如何化解与 V2X 相关的频谱挑战

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摘要:Wi-Fi 和 5G 被认为是自动驾驶汽车的推动力,其挑战在于这些技术如何协同工作并共存——频谱干扰可能会对车辆的运行和乘客安全产生不利影响。本文讨论了支持车辆互联的技术,以及高选择性滤波器解决方案如何解决 Wi-Fi 与 V2X 间的共存,以实现车辆通信。

关键词:V2X;频谱;RF;滤波器;BAW

引言

1)车辆互联基础知识

为了让真正的自动驾驶汽车能够在没有人工干预的情况下导航,所有类型的数据都必须与其它车辆及周围的基础设施连续且实时地共享。

这将通过车联万物(V2X)通信系统来实现。V2X 包括车对车(V2V)、车对基础设施(V2I)、车对网络(V2N)和车对行人(V2P)等多个层面的通信。

V2X 基于 5.9 GHz 专用短距通信,专为快速移动的物体而设计。即使在非视线条件下,也可以建立可靠的无线电链路。这种可信链路使驾驶员能够意识到前方的危险,从而减少潜在的汽车碰撞、死亡和伤害。

此外,V2X 能够预警即将发生的交通拥堵并建议替代路线,以此提升全球运输效率并减少 CO2 排放,并带来减少车辆维护的额外收益。

实现自主汽车的全部潜力相对复杂,因为 V2X 既可以是采用蜂窝技术创建直接通信链路的 C-V2X(蜂窝车联网),也可以是基于 IEEE 802.11p 标准的 DSRC(专用短程通信),后者还曾一度是唯一可用的 V2X 技术。

不同的汽车制造商和国家/地区都在支持一种或另一种标准,但是都利用相同的频谱来解决相同的问题,并且各标准间可以共存。

2)了解链接技术

为了更好地理解实现信号共存的挑战,我们必须研究与车辆连接性有关的技术及其功能(图1)。因为每种技术都有自身的特点,它们必须在不降低其它技术性能的情况下进行互动。

2.1

图1. 车辆互联技术

这些技术包括:

  • 用于汽车安全的 V2X(DSRC、C-V2X): V2X 将同车辆、路边基础设施以及整个环境进行通信,以提高安全性并为自动驾驶开辟道路。
  • 面向车辆OEM服务的4G/5G云连接: 用于4G/5G连接的应用程序可以包括远程诊断和监控汽车运行情况、进行空中下载软件更新、执行远程操作,以及操作共享自动驾驶车队。
  • 用于行车体验的4G/5G云连接: 驾驶员和乘客都能够使用这种连接来享受全新行车体验,涵盖从基于增强现实的导航,到后座娱乐与音乐流媒体服务。
  • 打造卓越车内体验和汽车经销商服务的Wi-Fi: 驾驶员和乘客可以享受许多基于Wi-Fi的增强型车内体验。例如,整个车辆的有效Wi-Fi连接可以支持将超高清(ultra-HD)视频流传输至多个显示器,并获得兼容设备及无线倒车摄像头的屏幕镜像。Wi-Fi还可以支持汽车经销商服务,从而实现自动检入、诊断数据传输和软件更新。
  • 蓝牙: 驾驶员和乘客可通过蓝牙传输高保真音乐,并从一些实用服务中受益,例如将智能手机用作遥控钥匙。
  • SDARS(卫星数字音频无线电服务):借助与基于卫星的无线服务的连接,无论身在何处,车辆乘员都可以收听到自己钟爱的无线广播节目。

5G 和 LTE 的共存挑战

基于对各种技术功能/优势的理解,我们可以更好地应对共存挑战——特别是与 5G 和 LTE 的兼容性。

5G,即第五代蜂窝技术,可以提高数据速率,减少等待时间并增强无线服务的灵活性。5G 频谱分为 Sub-6 GHz 和毫米波。

Wi-Fi 工作在 2.4 GHz、5.2 GHz 和 5.6 GHz 频谱,并且 2.4 GHz Wi-Fi 必须与 LTE B40 和 B41 频段共存。凭借更大的带宽,能够在 5 GHz 频段中将更多信道捆绑在一起 ,因而 5 GHz Wi-Fi 可以获得比 2.4 GHz 更高的数据速率。这意味着无线电设计师必须使用正确的滤波器产品——在相邻频段具备足够的衰减以提供良好的接收器灵敏度——以充分利用更宽频段所带来的全部优势。

当自动驾驶汽车中的乘客使用 5.6 GHz 热点时会出现新的挑战,即 5.6 GHz Wi-Fi 与 V2X 的共存问题(图2)。拥有可靠 V2X 无线电链路的唯一方法是确保接收器的灵敏度降幅相对较低。这只有通过适当的滤波器方案才能实现,此类解决方案可为 5.6 GHz Wi-Fi 提供足够的带外衰减(图3及图4)。

2.2

图2 V2X 与 5 GHz Wi-Fi 共存

高性能滤波——为何 LTCC 还不够

越来越多的功能增加了汽车中不同无线电设备的数量,如今的 1 辆车上有多达 5 种无线电设备(即 V2X、4G/5G、Wi-Fi、蓝牙、SDARS)。这意味着多个无线电收发器在彼此十分接近的不同频段中工作。如果 1 个 RF 链的发射功率超过到达附近接收器信号的功率水平,则可能导致接收器灵敏度问题。

共存滤波器有助于减少这些“攻击信号”带来的干扰,其不仅会引发接收器灵敏度问题,还会导致不合规。但是,并非所有声称具有共存功能的过滤器都适合该工作。例如,图3 中的曲线比较了 B47 体声波(BAW)滤波器和低温共烧陶瓷(LTCC)宽带滤波器的性能及系统影响。

2.3

图3 QPQ2200Q 与 LTCC 的比较:宽带性能

LTCC 仅过滤宽带频率。B47 BAW 滤波器提供了与 LTCC 滤波器相似的插损,但还带来了对 5 GHz UNII 1-3 频段的高抑制性能。B47 BAW 滤波器可以代替 Tx/Rx 路径上的 LTCC 滤波器,也可以仅放置在 Rx 端。图4 显示了 LTCC 滤波器如何对 UNI-3 频段不产生抑制,以及在 UNII-2 和 UNI-1 频段产生不良抑制。

2.4

图4 QPQ2200Q 与 LTCC 的比较:B47 BAW 滤波器对 5GHz UNII 1-3 频段的抑制

接下来,让我们从系统和实现的角度来比较 LTCC 和 B47 V2X 共存过滤器。图5 比较了创建 1000 m V2X 链路所需的 V2X-Wi-Fi 天线隔离。左图显示了一个 V2X 系统(TCU + 有源天线),在发送路径上只有 1 个 LTCC 滤波器,需要大于 80 dB 的天线隔离,这在实际应用中可能很难实现。右图显示了 1 个 V2X 系统,TCU 中的 B47 V2X 共存滤波器和有源天线仅需 15 dB 的天线隔离度便可获得 1000 m 的 V2X 链路。如果设计/系统工程师能够达到 20 dB 以上的天线隔离,他们可能只需要在有源天线中安装 1 个 V2X 共存滤波器。除了车内 Wi-Fi,在选择滤波解决方案时还需要考虑另一个用例,即汽车是否具有内置 Wi-Fi 功能。也就是说,此时天线的隔离度由用手机建立 Wi-Fi 热点的乘客决定。

2.5

图5 V2X——实现可靠 V2X 链路所需的 Wi-Fi 天线隔离:QPQ2200Q B47 vs. LTCC

Qorvo 的滤波器产品采用 BAW 专利技术;该技术经过优化以可满足复杂的选择性要求,标准封装覆盖从(1.5~6) GHz 的范围。例如,Qorvo QPQ2200Q 滤波器为世界首款解决自动驾驶车辆 V2X 与 5.6 GHz Wi-Fi 间共存的滤波器。另一个示例是 Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi 滤波器,设计用于实现与 LTE B40 和 B41 的共存。此类滤波器占板面积小于陶瓷滤波器,从而增加了设计灵活性。

然而,即使 BAW 带通滤波器也不是解决 V2X 环境中共存问题的完整解决方案,我们还必须考虑陷波滤波器的重要作用。尽管上文所讨论的带通滤波器提供了足够的带外抑制性能,但 Qorvo QPQ230Q 陷波滤波器在 5 GHz Wi-Fi 路径上的 V2X 频段中对 Rx 频段噪声进行“陷波”处理,以防止 Rx 频段噪声耦合回 V2X 系统,并引起灵敏度下降,如系统计算器所示(图6)。图7 表明,如果在 5 GHz Wi-Fi 路径上不使用陷波滤波器,则 V2X 接收器将有高达 18 dB 的灵敏度降幅;相比之下,基于 BAW 技术优势精心设计的陷波滤波器可达成几乎为零的灵敏度降幅。

2.6

图6 在 5 GHz 路径上具有 V2X 陷波(QPQ2230Q)的 Wi-Fi 前端

2.7

图7 在有无 QPQ2230Q 陷波滤波器的不同情况下,Rx 频段的噪声和灵敏度降幅

V2X 需要与电子自动收费系统(ETC)共存,这是另一个需要特别注意的关键挑战。其问题在于,ETC 频谱(欧洲为 5795~5815 MHz,中国为 5790~5800 MHz UL 和 5830~5840 MHz DL)太接近 V2X 频谱(北美及欧洲为 5855~5925 MHz,中国为 5905~5925 MHz)。

解决此问题的 1 种方法是在 V2X 路径上使用经过适当设计的滤波器对 ETC 频谱进行陷波处理。

现在,让我们看看中国的频谱状况(图8)。如左图所示,除非在 ETC 无线电中解决这一问题,否则 ETC 无法与 V2X 共存。如果在 V2X 无线电中使用设计良好的滤波器,则符合 -65 dBm/MHz 的 ETC 规范裕度,如右图所示。

2.8

图8 全球 ETC 频谱与 V2X 共存

表征高性能滤波器产品的两个参数是谐振器质量,即品质因数(Q)和耦合因数(k2)。高Q是最小化插损的必要条件,而高 k2 则带来更宽的带宽。谐振器层面的技术进步有助于改善插损和高选择性性能,在最高 6 GHz 的频率下实现带宽更宽的滤波器产品。

结论

高 Q 带通和陷波滤波器的结合为自动驾驶汽车设计中的共存挑战打造了最完整的解决方案。根据上文中所讨论的数据,LTCC 滤波器并不是真正的共存滤波器,在 Wi-Fi 和 V2X 相邻的特殊行车环境中无法发挥作用。

参考文献:

  1. Qorvo RF 滤波器产品[R/OL].
  2. 车联网傻瓜书[R/OL].
  3. Qorvo BAW滤波器产品[R/OL].

作者简介:

Ali Bawangaonwal,营销主管,拥有电气工程背景,以及在技术领域近 20 年的行业经验。获得美国布拉德利大学(Bradley University)电子工程硕士学位和伊隆大学(Elon University)战略 MBA 学位。作为 RF 前端半导体领域公认的专家,目前在 5GAA 作为 Qorvo 公司代表。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第8期。

来源: Qorvo半导体

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