¿La tecnología del futuro? De la transmisión eléctrica de datos a la transmisión óptica en el vehículo

Transmisión óptica de datos: una tecnología habitual en los centros de datos que va a revolucionar la transmisión de los datos en el sector de la automoción

Desde hace años, la tecnología Ethernet pisa cada vez más fuerte en el mundo de la automoción, lo cual supone importantes cambios en la arquitectura de la red de a bordo. Esto se debe a algunas causas como el continuo aumento de las cantidades de datos por parte de los ADAS, a la conducción automatizada y autónoma y al creciente número de sensores, cámaras y pantallas en el vehículo. Además, la transformación en la forma de uso de los vehículos como consecuencia de la conducción autónoma requiere las correspondientes cantidades de datos. Y es que el vehículo del futuro podrá utilizarse, por ejemplo, como oficina o salón. Otro motivo del uso de la tecnología Ethernet es reducir la complejidad del mazo de cables y fabricarlo de forma automatizada.

Desde hace mucho tiempo, en los grandes centros de datos del mundo vemos la tendencia de que los sistemas de Ethernet clásicos están siendo reemplazados por la transmisión óptica de datos. Esto está muy avanzado en el ámbito de las telecomunicaciones.

A este respecto, se plantean las preguntas de por qué se están sustituyendo los sistemas Ethernet clásicos por transmisión óptica de datos, en qué se diferencian estos sistemas y cuáles son las ventajas, los inconvenientes y los límites de ambos sistemas. Estas son justamente las cuestiones de las que nos ocuparemos en este artículo.

Sistemas ópticos o cobre: las tecnologías de transmisión y sus particularidades físicas

Si nos fijamos en la estructura del canal de transmisión, encontramos diferencias fundamentales en el funcionamiento de cada una de las tecnologías de transmisión. Mientras que en la transmisión eléctrica de los datos los electrones se encargan de la transmisión de los distintos valores de tensión, en la transmisión óptica los fotones envían una especie de «código Morse» con el que la fuente de luz se enciende y se apaga a una frecuencia elevada.

Si echamos un vistazo a la velocidad de transmisión, la transmisión electromagnética de datos alcanza los 230 000 km/s, una velocidad mayor que en la transmisión óptica, dado que la velocidad de la luz en la fibra de vidrio solo llega a los 200 000 km/s. Pero este es un planteamiento erróneo, ya que en la transmisión electromagnética de datos los efectos físicos desempeñan un papel importante.

Un factor esencial es la amortiguación, que en la transmisión eléctrica aumenta de forma desproporcionada con la frecuencia de transmisión. Otro factor de influencia adicional es la longitud del enlace de transmisión, que potencia aún más este efecto. Por tanto, con velocidades de transmisión más allá de los 10 Gbit/s, en el caso de la transmisión eléctrica es necesario limitar la longitud de los cables (p. ej., 10 Gbit/s a 15 m o 25 Gbit/s a 11 m). Las posibilidades de compresión de lo que se denomina la modulación por amplitud de pulsos (PAM 4-PAM16) también se utilizan para la transmisión de mayores velocidades con el fin de poder alcanzar la velocidad necesaria a lo largo de los trayectos de conexión.

Además, es necesario limitar el número de las llamadas conexiones inline. Actualmente, la industria de los chips está intentando encontrar soluciones para mejorar la integridad de la señal con el fin de evitar la transmisión multi-lane (varios cables en paralelo) con velocidades de transmisión superiores a 25 Gbit/s. Se están utilizando algunas tecnologías del procesamiento digital de señales (DSP) como, por ejemplo, ecualizadores, Common Mode Choke, DC Block, filtros EMI y lanes resistentes a descargas electrostáticas con el fin de posibilitar la integridad de la señal a través de medidas en el equipo de control. Estas medidas ofrecen una mayor velocidad de transmisión, pero también afectan al tamaño de placa requerida, a la inmunidad CEM y, por tanto, al coste.

Si observamos la transmisión óptica de datos, se aprecia claramente que la legitimidad física abre un campo muy amplio, que ya se está utilizando en los centros de datos. Con la escasa amortiguación de, por ejemplo, los cables de fibra de vidrio, es posible alcanzar una transmisión de 25 Gbit/s a lo largo de 40 m como mínimo con NRZ (non Return to Zero). Esto significa que se puede realizar una transmisión sin compresión, lo cual reduce la complejidad de la transmisión en el equipo de control, ya que con esta velocidad de transmisión no es necesario realizar el esfuerzo que conllevan la modulación DSP y PAM. Otra ventaja es que, al suprimirse estas medidas, se puede ganar superficie en el equipo de control. Además, la transmisión óptica de datos va a la cabeza en el ámbito de la compatibilidad electromagnética (CEM), ya que tanto el plástico como el gas no permiten ningún efecto ocasionado por campos eléctricos y magnéticos. Por lo tanto, esta tecnología es ideal para el uso en áreas sensibles del vehículo, como los sistemas de gestión de la batería, y para utilizarla con aislamiento galvánico o también en el ámbito de las antenas HF.

¿Transmisión óptica de datos como tecnología del futuro en el vehículo?

Con todos estos pros y contras, se plantea la cuestión de en qué momento sería recomendable pensar en un cambio de paradigma en la transmisión de los datos en automoción.

En una encuesta interna de MD realizada entre distintos especialistas, aún existe una gran diversidad de opiniones al respecto, ya que en el mercado actual aún hay pocas empresas que utilicen esta tecnología. En la encuesta se compararon los niveles de transmisión de datos de 10 Gbit/s, 25 Gbit/s y 50 Gbit/s establecidos por el IEEE, teniendo en cuenta aspectos como el esfuerzo técnico, el esfuerzo económico y el nivel de aceptación de los clientes.

Los resultados sobre el esfuerzo técnico se determinaron mediante las medidas necesarias para la CEM, los valores límite (p. ej., pérdida de inserción, diafonía), la complejidad de los chips, el número de conectores Inline, el esfuerzo de diseño para minimizar las reflexiones y si se alcanza la frecuencia de transmisión necesaria. En la evaluación también se incluyó la longitud de enlace alcanzable.

Para valorar el coste se tuvo en cuenta una estimación del esfuerzo económico necesario para un enlace de transmisión, incluyendo la conexión chip a chip, así como todas las medidas necesarias en la placa para permitir una transmisión segura de los datos por cada velocidad de transmisión y con las condiciones requeridas.

Otro punto importante en la evaluación fue el nivel de aceptación por parte de los clientes, que se determinó con la aceptación de la tecnología de transmisión y la aplicabilidad en las empresas OEM y Tier1. A este respecto, se elaboró una estimación del esfuerzo necesario, por ejemplo, para pruebas de autorización, costes de autorización y esfuerzo de instalación en los vehículos.

A partir de estas cuestiones se calcularon los valores promedio para cada uno de los diagramas correspondientes. Existe una relativa precisión acerca del punto en el que el esfuerzo de la transmisión eléctrica de datos superará al de la transmisión óptica, y como muy tarde será en ese momento cuando la industria automovilística marcará el rumbo hacia la transmisión óptica de datos.

Esfuerzo técnico para alcanzar la velocidad de transmisión de los datos

El motivo de ello es que en el rango entre 10 y 25 Gbit/s, el coste para alcanzar la calidad necesaria de la señal aumenta de forma exponencial. Incluso cabría pensar que puede ser superior al coste de introducir una nueva tecnología a medio plazo. Esto ocurrirá, como muy tarde, cuando se superen los 25 Gbit/s, ya que a partir de esta velocidad se requieren 2 cables (p. ej., cables H-MTD) en paralelo para obtener un enlace de cobre que funcione correctamente.

Coste de las distintas velocidades de transmisión

Otro punto importante para la introducción de la transmisión óptica de datos es el grado de aceptación por parte de los clientes. Si se observa la encuesta (véase la figura 3), se aprecia que la tecnología óptica requiere aún más promoción con el fin de prepararla para la fabricación en serie en el sector de la automoción. Suponiendo que la introducción se realice para 25 Gbit/s, nos va quedando poco tiempo para conseguir un inicio regulado de la producción en serie, ya que la autorización de una nueva tecnología lleva algo más de tiempo que la autorización de tecnologías ya conocidas.

Aceptación de las tecnologías para cada velocidad de transmisión de datos

Solo será posible obtener una rápida aceptación si se exponen las numerosas ventajas, como la resistencia mecánica, la independencia CEM, el sencillo aislamiento galvánico y la reducción del espacio de montaje y el peso.

El cobre, un recurso escaso

Otro factor que desempeña un papel esencial en el cambio de paradigma es la disponibilidad de recursos como el cobre, que, debido a la creciente demanda, se volverá escaso mucho antes de lo esperado. El motivo de esto es el enorme aumento en el consumo de la red de a bordo de energía, que requiere considerar alternativas para la red de a bordo de datos. En este caso, la transmisión óptica de datos sería la solución idónea, ya que no contiene ningún componente de cobre, por lo que la red de a bordo no estaría afectada por este problema.

¿Cuándo se va a imponer la transmisión óptica de datos en el vehículo?

Finalmente, surge la cuestión sobre cuándo sería un momento posible para el uso de la transmisión óptica de datos en el automóvil. Este tema también se trató en la encuesta y el resultado fue bastante sorprendente, ya que las opiniones difieren mucho al respecto. A partir del análisis de los puntos de introducción más próximos, en la figura 4 se aprecia que, cuanto mayor era la velocidad de transmisión, más apostaron los encuestados por la solución óptica. Es de suponer que la transmisión óptica multigigabit iniciará las primeras aplicaciones de serie en 2026 y que, a partir de entonces, esta tecnología irá conquistando progresivamente el mercado.

¿Cuándo se va a imponer la tecnología óptica como medio de transmisión en la red de a bordo del vehículo?

Conclusión

Si consideramos todos estos aspectos, rápidamente llegamos a la conclusión de que ya no falta mucho hasta que se empiece a utilizar la transmisión óptica como nueva tecnología, ya que la demanda de una solución para todos estos problemas es cada vez mayor. Además, la estandarización del IEEE802.3cz habrá concluido a principios de 2023, momento en que comenzará la capa física de la Open Alliance, por lo que se prevé que en 2024 se habrá fijado la estandarización de la transmisión óptica multigigabit.

Por este motivo, MD ELEKTRONIK trabaja intensamente ya desde hoy en la transmisión óptica de datos en el vehículo, desarrollando soluciones para la tecnología del mañana.