合理避让:支持无缝通信、无干扰的车对万物设计

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您是否知道,当今汽车里的电子设备和无线电数量比发射到月球的首个太空舱里的还要多?为了从所有技术中获益,所有这些通信无线电都必须在没有任何干扰的情况下无缝工作。为了避免在 V2X 的设计中发生“交通堵塞”,您必须对以下信息有所了解。

车对万物 (V2X) 是一种车辆技术的总称。它允许车辆与周围的环境进行通信,例如自行车、摩托车和其它车辆。为了实现这一点,来自传感器和其他来源的信息,无论是车内还是车外,都通过低延迟、高可靠性的链路传播,这将最终为实现完全自动驾驶铺平道路。参见图 1。

1.1

图 1:互联汽车

V2X 通信的一个主要卖点是安全性。V2X 通信技术有望降低车辆事故的数量,从而减少相关伤亡的发生。美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的一项研究发现,互联汽车技术有望将未对驾驶员造成损害的碰撞事故减少高达 80%。事实上,到 2024 年,汽车行业机构(美国国家公路交通安全管理局和汽车工程师协会)预计将要求车辆提供某些 V2X 功能,以获得完整的五星安全评级。这项技术还将大大改善交通管理。利用路边单元 (RSU) 和车载单元 (OBU) 提供的数据,V2X 技术可以在汽车之间建立连接,并将行人、驾驶员和骑车人与交通信号灯相连接。有关流量模式、信号灯和其它车辆的信息可以通过连接 Wi-Fi 或蜂窝网络的车辆信息娱乐系统,甚至通过驾驶员手机上的应用传送到汽车上,使驾驶员能够调整到更安全、更高效的驾驶模式。这样可以减少有害二氧化碳气体排放和降低燃油成本,从而提高车辆的环保性能。

  • 美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的一项研究
  • https://www.pcb.its.dot.gov/eprimer/

V2X 包含多个组成部分:请参阅边栏“车辆通信缩略语及含义”。考虑到诸多的安全效益以及给消费者通信带来的其它效益,增强 V2X 并将其推向市场通常是许多汽车制造商的首要策略。然而,要设计一个稳健的系统解决方案,我们首先要了解 V2X 的复杂性和技术挑战。

Cellular-V2X (C-V2X) 技术给车辆工程提出了挑战,例如车辆内外多个无线电设备所导致的无线共存问题。未来的新型汽车内将配备大量无线电,以满足安全、安防和娱乐的发展趋势。这些无线电将带来共存问题。一个明显的共存挑战是专用短距离通信 (DSRC) 和 C-V2X(蜂窝运营商许可载波)都使用相同的 5.9 GHz 频段进行通信。此外,4G LTE、5G 和 Wi-Fi 的频段都与 5.9 GHz 的频率范围密切相连。

汽车的未来发展趋势

如前所述,互联汽车涉及众多连接技术。每种技术都与众不同,且不得干扰彼此的信号质量才能实现无缝通信。这些技术包括:

  • 用于汽车安全的 V2X(DSRC 和 C-V2X)
  • 用于提供远程诊断、空中软件更新、远程操作等车载OEM服务的4G/5G云连接
  • 车载 4G/5G 云连接娱乐
  • Wi-Fi
  • 蓝牙®
  • 卫星数字音频广播服务 (SDARS)

车辆通信缩略语及含义

  • 车对万物 (V2X):一种允许车辆与周围交通系统中的运动部件进行通信的技术。
  • 车对基础设施 (V2I):这种通信允许车辆与头顶的 RFID 读卡器和摄像头、交通信号灯、车道标记、路灯、标牌和停车计时器等交通系统组件共享信息。
  • 车对行人 (V2P):车辆与附近的一位行人或多位行人之间的通信。
  • 车对网络 (V2N):访问基于云的服务网络并与之进行通信。
  • 蜂窝车对万物 (C-V2X):使车辆能通过移动蜂窝连接与周围的其它车辆、行人或交通灯等固定物体进行通信,相互收发信号。
  • 专用短距离通信 (DSRC):单向或双向的中短距离无线通信通道,专为汽车用途及一组相应协议和标准设计。

高选择性滤波器解决方案如何应对共存挑战

让我们来看看滤波器技术解决方案如何帮助解决 V2X 与 Wi-Fi 和蜂窝频谱共存的问题。以下是三个主要挑战:

  • V2X 与 5 GHz Wi-Fi 共存
  • Wi-Fi 2.4 GHz 与蜂窝频段 7、40 和 41 共存
  • 电子收费 (ETC) 与 V2X 共存

V2X 与 5 GHz Wi-Fi 的共存挑战

如图 2 所示,Wi-Fi 5 GHz 无牌国家信息基础设施 3 (UNII 3) 频段与 5.9 GHz V2X 频段重叠。要使这两个无线电在工作时不互相干扰,需要采用滤波器。该滤波器需要在 5.855 GHz 区域附近具有非常陡峭的衰减带外边缘,以确保 V2X 和 Wi-Fi UNII 3 信号不会产生通信干扰。此外,UNII 2C 接收频段噪声会引起接收信号灵敏度劣化。在这种情况下,无线设备的多个无线电同时工作导致互相干扰,带来的设计挑战是灵敏度劣化。这些信号可能会干扰甚至破坏接收器接收微弱信号的灵敏度。例如,如果发射信号没有与接收器正确隔离,它可能会干扰接收路径信号,从而导致灵敏度劣化。因此,需要采用额外的滤波器来降低 5 GHz 接收信号中的噪声。

1.2

图 2:V2X 与 Wi-Fi 在 5 GHz 汽车应用中的共存

Wi-Fi 2.4 GHz 与蜂窝频段 7、40 和 41 共存

V2X 中存在的另一个共存问题是蜂窝频段 7、40 和 41 与 2.4 GHz Wi-Fi 频段之间的干扰。如图 3 所示,Wi-Fi 2.4 GHz 位于这些 TDD(B40 和 B41)和 FDD (B7) 信号之间并靠近这些信号。在车内发送和接收 Wi-Fi 2.4 信号时,必须采用滤波器,以确保蜂窝频段上的某些用户可以不间断地继续通信。同样,这也是通过 BAW 滤波器技术实现的(既有分立的形式,也有高度集成的 Qorvo 模块)。

1.3

图 3:蜂窝与 Wi-Fi 2 共存 4 GHz 频段

V2X 与电子收费无线电的共存挑战

除了上述共存挑战之外,还有 V2X 干扰电子收费 (ETC) 服务的问题。中国和欧洲的 ETC 的工作频段太接近 V2X 频段。如图 4 所示,欧洲的 V2X 频段与欧洲 ETC 频段仅相差 40 MHz。如果不在 V2X 前端模块的输入端采用陷波滤波器以允许 ETC 与 V2X 共存,则无法满足欧洲 V2X 频谱发射规范的要求。

中国的 ETC 应用也存在同样的问题。中国的 V2X 频段与 ETC 频段的下行链路仅相差 65 MHz。必须在前端输入端采用陷波滤波器,以减少频谱发射,使其正确共存。在未来,中国 ETC 频段可能会更接近 V2X 频段,因为中国运营商正面临着带宽可能带来的容量限制。中国目前正在就这个话题展开讨论。

1.4

图 4:电子收费系统频段与 V2X 频段对比

应对这些 V2X 共存挑战的最佳过滤器技术是什么呢?Qorvo 已经帮助许多公司利用体声波滤波器来应对这些类型的应用,如下文中所述。

  • 欧洲 ETC 频段
  • https://www.government.nl/topics/mobility-public-transport-and-road-safety/mobility/traffic-management/european-electronic-toll-service
  • 体声波
  • https://www.qorvo.com/innovation/technology/baw

体声波 (BAW) 滤波器

如要避免在这些情况下产生干扰,高性能 RF 带通滤波器就应具备高频能力。BAW 非常适合这种高工作频率。BAW 滤波器还提供陡峭的过渡带,防止信号干扰相邻频段,且通带应具有低插入损耗,以保证输出功率和覆盖范围。

汽车应用中使用的滤波器必须能够在汽车的整个寿命期内在极端温度、湿度和振动条件下运行可靠运行,而石英晶体滤波器在这里行不通。在汽车应用中的这些严苛条件下采用 BAW 滤波器意味着工程师现在可以淘汰体积和实施难度都更大的滤波器技术。

独特的 BAW 滤波器具备所需的特性,能够提供 5.9 GHz 频段所需的所有功能。这种滤波器提供必要的陡峭过渡带,其高品质因数 (Q) 高达 3000,尺寸远小于传统陶瓷或介质滤波器。BAW 滤波器选择性精度高,尺寸小巧,非常适合用于高级汽车 RF 应用。这种滤波器一般用在高于 1.5 GHz 并且需要高性能的应用中。此外,此技术基本上能够适应高达 7 GHz 以及更高的工作频率。

一种前端解决方案

Qorvo 提供分立形式和模块形式的 BAW 滤波技术。Qorvo V2X 前端解决方案套件包括首个 47 频段/Wi-Fi BAW 共存滤波器,它可以实现与 V2X 5.9 GHz 频段的 Wi-Fi 共存。这有助于在车辆与周围环境之间建立可靠的联系。此外,它还包括两个支持 C-V2X 和 DSRC 系统的集成式前端模块 (FEM)、一个数字步进衰减器、发射/接收开关和低噪声放大器。该前端解决方案与芯片组无关,可在 Wi-Fi 和 V2X 共存的 Wi-Fi 环境中实现稳定的 V2X 链路以及足够的传输线性功率和出色的接收性能。

未来,我们会凭借道路车辆领域的高科技电子创新以及无线电技术的进步助力安全驾驶,随着我们不断前行,关于该话题的内容也会越来越多。如果您有兴趣从技术角度获得对 V2X 的最佳理解,可以观看这个视频:如何化解与 V2XA 相关的频谱挑战。

  • Qorvo V2X 前端解决方案套件
  • https://www.qorvo.com/newsroom/news/2020/qorvo-launches-complete-v2x-front-end-solution
  • 如何化解与 V2XA 相关的频谱挑战
  • https://www.qorvo.com/design-hub/videos/design-summit-2020-mitigate-v2x-spectrum

关于作者

1.5

Ali Bawangaonwala

传输业务部汽车领域高级营销经理

Ali 是 RF 前端应用半导体领域知名的主题专家。他拥有电气工程背景,是 5G 汽车协会成员,加上在汽车领域的丰富经验,促使他为车载无线设计的进步提供了重要的指导作用。

来源: Qorvo半导体

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