如何化解與V2X相關(guān)的頻譜挑戰(zhàn)
引言
1)車(chē)輛互聯(lián)基礎(chǔ)知識(shí)
為了讓真正的自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠在沒(méi)有人工干預(yù)的情況下導(dǎo)航,所有類(lèi)型的數(shù)據(jù)都必須與其它車(chē)輛及周?chē)幕A(chǔ)設(shè)施連續(xù)且實(shí)時(shí)地共享。
這將通過(guò)車(chē)聯(lián)萬(wàn)物(V2X)通信系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。V2X包括車(chē)對(duì)車(chē)(V2V)、車(chē)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車(chē)對(duì)網(wǎng)絡(luò)(V2N)和車(chē)對(duì)行人(V2P)等多個(gè)層面的通信。
V2X基于5.9 GHz專用短距通信,專為快速移動(dòng)的物體而設(shè)計(jì)。即使在非視線條件下,也可以建立可靠的無(wú)線電鏈路。這種可信鏈路使駕駛員能夠意識(shí)到前方的危險(xiǎn),從而減少潛在的汽車(chē)碰撞、死亡和傷害。
此外,V2X能夠預(yù)警即將發(fā)生的交通擁堵并建議替代路線,以此提升全球運(yùn)輸效率并減少CO2排放,并帶來(lái)減少車(chē)輛維護(hù)的額外收益。
實(shí)現(xiàn)自主汽車(chē)的全部潛力相對(duì)復(fù)雜,因?yàn)閂2X既可以是采用蜂窩技術(shù)創(chuàng)建直接通信鏈路的C-V2X(蜂窩車(chē)聯(lián)網(wǎng)),也可以是基于IEEE 802.11p標(biāo)準(zhǔn)的DSRC(專用短程通信),后者還曾一度是唯一可用的V2X技術(shù)。
不同的汽車(chē)制造商和國(guó)家/地區(qū)都在支持一種或另一種標(biāo)準(zhǔn),但是都利用相同的頻譜來(lái)解決相同的問(wèn)題,并且各標(biāo)準(zhǔn)間可以共存。
圖1. 車(chē)輛互聯(lián)技術(shù)
雙頻Wi-Fi 2.4G/5G
GPS/GNSS/北斗
4G/5G蜂窩連接
娛樂(lè)中心
攝像頭
eCall/OnStar
SiriusXM電臺(tái)
V2X(C-V2X和DSRC)
維護(hù)用蜂窩無(wú)線電系統(tǒng)
遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入
胎壓監(jiān)測(cè)
2)了解連接技術(shù)
為了更好地理解實(shí)現(xiàn)信號(hào)共存的挑戰(zhàn),我們必須研究與車(chē)輛連接性有關(guān)的技術(shù)及其功能(圖1)。 因?yàn)槊糠N技術(shù)都有自身的特點(diǎn),它們必須在不降低其它技術(shù)性能的情況下進(jìn)行互動(dòng)。
這些技術(shù)包括:
● 用于汽車(chē)安全的V2X(DSRC、C-V2X): V2X將同車(chē)輛、路邊基礎(chǔ)設(shè)施以及整個(gè)環(huán)境進(jìn)行通信,以提高安全性并為自動(dòng)駕駛開(kāi)辟道路。
● 面向車(chē)輛OEM服務(wù)的4G/5G云連接: 用于4G/5G連接的應(yīng)用程序可以包括遠(yuǎn)程診斷和監(jiān)控汽車(chē)運(yùn)行情況、進(jìn)行空中下載軟件更新、執(zhí)行遠(yuǎn)程操作,以及操作共享自動(dòng)駕駛車(chē)隊(duì)。
● 用于行車(chē)體驗(yàn)的4G/5G云連接: 駕駛員和乘客都能夠使用這種連接來(lái)享受全新行車(chē)體驗(yàn),涵蓋從基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航,到后座娛樂(lè)與音樂(lè)流媒體服務(wù)。
● 打造卓越車(chē)內(nèi)體驗(yàn)和汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商服務(wù)的Wi-Fi: 駕駛員和乘客可以享受許多基于Wi-Fi的增強(qiáng)型車(chē)內(nèi)體驗(yàn)。例如,整個(gè)車(chē)輛的有效Wi-Fi連接可以支持將超高清(ultra-HD)視頻流傳輸至多個(gè)顯示器,并獲得兼容設(shè)備及無(wú)線倒車(chē)攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi還可以支持汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商服務(wù),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢入、診斷數(shù)據(jù)傳輸和軟件更新。
● 藍(lán)牙: 駕駛員和乘客可通過(guò)藍(lán)牙傳輸高保真音樂(lè),并從一些實(shí)用服務(wù)中受益,例如將智能手機(jī)用作遙控鑰匙。
● SDARS(衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電服務(wù)):借助與基于衛(wèi)星的無(wú)線服務(wù)的連接,無(wú)論身在何處,車(chē)輛乘員都可以收聽(tīng)到自己鐘愛(ài)的無(wú)線廣播節(jié)目。
圖2 V2X與5 GHz Wi-Fi共存
1 5G和LTE的共存挑戰(zhàn)
基于對(duì)各種技術(shù)功能/優(yōu)勢(shì)的理解,我們可以更好地應(yīng)對(duì)共存挑戰(zhàn)——特別是與5G和LTE的兼容性。
5G,即第五代蜂窩技術(shù),可以提高數(shù)據(jù)速率,減少等待時(shí)間并增強(qiáng)無(wú)線服務(wù)的靈活性。5G頻譜分為Sub-6 GHz和毫米波。
Wi-Fi工作在2.4 GHz、5.2 GHz和5.6 GHz頻譜,并且2.4 GHz Wi-Fi必須與LTE B40和B41頻段共存。憑借更大的帶寬,能夠在5 GHz頻段中將更多信道捆綁在一起 ,因而5 GHz Wi-Fi可以獲得比2.4 GHz更高的數(shù)據(jù)速率。這意味著無(wú)線電設(shè)計(jì)師必須使用正確的濾波器產(chǎn)品——在相鄰頻段具備足夠的衰減以提供良好的接收器靈敏度——以充分利用更寬頻段所帶來(lái)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。
當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的乘客使用5.6 GHz熱點(diǎn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)新的挑戰(zhàn),即5.6 GHz Wi-Fi與V2X的共存問(wèn)題(圖2)。擁有可靠V2X無(wú)線電鏈路的唯一方法是確保接收器的靈敏度降幅相對(duì)較低。這只有通過(guò)適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.ptau.cn/news/listbylabel/label/濾波器">濾波器方案才能實(shí)現(xiàn),此類(lèi)解決方案可為5.6 GHz Wi-Fi提供足夠的帶外衰減(圖3及圖4)。
圖3 QPQ2200Q與LTCC的比較:寬帶性能
2 高性能濾波——為何LTCC還不夠
越來(lái)越多的功能增加了汽車(chē)中不同無(wú)線電設(shè)備的數(shù)量,如今的1輛車(chē)上有多達(dá)5種無(wú)線電設(shè)備(即V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、SDARS)。這意味著多個(gè)無(wú)線電收發(fā)器在彼此十分接近的不同頻段中工作。如果1個(gè)RF鏈的發(fā)射功率超過(guò)到達(dá)附近接收器信號(hào)的功率水平,則可能導(dǎo)致接收器靈敏度問(wèn)題。
共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號(hào)”帶來(lái)的干擾,其不僅會(huì)引發(fā)接收器靈敏度問(wèn)題,還會(huì)導(dǎo)致不合規(guī)。但是,并非所有聲稱具有共存功能的過(guò)濾器都適合該工作。例如,圖3中的曲線比較了B47體聲波(BAW)濾波器和低溫共燒陶瓷(LTCC)寬帶濾波器的性能及系統(tǒng)影響。
頻率/MHz
LTCC僅過(guò)濾寬帶頻率。B47 BAW濾波器提供了與LTCC濾波器相似的插損,但還帶來(lái)了對(duì)5 GHz UNII 1-3頻段的高抑制性能。B47 BAW濾波器可以代替Tx/Rx路徑上的LTCC濾波器,也可以僅放置在Rx端。圖4顯示了LTCC濾波器如何對(duì)UNI-3頻段不產(chǎn)生抑制,以及在UNII-2和UNI-1頻段產(chǎn)生不良抑制。
圖4 QPQ2200Q與LTCC的比較:B47 BAW濾波器對(duì)5GHz UNII 1-3頻段的抑制
頻率/MHz
接下來(lái),讓我們從系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)的角度來(lái)比較LTCC和B47 V2X共存過(guò)濾器。圖5比較了創(chuàng)建1 000 m V2X鏈路所需的V2X-Wi-Fi天線隔離。左圖顯示了一個(gè)V2X系統(tǒng)(TCU+有源天線),在發(fā)送路徑上只有1個(gè)LTCC濾波器,需要大于80 dB的天線隔離,這在實(shí)際應(yīng)用中可能很難實(shí)現(xiàn)。右圖顯示了1個(gè)V2X系統(tǒng),TCU中的B47 V2X共存濾波器和有源天線僅需15 dB的天線隔離度便可獲得1 000 m的V2X鏈路。如果設(shè)計(jì)/系統(tǒng)工程師能夠達(dá)到20 dB以上的天線隔離,他們可能只需要在有源天線中安裝1個(gè)V2X共存濾波器。除了車(chē)內(nèi)Wi-Fi,在選擇濾波解決方案時(shí)還需要考慮另一個(gè)用例,即汽車(chē)是否具有內(nèi)置Wi-Fi功能。也就是說(shuō),此時(shí)天線的隔離度由用手機(jī)建立Wi-Fi熱點(diǎn)的乘客決定。
圖5 V2X——實(shí)現(xiàn)可靠V2X鏈路所需的Wi-Fi天線隔離:QPQ2200Q B47 vs. LTCC
不采用BAW,Wi-Fi會(huì)創(chuàng)建IM3和壓縮
基于Rx IMD3和壓縮估算鏈路距離
鏈路距離(米)
天線耦合(dB)
壓縮(dB)
鏈路距離(米)
壓縮(dB)
無(wú)B47 BAW
LTCC濾波器需要Wi-Fi和V2X間大于80dB的天線隔離才能獲得1000米的鏈路
采用兩個(gè)BAW,可最大化鏈路距離
基于Rx IMD3和壓縮估算鏈路距離
鏈路距離(米)
天線耦合(dB)
壓縮(dB)
鏈路距離(米)
壓縮(dB)
在TCU和補(bǔ)償器中使用B47 BAW
如將B47 BAW放置于天線端口,則可移除LTCC
Qorvo的濾波器產(chǎn)品采用BAW專利技術(shù);該技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以可滿足復(fù)雜的選擇性要求,標(biāo)準(zhǔn)封裝覆蓋從(1.5~6) GHz的范圍。例如,Qorvo QPQ2200Q濾波器為世界首款解決自動(dòng)駕駛車(chē)輛V2X與5.6 GHz Wi-Fi間共存的濾波器。另一個(gè)示例是Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi濾波器,設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)與LTE B40和B41的共存。此類(lèi)濾波器占板面積小于陶瓷濾波器,從而增加了設(shè)計(jì)靈活性。
然而,即使BAW帶通濾波器也不是解決V2X環(huán)境中共存問(wèn)題的完整解決方案,我們還必須考慮陷波濾波器的重要作用。盡管上文所討論的帶通濾波器提供了足夠的帶外抑制性能,但Qorvo QPQ230Q陷波濾波器在5 GHz Wi-Fi路徑上的V2X頻段中對(duì)Rx頻段噪聲進(jìn)行“陷波”處理,以防止Rx頻段噪聲耦合回V2X系統(tǒng),并引起靈敏度下降,如系統(tǒng)計(jì)算器所示(圖6)。圖7表明,如果在5 GHz Wi-Fi路徑上不使用陷波濾波器,則V2X接收器將有高達(dá)18 dB的靈敏度降幅;相比之下,基于BAW技術(shù)優(yōu)勢(shì)精心設(shè)計(jì)的陷波濾波器可達(dá)成幾乎為零的靈敏度降幅。
圖6 在5 GHz路徑上具有V2X陷波(QPQ2230Q)的Wi-Fi前端
可選專用BT天線
圖7 在有無(wú)QPQ2230Q陷波濾波器的不同情況下,Rx頻段的噪聲和靈敏度降幅
無(wú)陷波濾波器
V2X陷波抑制
外部寬帶噪聲引起信道中的靈敏度下降
-177.99信號(hào)
OOB干擾器
壓縮
靈敏度,dBm:
靈敏度降幅,dB
無(wú)抑制,靈敏度降幅約18dB
陷波濾波器,抑制能力30dB
V2X陷波抑制
外部寬帶噪聲引起信道中的靈敏度下降
-177.99信號(hào)
OOB干擾器
壓縮
靈敏度,dBm:
靈敏度降幅,dB
在30dB抑制下,靈敏度降幅幾乎為0dB
V2X需要與電子自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)(ETC)共存,這是另一個(gè)需要特別注意的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。其問(wèn)題在于,ETC頻譜(歐洲為5 795~5 815 MHz,中國(guó)為5 790~5 800 MHz UL和5 830~5 840 MHz DL)太接近V2X頻譜(北美及歐洲為5 855~5 925 MHz,中國(guó)為5 905~5 925 MHz),如圖8所示。
圖8 全球ETC頻譜與V2X共存
ETC歐洲 20MHz
ETC中國(guó)UL 10MHz
ETC中國(guó)DL 10MHz
V2X北美及歐洲 70MHz
V2X中國(guó) 20MHz
解決此問(wèn)題的1種方法是在V2X路徑上使用經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)的濾波器對(duì)ETC頻譜進(jìn)行陷波處理。讓我們看下歐洲的情況;圖9顯示了在V2X FEM輸入端使用和不使用陷波濾波器的頻譜發(fā)射掩碼比較。左圖中,PA輸出端發(fā)射的頻譜無(wú)法達(dá)到-65dBm/MHz的ETC規(guī)范要求。因此,除非在ETC無(wú)線電中或通過(guò)某些軟件緩解手段對(duì)其進(jìn)行處理,否則V2X無(wú)法與ETC共存。如右圖所示,如果在V2X無(wú)線電中插入設(shè)計(jì)良好的陷波濾波器,則V2X可以與ETC共存。
圖9 歐洲:頻譜發(fā)射掩碼的比較——使用和不使用ETC陷波濾波器的情況
無(wú)濾波器
頻譜功率,dBm/100 kHz
頻率(MHz)
Tx驅(qū)動(dòng)-3.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
(已標(biāo)準(zhǔn)化為Pout)
總增益30.2 dB
在PA輸入端使用陷波濾波器
頻譜功率,dBm/100 kHz
頻率(MHz)
Tx驅(qū)動(dòng)-3.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
(已標(biāo)準(zhǔn)化為Pout)
總增益27.7 dB
現(xiàn)在,讓我們看看中國(guó)的頻譜狀況(圖10)。同樣,如左圖所示,除非在ETC無(wú)線電中解決這一問(wèn)題,否則ETC無(wú)法與V2X共存。如果在V2X無(wú)線電中使用設(shè)計(jì)良好的濾波器,則符合-65 dBm/MHz的ETC規(guī)范裕度,如右圖所示。
表征高性能濾波器產(chǎn)品的兩個(gè)參數(shù)是諧振器質(zhì)量,即品質(zhì)因數(shù)(Q)和耦合因數(shù)(k2)。高Q是最小化插損的必要條件,而高k2則帶來(lái)更寬的帶寬。諧振器層面的技術(shù)進(jìn)步有助于改善插損和高選擇性性能,在最高6 GHz的頻率下實(shí)現(xiàn)帶寬更寬的濾波器產(chǎn)品。
圖10 中國(guó):頻譜發(fā)射掩碼的比較——使用和不使用ETC陷波濾波器的情況
無(wú)濾波器
頻率(MHz)
頻譜功率,dBm/100 kHz
Tx驅(qū)動(dòng)-0.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
(已標(biāo)準(zhǔn)化為Pout)
總增益29.7 dB
在PA輸入端使用陷波濾波器
頻率(MHz)
頻譜功率,dBm/100 kHz
Tx驅(qū)動(dòng)-0.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
(已標(biāo)準(zhǔn)化為Pout)
總增益29.7 dB
3 結(jié)論
高Q帶通和陷波濾波器的結(jié)合為自動(dòng)駕駛汽車(chē)設(shè)計(jì)中的共存挑戰(zhàn)打造了最完整的解決方案。根據(jù)上文中所討論的數(shù)據(jù),LTCC濾波器并不是真正的共存濾波器,在Wi-Fi和V2X相鄰的特殊行車(chē)環(huán)境中無(wú)法發(fā)揮作用。
作者簡(jiǎn)介: Ali Bawangaonwal,營(yíng)銷(xiāo)主管,擁有電氣工程背景,以及在技術(shù)領(lǐng)域近20年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)。獲得美國(guó)布拉德利大學(xué)(Bradley University)電子工程碩士學(xué)位和伊隆大學(xué)(Elon University)戰(zhàn)略MBA學(xué)位。作為RF前端半導(dǎo)體領(lǐng)域公認(rèn)的專家,目前在5GAA作為Qorvo公司代表。
參考文獻(xiàn):
[1] Qorvo RF濾波器產(chǎn)品[R/OL].
[2] 車(chē)聯(lián)網(wǎng)傻瓜書(shū)[R/OL].Qorvor.
[3] Qorvo BAW濾波器產(chǎn)品[R/OL].
(注:本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第8期。)
評(píng)論