Transmitter ist mit einem Datenbus 150 verbunden und umfasst einen Modulator 110, der ausgebildet ist, ein Sendesignal zu erzeugen und dabei Informationen auf eine Mehrzahl von Subbändern 120a, 120b, 120c und 120d zu modulieren, wobei zumindest zwei der Subbänder eine unterschiedliche Bandbreite aufweisen. Die Modulation kann unter Verwendung beliebiger Modulationsverfahren und Schemata erfolgen. Jedes Subband kann wiederum eine Mehrzahl von Subträgern (Subcarriern) aufweisen, beispielsweise 256, 512 oder 1024. Im Beispiel sind 4 Subbänder 120a, 120b, 120c und 120d dargestellt, jedoch können in weiteren Ausführungsbeispielen eine beliebige größere oder kleinere Anzahl von Subbändern verwendet werden. In einem anderen Ansatz werden in mehrere Subbänder verwendenden Orthogonal Frequency Division Multiplex (OFDM) Verfahren Subbänder gleicher Bandbreite verwendet, die empfängerseitig mittels einer inversen Fourier Transformation getrennt werden, bevor eine Demodulation der übertragenen Informationen bzw. Bits erfolgt. Verglichen mit solch herkömmlichen Verfahren, kann die Modulation auf Subbänder unterschiedlicher Breite bewirken, dass in jedem Band stets die erforderliche Menge an Informationen übermittelt werden kann, während gleichzeitig die Elektronik der Transceiver, insbesondere ein Analog-zu-Digital-Wandler zum Digitalisieren eines Eingangssignals, nicht überdimensioniert werden muss, um die in herkömmlichen Anwendungen üblichen Leistungsreserven bereitzuhalten. Dies wäre sonst insbesondere dann erforderlich, wenn die Sendeleistung pro Subband nicht dynamisch angepasst wird. Wenn diese zeitlich konstant bleibt, ist die Implementierung wesentlich unkomplexer und kostengünstiger. Ferner entfällt der Kommunikationsoverhead vom Empfänger zum Sender zum Übermitteln der Empfangsleistung, der sonst erforderlich wäre.
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Der Vorteil unterschiedlich breiter Subbänder erschließt sich mit Blick auf den in 2 schematisch dargestellten Receiver und auf das Gesamtsystem, also auf ein Kommunikationssystem, dass mehrere Transmitter und Receiver aufweist, die über einen Datenbus miteinander in einer Daisy Chain verbunden sind, wie es in 5 schematisch dargestellt ist. Wenngleich zur besseren Trennung der Aspekte des Sendens und des Empfangens in den 1 und 2 Transmitter und Receiver zunächst getrennt dargestellt sind, sei darauf hingewiesen, dass in vielen praktischen Implementierungen ein einzelnes Gerät bzw. einer der in 5 dargestellten Knoten 520a, ..., 520d am Datenbus 510 sowohl senden als auch empfangen kann, also einen Transceiver enthält, wie er in Fig, 3 ebenfalls schematisch dargestellt ist.
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Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann jeweils immer nur einer der Transceiver eines der Knoten 520a-d zu einem Zeitpunkt und in einem Subband oder in mehreren Subbändern auf dem Kommunikationsmedium bzw. Datenbus 510 senden, wobei mehrere Transceiver gleichzeitig auf verschiedenen Subbändern senden. Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen können unterschiedliche Transceiver auch gleichzeitig in identischen Subbändern aber unter Verwendung unterschiedlicher Subcarrier senden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Receivers. Um mit dem Transmitter 100 der 1 kompatibel zu sein, enthält der Receiver 200 einen Demodulator 210, der ein Eingangssignal 220 mit mehreren Subbändern 220a, ..., 220d unterschiedlicher Breite demoduliert und die in einem Subband übermittelten Informationen rekonstruiert. In einem Kommunikationssystem sind Transmitter und Receiver in unterschiedlichen Knoten über einem Datenbus variabler Länge miteinander verbunden. Zusätzlich können sich in einer Daisy Chain Anordnung zwischen zwei kommunizierenden Knoten weitere Knoten befinden. Weitere zwischen zwei kommunizierenden Knoten liegende Knoten verursachen jeweils wiederum eine zusätzliche Signaldämpfung (insertion loss). Daher empfängt der Receiver nicht die vom Transmitter ausgesendete Leistung, sondern eine, die abhängig von der Länge des Datenbusses zwischen dem sendenden Transmitter und dem empfangenden Receiver und der Anzahl der dazwischen liegenden Knoten reduziert ist. Die derart reduzierte empfangene Leistung pro Subband 220a, ..., 220d ist schematisch für das Empfangssignal 220 in 2 angedeutet. 2 zeigt auf der X-Achse die Frequenz und auf der Y-Achse die Leistung normiert auf die Frequenz in dBm/Hz. In 2 ist das übliche Dämpfungsverhalten von Signalen auf einem elektrischen Leiter gezeigt, insbesondere, dass Signale höhere Frequenz stärker gedämpft werden als solche einer niedrigeren Frequenz. Dadurch ist die Signalleistung, die beim Empfänger ankommt, für Subbänder höherer Mittenfrequenz geringer als für Subbänder niedrigerer Mittenfrequenz, sofern die Sendeleistung für alle Subbänder ident ist.
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Fig, 3 lediglich der Vollständigkeit halber einen Transceiver 250, der mit dem Datenbus 150 verbunden ist. Der Transceiver 250 besitzt die Fähigkeiten des Transmitters 100 und des Receivers 200 der 1 und 2, sodass dieser sowohl Daten auf den Datenbus 150 übertragen als auch Daten von diesem lesen kann.
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4 zeigt eine Illustration der Abhängigkeit der übertragbaren Bitrate von der Bandbreite eines Subbands und dem Signal-zu-Rausch Verhältnis. Ein ADC, der in einem Receiver ein Eingangssignal digitalisiert, muss so dimensioniert werden, dass er in allen Anwendungsfällen und Konfigurationen des Kommunikationssystems die gesamte empfangene Leistung digitalisieren kann. Dabei bedingt die gewählte Modulationsart eine Mindestauflösung des ADC und zusammen mit der zu erwartenden maximalen Leistung die Anzahl der Quantisierungsstufen und den dynamischen Bereich des ADC. Das zu digitalisierende Eingangssignal ist das Basisbandsignal. Je mehr Quantisierungsstufen ein ADC hat, desto mehr Halbleiterfläche benötigt er, desto kostspieliger und eventuell auch langsamer wird er. Die Leistungsanteile, die bei der Auslegung eines das Eingangssignal breitbandig digitalisierenden ADCs in einem Receiver zu berücksichtigen sind, sind schematisch in 3 dargestellt.
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In anderen Ausführungsbeispielen könnte das Eingangssignal auch ein von einem Trägersignal herabgemischtes Basisbandsignal sein, wenn das Medium des Datenbusses die höheren Frequenzen bei der Verwendung eines Trägersignals transportieren kann.
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Für die folgende Betrachtung wird im Wesentlichen die Eigenschaft des Kanals (insbesondere die Kanaldämpfung) für die Auslegung des Systems betrachtet. Demzufolge werden Rauschanteile des Prozessrauchens 310, das im Wesentlichen durch die Auslegung der Hardware, der Leitungen sowie des PCB Designs gegeben ist und des Grundrauschens, das im Sinne eines Umgebungsrauschens im Fahrzeug verstanden werden kann, nicht eingehender besprochen. Beim Systemdesign zu berücksichtigen sind dann die Anteile der Kanaldämpfung 320 und der zu übertragenden Bitrate bzw. Informationsmenge pro Subband 330. Letztere wird durch das Gesetz von Shannon-Hartley beschrieben, das in 3 wiedergegeben ist. Dieses beschreibt die Anzahl von übertragbaren Bits in Abhängigkeit von der Bandbreite B des Subbands und dem Signal- zu Rauschverhältnis S/N. Wählt man die Bandbreite B zu 1 Hz erhält man daraus die auf die Frequenz normierte Darstellung, also die pro Bandbreite übertragbare Anzahl von Bits. Die maximal erlaubte Länge des Datenbusses und die maximal erlaubte Anzahl von Knoten definiert die maximale Kanaldämpfung und findet über die reduzierte Signalleistung und das Signal- zu Rauschverhältnis Eingang in die Gleichung.
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Wollte man beispielsweise eine Bitrate von 10Bit/Hz übertragen, ergäbe sich aus der Gleichung ein erforderliches S/N knapp über 30dB.
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Gäbe man, wie in herkömmlichen Systemen und anders als in 2 dargestellt, allen Subbändern die gleiche Bandreite, müsste man entweder den ADC überdimensionieren oder verschenkte Bitrate, da die Kanaldämpfung von Abstand zwischen kommunizierenden Knoten und insbesondere frequenzabhängig ist. Nimmt man zunächst ein übliches Verhalten ein mit der Frequenz steigender Kanaldämpfung an, wird das S/N mit steigender Frequenz geringer. Wollte man pro Subband dieselbe Informationsmenge übertragen, müsste man den ADC so auslegen, dass er mit der erforderlichen Auflösung die Eingangssignale des hochfrequentesten Subbands digitalisieren kann. Dies hätte zur Folge, dass der ADC für die Subbänder niederer Frequenz überdimensioniert werden müsste, um deren höhere Empfangsleistung ebenfalls ohne Clipping verarbeiten zu können. Wollte man dies nicht, verschenkte man Bitrate.
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Nähme man beispielsweise realistisch eine linear fallende Kanaldämpfung (beispielsweise zwischen 0,1 - 0,5dB/m) zwischen einer Frequenz fl von 100kHz und einer Frequenz f2 von 300 MHz an, ergäbe sich zur Auslegung eines Kommunikationssystems bei geforderter konstanter Bitrate pro Subband und 4 Subbändern 220a, ..., 220d die in 4 dargestellte Situation. Zusätzlich kann realistisch ein Insertion Loss je Knoten von 1, 5 dB und konstant über die Frequenz angenommen werden.
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Für die Berechnung der Breiten der einzelnen Subbänder Subbändern 220a, ..., 220d sind die schlechtest - möglichen S/N Werte zu verwenden. Dies sind aufgrund der monoton mit der Frequenz steigenden Dämpfung die jeweils mit einem X markierten Werte am oberen Ende jedes der Subbänder 220a, ..., 220d. Daraus ergibt sich bei geforderter Bitrate die Breite der jeweiligen Subbänder oder bei vorgegebener Bandbreite die Bitrate pro Subband. Verlangt man beispielsweise eine identische Bitrate pro Subband, resultiert dies darin, dass die von den einzelnen Subbändern 520a, ..., 520d aufgespannte effektive Fläche (Breite des Subbandes mal Dämpfung am kritischen Punkt) identisch ist. Verlangt man pro Subband unterschiedliche Übertragungsbandbreiten bzw. Bitraten, können sich selbstverständlich auch unterschiedliche Bandbreiten für die Subbänder ergeben, wenn man beispielsweise die verwendeten ADC's effizient dimensionieren will.
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6 zeigt als eine mögliche Verwendung des hierin beschriebenen Konzeptes eine schematische Darstellung eines Kommunikationssystems in einem Kraftfahrzeug 500. Das Kommunikationssystem besitzt einen drahtgebundenen Datenbus 510, an den mehrere Knoten 520a, ..., 520d gekoppelt sind. Die Knoten 520a, ..., 520d sind an dem Datenbus 510 seriell in einer Daisy-Chain-Anordnung angeordnet. Jeder der Knoten 520a, ..., 520d enthält einen Transmitter oder einen Receiver, oder beides, insbesondere wenn die einzelnen Knoten unterschiedliche Zonen einer zonalisierten Architektur in einem Kraftfahrzeug 500 miteinander verbinden. Der Datenbus 510 ist ein kabelgebundener passiver Datenbus 510 und ist somit im Vergleich zu beispielsweise schnurlosen Systemen ein gutes und stabiles Transportmedium. Beispielsweise kann ein Datenbus gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein oder mehrere Adernpaare Unshielded Twisted Pair (UTP), gemanteltes UTP, oder Shielded Twisted Pair (STP) verwenden. Genauso können ein oder mehrere Koaxialkabel oder Glasfasern verwendet werden. In der passiven Daisy Chain Anordnung verstärken die einzelnen Knoten 520a, ..., 520d das Signal nicht aktiv, die Elektronik ist intern beispielsweise über möglichst kurze Stichleitungen mit dem Datenbus verbunden. Zwischen den möglicherweise zwei Anschlüssen zum externen Anstecken der Knoten an den Datenbus bildende Leitungssegmente sind in der passiven Ausführung innerhalb der Knoten die beiden Anschlüsse miteinander verbunden, bzw. die Anschlüsse sind durchgeschleift.
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Der Vollständigkeit halber werden nachfolgend und anhand der 7 und 8 die wesentlichen Schritte der in den oben beschriebenen Transmittern oder Receivern durchgeführten Verfahren erneut kurz beschrieben.
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Ein Verfahren zum Empfangen von Informationen umfasst zunächst optional das Empfangen eines Transportsignals 610 von einem Datenbus als ein Eingangssignal für einen ADC. Das Eingangssignal wird von dem ADC digitalisiert 620. Ferner umfasst das Verfahren ein Demodulieren 630 von zumindest zwei Subbändern unterschiedlicher Breite im Eingangssignal um jeweils die in den Subbändern übermittelten Informationen (beispielsweise Datenbits) zu rekonstruieren.
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Ein Verfahren zum Senden von Informationen, umfasst das Modulieren von Informationen auf ein erstes Subband 710 und das Modulieren von Informationen (beispielsweise Datenbits) auf ein zweites Subband 720, wobei das erste Subband und das zweite Subband eine unterschiedliche Bandbreite aufweisen. Ferner umfasst das Verfahren ein Senden eines das erste Subband und das zweite Subband umfassenden Sendesignals 730. Das Sendesignal kann beispielsweise unmittelbar das aus den Subbändern bestehende Signal sein oder dieses Signal kann auch ein Signal sein, das durch Mischen des Signals der Subbänder auf ein Transportsignal erzeugt wird.
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Zusammengefasst ermöglichen die vorhergehend diskutierten Ausführungsbeispiele der Erfindung OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiplex mit einer zusätzlichen Trennung von Sub-Bands) als Physical Layer für beispielsweise Ethernet mit einer breitbandigen Verbindung aller Knoten über eine passive Daisy Chain. Dies erlaubt unter anderem eine Auslegung des Analog Digital Wandlers (ADC) unter Berücksichtigung der geforderten Bitraten, der Kanaldämpfung (Daisy Chain) und der Bandbreite (in Hz oder Anzahl Subcarriers) der Sub-Bands.
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Wenngleich im Vorhergehenden die Ausführungsbeispiele der Erfindung im Wesentlichen durch eine Anwendung im Kraftfahrzeug motiviert wurden, können weitere Ausführungsbespiele in beliebigen anderen Anwendungen eingesetzt werden, in denen eine robuste und flexible Datenkommunikation erforderlich ist. Auch können zur Auslegung des Kommunikationssystems und zur Festlegung der Bandbreiten der Subbänder weitere Kriterien herangezogen werden als nur die Dämpfung des Kanals selbst. Beispielsweise kann in einigen Anwendungen die spektrale Sendeleistung limitiert sein, wie es beispielsweise der Standard G.HN sowohl für den Anwendungsfall der Datenübertragung über Koaxialkabel als auch über Telefonkabel vorsieht (ITU-T G.9660). Solche spektralen Masken könne leicht gemäß den obigen Überlegungen bei der Konzeption eines Kommunikationssystems berücksichtigt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Transmitter
- 110
- Modulator
- 120
- Sendesignal
- 120a, .., 120d
- Subband
- 150
- Datenbus
- 200
- Receiver
- 210
- Demodulator
- 220
- Eingangssignal
- 220a, .., 220d
- Subband
- 250
- Transceiver
- 310
- Prozessrauschen
- 320
- Kanaldämpfung
- 330
- für Informationsübertragung erforderliche Leistung
- 350
- Dimensionierungsbereich
- 500
- Kraftfahrzeug
- 510
- Datenbus
- 520a, ..., 520d
- Knoten
- 610
- Empfangen
- 620
- Digitalisieren
- 630
- Demodulieren
- 710
- Modulieren
- 720
- Modulieren
- 730
- Senden
