Infotainmentsysteme im Kraftfahrzeug (eBook)

Professor Dr.-Ing. Ansgar Meroth lehrt an der Hochschule Heilbronn Informatik, insbesondere Informationssysteme im Kfz. Dr.-Ing. Boris Tolg arbeitet seit seiner Promotion in Informatik im Bereich Car Multimedia eines großen Automobilzulieferers.

Vorwort 6
Autorenverzeichnis 8
Beiträge und Mitarbeiter 10
Inhaltsverzeichnis 12
1 Einführung 17
1.1 Anwendungen 18
1.1.1 Entertainment 18
1.1.2 Information 18
1.1.3 Assistenz 19
1.1.4 Kommunikation 21
2 Akustik und Audiotechnik 23
2.1 Schall und Hören 24
2.1.1 Grundgrößen der Akustik 25
2.1.2 Schallausbreitung im Raum 27
2.1.3 Hören 30
2.1.4 Raumwahrnehmung 32
2.1.5 Maskierung und Störgeräusche 33
2.2 Signale und Systeme 34
2.2.1 Lineare zeitinvariante Systeme 34
2.2.2 Faltung 35
2.2.3 Signale im Frequenzbereich 36
2.2.4 Filter 40
2.2.5 Rauschen 43
2.3 Digitale Audioelektronik 44
2.3.1 Digitale Zahlendarstellung 45
2.3.2 Abtastung und Digitalisierung 46
2.3.3 D/A-Wandlung 53
2.3.4 Deltamodulation 54
2.3.5 Sigma-Deltamodulation 55
2.3.6 Pulsweitenmodulation 57
2.3.7 Diskrete Transformationen 58
2.3.8 Digitale Filter 60
2.3.9 Darstellung von Audiosignalen bei Speicherung und Übertragung 62
2.4 Verstärker 63
2.4.1 Stetige Endstufen 64
2.4.2 Geschaltete Endstufen 66
2.5 Wiedergabe von akustischen Signalen 68
2.5.1 Eigenschaften 69
2.5.2 Weitere Wandlerprinzipien 74
2.5.3 Bauformen und Ausführungen von Lautsprechern 75
2.5.4 Einbau und Gehäuse 76
2.5.5 Frequenzweichen 78
2.5.6 Anforderungen an Audiosysteme im Automobil 80
2.5.7 Integration ins Fahrzeug 81
2.6 Mikrophone 82
2.6.1 Wirkung und Bauformen 83
2.7 Sprachverarbeitung 87
2.7.1 Sprachausgabe 87
2.7.2 Spracheingabe 89
2.8 Zum Weiterlesen 90
2.9 Literatur zu Audiotechnik 92
3 Anzeigetechnik 95
3.1 Licht und Sehen 97
3.1.1 Sehen 97
3.1.2 Lichtmessung 100
3.1.3 Räumliches Sehen 101
3.1.4 Material und Farbe 101
3.1.5 Farbmessung und Farbsynthese 103
3.2 Displaytechnik 106
3.2.1 Aufbau von Bildern 106
3.2.4 Flüssigkristallanzeigen 113
3.2.5 Emissive Anzeigen 120
3.2.6 Flat Panel Monitore 123
3.3 Einsatz von Anzeigen im Fahrzeug 124
3.3.1 Kombiinstrument 124
3.3.2 Displays am Fahrerarbeitsplatz 126
3.3.3 Weitere Displays 127
3.4 Zum Weiterlesen 128
3.5 Literatur zu Anzeigetechnik 129
4 Haptische Bedienschnittstellen 131
4.1 Einführung 132
4.1.1 Grundlagen zur Haptik 132
4.1.2 Betätigungshaptik 137
4.2 Analyse existierender Bedienelemente 137
4.2.1 Bedienelemente im Markt 138
4.2.2 Technische Beschreibung von Bedienelementen 143
4.2.3 Schaltgeräusch 151
4.2.4 Funktionsprinzipien von Touchscreen-Displays 152
4.3 Haptisches Design 155
4.3.1 Haptische Grundlagenuntersuchungen 155
4.3.2 Stand der Forschung 156
4.4 Ausblick 158
4.5 Zum Weiterlesen 158
4.6 Literatur zur Haptik 159
5 Netzwerke im Fahrzeug 163
5.1 Schichtenmodell der Kommunikationstechnik 166
5.2 Schicht 1: Physikalische Bitübertragung 168
5.2.1 Leitungen 168
5.2.2 Transceiver 171
5.2.3 Optische Übertragungstechnik 174
5.2.4 Netzwerktopologien 176
5.2.5 Synchronisation, Leitungscodierung und Modulation 177
5.3 Schicht 2: Sicherungsschicht 180
5.3.1 Rahmenbildung 180
5.3.2 Medienzugri.– MAC 182
5.3.3 Kommunikationssteuerung 183
5.3.4 Zeitverhalten 184
5.3.5 Fehlerbehandlung 185
5.4 Schicht 3: Vermittlungsschicht 187
5.5 Schicht 4: Transportschicht 189
5.6 Quality of Service (Dienstg ute) 190
5.7 TCP/IP Stack 191
5.7.1 IPv4 191
5.7.2 IPv6 192
5.7.3 TCP und UDP 194
5.8 Höhere Protokollschichten 196
5.9 Fahrzeuginterne Netzwerke 197
5.9.1 LIN 197
5.9.2 CAN 199
5.9.3 Zeitgesteuerte Bussysteme 201
5.9.4 Integration ins Fahrzeug 202
5.10 MOSTR – Media Oriented Systems Transport 203
5.10.1 Netzwerkkonzept 203
5.10.2 Protokollstruktur 205
5.10.3 Power- und Netzwerk-Management 209
5.11 IEEE 1394 FireWire 210
5.12 Speicherung von Daten im Kfz 216
5.12.1 Flash-Speicher 217
5.12.2 Optische Medien 217
5.12.3 Anwendungen 220
5.13 Zum Weiterlesen 220
5.14 Literatur zu Netzwerken im Fahrzeug 222
6 Konnektivität 225
6.1 Motivation 225
6.2 Kommunikationsbereiche 226
6.3 Allgemeine Grundlagen 227
6.4 Modulationsverfahren 229
6.4.1 Grundlagen 230
6.4.2 Phase Shift Keying – PSK 230
6.4.3 Quadrature Amplitude Modulation – QAM 231
6.4.4 Orthogonal Frequency Division Multiplexing – OFDM 231
6.4.5 UltraWideBand – UWB 233
6.4.6 Scrambling 233
6.5 Kompression und Verschlüsselung 234
6.5.1 Datenkompression 234
6.5.2 Verschlüsselungstechnologien 234
6.6 Mobilfunknetze – Kommunikation weltweit 235
6.6.1 Grundsätzlicher Aufbau von Mobilfunknetzen 235
6.6.2 Eingesetzte Technik an der Luftschnittstelle 239
6.6.3 Mobilfunknetze der 2. Generation 241
6.6.4 Mobilfunknetze der 3. Generation 247
6.6.5 WiMAX 253
6.6.6 Zusammenfassung Mobilfunknetze 255
6.7 Broadcast-Netze 255
6.7.1 Digitales Fernsehen (DVB) 255
6.7.2 Digitaler Rundfunk und Multimedia (DAB, DMB) 257
6.7.3 Positionierung 258
6.8 Kommunikation im Nahbereich 262
6.8.1 WLAN 262
6.8.2 DSRC 265
6.9 Kommunikation im Auto und ums Auto herum 268
6.9.1 Bluetooth 268
6.9.2 Universal Serial Bus (USB) 276
6.9.3 RFID 278
6.10 Vereinheitlichung 279
6.10.1 CALM 280
6.11 Zum Weiterlesen 281
7 Plattform-Software 283
7.1 Softwarearchitekturen 283
7.1.1 Notation 284
7.3 Betriebssysteme 310
7.3.1 Parallelisierung 311
7.3.2 Prozesskommunikation 312
7.3.3 Prozessplanung – Scheduling 313
7.3.4 Speichermanagement 315
7.4 System- & Powermanagement
7.4.1 Beispielarchitektur 320
7.5 Diagnose 324
7.5.1 Beispielarchitektur 325
7.6 Ressourcenmanagement 328
7.6.1 Beispielarchitektur 330
7.7 Zum Weiterlesen 334
7.8 Literatur zur Plattformsoftware 335
8 Usability – Der Mensch im Fahrzeug 337
8.1 Benutzerzentrierte Gestaltung von Benutzungsschnittstellen 337
8.1.1 Usability 337
8.1.2 Benutzerzentrierte Gestaltung 339
8.1.3 Nutzungskontextanalyse 342
8.1.4 Entwurf 345
8.1.5 Prototyping 347
8.1.6 Evaluation 348
8.1.7 Dokumentation 351
8.1.8 Gestaltungsziele jenseits von Usability 352
8.2 Informationsverarbeitung beim Menschen 353
8.2.1 Usability in dynamischen Kontexten 353
8.2.2 Informationsverarbeitungsmodell und Situation Awareness 354
8.2.3 Psychologische Konstrukte und Prozesse 356
8.2.4 Zwei Anwendungsbeispiele 362
8.3 Fahrsimulation 364
8.4 Zum Weiterlesen 366
8.5 Literatur zu Usability 367
Sachwortverzeichnis 373

6 Konnektivität (S. 209-210)

Lothar Krank, Andreas Streit Neben die Kapitel über die sehr fahrzeug-spezifischen Technikthemen wollen wir ein weiteres stellen, das die " Verbundenheit" eines Fahrzeugs zu seiner Umwelt zum Thema hat. Umwelt steht hier für alle und alles, mit denen Fahrzeuge, ihre Lenker und ihre Insassen Kontakt aufnehmen können und müssen. Lange Jahrzehnte beschränkte sich dieser Kontakt auf Formen der audio-visuellen Wahrnehmung wie das Hupen, das Blinken, das Anfeuchten der Bremslichter oder die Aufnahme von Informationen über Verkehrsschilder. Es kam die Übertragung von Information und Unterhaltung hinzu in Form eines Autoradios, das sich immer mehr zum zentralen Teil der Informationsbereitstellung im Fahrzeug entwickelte (z.B. Verkehrsfunk).

Heute finden wir im Fahrzeug den Zugang zum Internet, das private Mobiltelefon, die Navigation und – je nach beru.ichem Bedarf – diverse andere Geräte mit Kommunikationsmöglichkeit wie z. B. Tracking-Geräte zur Verfolgung des Fahrzeugs (bei Speditionen). Die Vernetzung mit anderen Stellen ist vielfältig geworden. Immer noch ist der Informationsfluss ins Fahrzeug größer als der nach außen.

Immer noch ist die Kommunikation mit anderen Fahrzeugen weitgehend auf die oben beschriebenen Funktionen – Hupen, Blinken, Bremslicht – beschr¨ankt. Aber auch hier stehen die Zeichen in Richtung Ver¨anderung. Die automatische Kommunikation zwischen Fahrzeugen wird kommen – früher oder später. Welche Techniken der Kommunikation heute und morgen Anwendung .nden und .nden werden, ist Thema der folgenden Paragraphen.

Aufgrund der Natur der Sache – ein Fahrzeug macht ja nur Sinn, wenn es sich " frei" bewegen kann – werden die Funktechniken in den verschiedenen Bereichen den Schwerpunkt bilden. Draht-gebundene Kommunikation spielt praktisch nur eine Rolle im Fahrzeug selbst. Neben der Technik sollen auch die Anwender und die Anwendungen, die sich der Kommunikation bedienen, eine Rolle in diesem Kapitel spielen.

6.1 Motivation

Kommunikation in und ums Fahrzeug ist nicht Selbstzweck. Dazu ist ihre Realisierung in einem Markt, der bei der Umsetzung von Funktionen mit jedem Eurocent rechnet, zu teuer. Bleibt die Frage: Wer will warum mit wem welche Kommunikation? Die Frage würde noch besser lauten: Wer will warum mit wem wann welche Information austauschen? Denn der Wunsch nach Informationsaustausch treibt das Vorangehen auf diesem Gebiet, die Frage der Kommunikationstechnik stellt sich dabei erst in zweiter Linie. Die " Mitspieler" rund ums Fahrzeug sind vielf¨altig. Da ist zunächst der Fahrer, der aber nicht zwangsläufig der Halter ist, und andere Fahrzeuginsassen. Es folgt der Fahrzeughersteller, der Versicherer, die Bank (Finanzierung), der Flottenbetreiber (Spedition, Taxiunternehmen, Leasing .rma), die Service-Zentren und nicht zuletzt der Staat.

Der möchte z.B. wissen, welche mautpflichtige Strecke ein entsprechendes Fahrzeug genutzt hat und in Zukunft – so wird jedenfalls in den USA die nächste Abgasvorschrift OBD3 diskutiert [Rok06] – die Funktionstüchtigkeit der abgasrelevanten Systeme im Fahrzeug individuell und online überwachen. Bei soviel Interesse liegt schon jetzt der Verdacht nahe, dass zum guten Schluss bei der Findung der Anforderungen an Kommunikation das größte gemeinsame Vielfache als Resultat auf dem Tisch liegen wird – möglichst viel Information, möglichst schnell und möglichst zu jeder Zeit. Dass darin eine gewisse Herausforderung bei der Realisierung steckt, ist später noch ein Thema. Bei der Finanzierung der Anforderungen spielt dann eher der kleinste gemeinsame Nenner eine Rolle: wenn es geht, noch günstiger.