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车联网射频器件要面对怎样的难题

车辆共享信息、互相协作以前进交通的安然性、环保性和乐趣性,这种设法主见异常有吸引力。与该观点相关的各类技巧统称为协作式智能交通系统 (C-ITS),有望缓解交通堵塞,减轻交通对情况的影响,并大年夜幅削减致命交通变乱的数量。

在本章中,我将探究互联汽车及汽车数据、机遇和应用案例、以及车联网中的 RF半导体。

互联汽车和数据

汽车正从主要用于交通的自力工具转变为先辈的互联网连接端点,平日能够进行双向通信。今世互联汽车天生的新数据流驱动了立异营业模式,例如按里程的保险,实现了全新的车内体验,为自动驾驶和 V2V 通信等汽车技巧的进步奠定了根基。

实现未来的互联自动驾驶汽车有两种主要措施。一种技巧基于 IEEE 802.11p 标准,另一种技巧则使用蜂窝根基举措措施的C-V2X。图 3-1 显示两种措施若何互相混杂和连接。终极,它们都要连接到 LTE/5G 根基举措措施收集,只是采纳的要领不合。

跟着各类通信的引入,汽车内部的电子通信系统已经大年夜幅增添。如图 3-4 所示,汽车内部有多个 RF 前端 (RFFE) 链和天线,例如 Wi-Fi、蜂窝、蓝牙等。此外,图 3-4 中标注的某些标准有一个或两个以上的旌旗灯号路径。

此中很多 RF 链为新汽车系统智能做出了供献。

首先,这种系统智能网络来自传感器、摄像头、车载连接的数据,从而供给紧张数据和办事。RF 元器件,例如放大年夜器开关滤波器和高度集成模块,为汽车处置惩罚和通信系统添加了紧张功能。跟着我们进级到自动化程度更高的汽车,这些系统及其功能也将变得更为繁杂。

此外,新的 RF 链,例如毫米波 (mmWave),将迁移到汽车上,供给的精度和数据传输速度是当前系统的三倍。这使设计职员能够实现更智能的车载通信和感测,赞助汽车检测和避让其他汽车、行人、物体和设备。

正如蜂窝技巧市场的成长历程跌荡放诞起伏一样,汽车未来的转变市场也不会一帆风顺。客户将影响汽车设计,监管机构将节制和影响技巧成形,汽车周围的 LTE/5G 互联天下将赓续进步。RF 设计工程师必须在利用中实现机能和机遇的平衡,才能满意市场需求。

探索互联汽车的RF寻衅和办理规划

今的智妙手机拥有强大年夜的谋略能力,以致跨越了 NASA 1969 年将两名宇航员送上月球时拥有的整个谋略能力。我们掌握的所有这些原始谋略能力用来做什么呢?当然要用于收集通信!

今世汽车拥有比智妙手机更高的谋略能力和技巧繁杂性。是以,今世汽车中不合技巧和 RF 旌旗灯号之间的滋扰是设计工程师始终都要面对的寻衅。

为了确保所有这些技巧能够共存,RFFE 模块必要兼具正确滤波功能、PA 机能和 PA 效率,这样才能让它们协同事情。此外,这些元件必须能够在恶劣的情况前提下运行,以遵守严格的汽车质量标准。着末,CA 和 DSDA 技巧的系统要求带来了更多寻衅。

这就要求我们要先懂得RF相关的关键机能参数。据懂得,与 RF 相关的关键机能参数寻衅包括接管器灵敏度、线性度、选择性和发烧和稳定性。

1.接管器灵敏度

接管器灵敏度表示接管器能够成功接管的最微弱的输入旌旗灯号程度。接管器能够接管的功率级别越低,接管器的灵敏度就越高。接管器灵敏度平日定义为:在接管器的输出端口上孕育发生指定信噪比 (SNR) 所需的最小输入旌旗灯号。

接管器 (RX) 灵敏度是无线通信中的任何无线电接管器的关键规范之一。接管器的灵敏度代表它拾取低电平旌旗灯号的能力。因为旌旗灯号电平与传输间隔成反比,是以低灵敏度的系统意味着接管范围最佳。换而言之,更高的接管器灵敏度即是更长的间隔。

接管器灵敏度定义为:孕育发生具有所需信噪比 (SNR) 的指定输出旌旗灯号所需的最小输入旌旗灯号。它的谋略措施是:热噪声基底乘以 RX 噪声系数 (NF) 和所需的最小 SNR。更低的噪声系数意味着更出色的机能。

在汽车中,多种身分可能导致噪声系数高于其他利用,或者带来更多的 SNR 寻衅。这些寻衅包括:

在某些汽车利用中,很长的 RF 同轴电缆可能导致噪声系数和旌旗灯号损耗增大年夜。

RF 电缆和元件中的极度温度或温度漂移可能导致噪声系数增大年夜,影响 RFFE 器件的机能。

为了减小长电缆中的损耗导致的噪声系数,设计职员应用低噪声放大年夜器 (LNA),并试图将 RFFE 放置得更接近天线。这样可以减小电缆长度,从而前进系统 NF,并削减电缆插入损耗。

高 Q 值、低损耗的 RF 滤波器有助于削减温度漂移的影响。它们还有助于削减链路预算插入损耗和相邻频段滋扰。

高 Q 值(即品德因数)表示谐振器的能量损耗相对付存储能量的比率较低。高 Q 值 RF 滤波器的阻带裙边更狭窄、更陡峭。

另一个设计斟酌身分是频率范围。在较高的频率下,得到低噪声系数加倍艰苦。跟着汽车继承向更高频率范围迁移,例如蜂窝收集和 Wi-Fi,达到噪声系数规范变得加倍艰苦。这种趋势不太可能改变,我们的预期是频率范围将徐徐扩展到 mmWave 范围,例如 28GHz 或 34GHz。是以,噪声系数仍将是车载系统面临的一大年夜寻衅。

2.线性度

PA 线性度描述了 PA 在不孕育发生掉真的环境下放大年夜旌旗灯号的能力。这个术语指的是 RF 放大年夜器的主要事情,即前进输入旌旗灯号的功率水平,而不改变旌旗灯号的内容。

对付应用任何频率调制机制来对旌旗灯号幅度变更中的信息进行编码的系统而言,线性度至关紧张。在电信和旌旗灯号处置惩罚中,频率调制是经由过程改变波的瞬时频率,对载波中的信息进行编码。这些调制机制各不相同,从幅度调制 (AM) 到用于 Wi-Fi 的繁杂正交幅度调制 (QAM)。调制机制取决于接管器识别旌旗灯号幅度和相位的差异的能力。要保留旌旗灯号中的幅度和相位变更,必须应用线性 PA。假如传输的旌旗灯号掉真,则接管器很难规复在调制的幅度部分中编码的信息。旌旗灯号衰减会对系统的范围和数据速度孕育发生负面影响。

接管的旌旗灯号可能包括不必要的大年夜幅度带外旌旗灯号。这些不必要的旌旗灯号可能导致接管器中的掉真,低落所需旌旗灯号的信噪比,影响范围和数据吞吐量。可以应用滤波器来抑制这些旌旗灯号,并低落线性度要求。是以,应用带通滤波器可低落针对带外滋扰旌旗灯号的线性度要求。

非线性前端 PA 系统会孕育发生频谱再生,从而对相邻通道孕育发生滋扰。频谱再生长短线性器件(例如无线利用中的 PA)中的紧张掉真机制。功率水平要求、温度和链路预算增添都可能导致线性度问题。应用带缘滤波器有助于减小因为相邻信道用户滋扰导致的非线性掉真。此外,RFFE 接管端上的共存滤波器也可以削减旌旗灯号滋扰,赞助改进接管器频段信噪比。

3.选择性

选择性是无线电接管器仅相应颠末调谐的旌旗灯号、而回绝频率邻近的其他旌旗灯号(例如相邻信道上的另一个广播)的机能的衡量指标。

汽车无线通信系统可能受到多种滋扰影响。汽车 RF 设计工程师必须同时斟酌到无线电接管器周围的内部和外部 RF 旌旗灯号。

滤波器可以衰减不必要的旌旗灯号,同时让必要的旌旗灯号经由过程,而只孕育发生最小的损耗,从而前进接管器选择性。它们还有助于削减相邻频段滋扰。跟着汽车中的频段和无线电的匀称数量增添,以及标准的数量增添,使用低漂移体声波滤波器等高档滤波器技巧可赞助工程师办理滋扰难题。

在汽车系统的无线 RFFE 设计中,削减发烧量也是另一个斟酌身分。应用高 Q 值 RF 滤波技巧可削减热量对插入损耗的影响。如图 4-1 所示,应用高 Q 值低漂移滤波技巧有助于削减热漂移历程中的滋扰。低漂移滤波器的频率温度系数 (TCF) 较低,有助于削减插入损耗,低落相邻信道滋扰,并削减链路预算限定。

4.发烧和稳定性

汽车中的温度漂移可能会异常大年夜。汽车应力前提在 –40°C 至 150°C 之间变更。是以,汽车设计工程师和供应商必须针对这些极度前提来验证和测试元件和系统(请拜见图 4-2)。

在系统设计中,工程师常常要在线性度、功率输出和效率之间进行权衡。热量会低落全部系统的机能,如吞吐量、旌旗灯号范围和滋扰抑制。是以,应用可削减热量的 RFFE 组件来设计系统异常紧张。应用优化的高线性度功率放大年夜器或前端模块可削减整体发烧量。

影响汽车中的发烧量的另一个紧张身分是电缆损耗。电缆损耗导致链路预算增添,意味着发射 (TX) RFFE PA 必须经由过程前进输出功率来削减损耗,从而进行补偿。因为输出功率增添,系统发烧量随之增添,能效也会低落。

懂得其他汽车 RF 寻衅

在汽车 RF 系统中,除了机能参数之外,还要斟酌以下两个紧张话题:

开拓满意严格的汽车电子委员会 (AEC) 汽车质量标准的元件。

满意载波聚合 (CA) 和 DSDA 技巧的系统要求。

1.接IATF和AEC标准

跟着汽车技巧朝着更先辈的驾驶员帮助系统和自动驾驶汽车的偏向成长,风险也将前进。汽车行业开拓了严格的元件制造和测试质量标准,以确保日益繁杂的 RF 元件在嵌入电子系统之后不会呈现故障。

在全部制造和测试历程中,汽车行业制造商必须满意指定的行业标准。此中的三个关键标准包括:

国际汽车推动小组 (IATF) 16949:汽车行业的这项质量治理系统标准举世通用。汽车制造商平日均觉得组件的制造、组装和测试厂商应该经由过程了 IATF 16949 标准认证。

汽车电子委员会 (AEC) Q100:规定了开关和 PA 等有源元件的标准测试。

AEC-Q200:规定了 Wi-Fi 通信和蜂窝通信所用 RF 滤波器等无源设备的标准测试。

部分测试仅限于汽车行业,例如早期故障率 (ELFR) 测试以及功率和温度轮回 (PTC) 测试,前者必要将多个样本(每个样本含 800 个元件) 置于至少 125°C 的情况中,后者则必要将样本置于上下温轮回交替的情况,温度范围在 –40°C 及以下到 125 °C 之间。

在更恶劣的前提下或者以更大年夜的批量来履行其他一些测试,以便供给更好的统计依据,来判断临盆元件是否靠得住。

2.CA和DSDA

载波聚合 (CA) 让移动收集运营商能够将很多零丁的 LTE 载波组合在一路,以前进带宽和比特率。载波聚合技巧用于将可用频谱的多个 LTE 分量载波 (CC) 合并起来,从而

支持更宽的继续或非继续的带内或带间带宽旌旗灯号块

前进上行链路、下行链路或双向的收集机能

将峰值数据速度前进到 1 GB/秒 (Gbps) 峰值下载速率

前进收集的整体容量,以使用碎片化的频谱分配

分量载波 (CC) 是平日分配给一个用户的 LTE 信道。这对付 RF 设计职员来说是个严酷的寻衅。在汽车中,CA 将供给千兆级的 LTE 连接。为了达到这些速率,车载调制解调器应用先辈的数字旌旗灯号处置惩罚 (256 QAM) 和 4x4 MIMO,支持最多 4 个载波聚合。

MIMO 是一种适用于无线通信的天线技巧,在发射器和接管器上都应用多个天线。通信电路每真个天线都组合在一路,以最大年夜程度削减差错,并且优化数据速率。

汽车中的 CA 寻衅包括:

下行链路灵敏度:很多 CA 利用必要应用 RF 滤波器、双工器或繁杂多路复用器的架构。这些 RF 滤波器有助于确保各个 TX 和 RX 路径之间的隔离,赞助实现系统灵敏度。跟着更多频段添加到系统中,应用加倍繁杂的滤波(例如多路复用器),设计职员必须确保各个频段协同事情。

谐波天生:谐波由非线性元件天生,如 PA、双工器和开关。设计职员在设计中必须审慎地进行权衡,确保在电谐波消减时不会影响机能。

减敏:谐波和 TX 透露导致系统灵敏度低落,称为减敏。减敏是因为噪声源导致的灵敏度低落,这些噪声平日是由同一无线电设备孕育发生的。这会导致接管器机能低落,阴碍目标旌旗灯号的精确检测。高开关隔离和滤波器衰减可以最大年夜程度地减小旌旗灯号路径之间的滋扰。

如需懂得有关 CA 和 LTE 技巧的更多常识,请造访 www.qorvo.com 下载载波聚合 Dummies、载波聚合根基 Dummies 和 5G RF Dummies。

DSDA 技巧在两个生动 CC 中应用两个自力的收发器和天线路径。这使 OEM 能够使用特定的签约运营商办事,同时让车主能够添加自己喜好的运营商。运营商让车主能够将汽车添加到家庭数据计划中并从中受益。毛病是 DSDA 会增添系统功耗,从而增添发烧量,还会前进 RFFE 繁杂性。为了削减发烧量,设计职员必须应用线性和高效的 RFFE 模块。

与 CA 相同,DSDA 也必要稳定的低漂移滤波,以实现系统和汽车制造商的设计目标。跟着 CC 数量增添,各个频段滤波器和繁杂的多路复用器的紧张性也随之提升。

责任编辑:ct

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