車聯(lián)網(wǎng)射頻器件面臨什么問題

車輛共享信息、相互協(xié)作以提高交通的安全性、環(huán)保性和樂趣性，這種想法非常有吸引力。與該概念相關(guān)的各種技術(shù)統(tǒng)稱為協(xié)作式智能交通系統(tǒng) （C-ITS），有望緩解交通堵塞，減輕交通對(duì)環(huán)境的影響，并大幅減少致命交通事故的數(shù)量。

在本章中，我將探討互聯(lián)汽車及汽車數(shù)據(jù)、機(jī)遇和使用案例、以及車聯(lián)網(wǎng)中的 RF半導(dǎo)體。

互聯(lián)汽車和數(shù)據(jù)

汽車正從主要用于交通的獨(dú)立對(duì)象轉(zhuǎn)變?yōu)橄冗M(jìn)的互聯(lián)網(wǎng)連接端點(diǎn)，通常能夠進(jìn)行雙向通信?，F(xiàn)代互聯(lián)汽車生成的新數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)了創(chuàng)新業(yè)務(wù)模式，例如按里程的保險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了全新的車內(nèi)體驗(yàn)，為自動(dòng)駕駛和 V2V 通信等汽車技術(shù)的進(jìn)步奠定了基礎(chǔ)。

實(shí)現(xiàn)未來的互聯(lián)自動(dòng)駕駛汽車有兩種主要方法。一種技術(shù)基于 IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)，另一種技術(shù)則利用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施的C-V2X。圖 3-1 顯示兩種方法如何相互混合和連接。最終，它們都要連接到 LTE/5G 基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，只是采用的方式不同。

隨著各種通信的引入，汽車內(nèi)部的電子通信系統(tǒng)已經(jīng)大幅增加。如圖 3-4 所示，汽車內(nèi)部有多個(gè) RF 前端 （RFFE） 鏈和天線，例如 Wi-Fi、蜂窩、藍(lán)牙等。此外，圖 3-4 中標(biāo)注的某些標(biāo)準(zhǔn)有一個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)路徑。

其中很多 RF 鏈為新汽車系統(tǒng)智能做出了貢獻(xiàn)。

首先，這種系統(tǒng)智能收集來自傳感器、攝像頭、車載連接的數(shù)據(jù)，從而提供重要數(shù)據(jù)和服務(wù)。RF 元器件，例如放大器、開關(guān)、濾波器和高度集成模塊，為汽車處理和通信系統(tǒng)添加了重要功能。隨著我們升級(jí)到自動(dòng)化程度更高的汽車，這些系統(tǒng)及其功能也將變得更為復(fù)雜。

此外，新的 RF 鏈，例如毫米波 （mmWave），將遷移到汽車上，提供的精度和數(shù)據(jù)傳輸速率是當(dāng)前系統(tǒng)的三倍。這使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更智能的車載通信和感測(cè)，幫助汽車檢測(cè)和避讓其他汽車、行人、物體和設(shè)備。

正如蜂窩技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展過程跌宕起伏一樣，汽車未來的轉(zhuǎn)變市場(chǎng)也不會(huì)一帆風(fēng)順?？蛻魧⒂绊懫囋O(shè)計(jì)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)將控制和影響技術(shù)成形，汽車周圍的 LTE/5G 互聯(lián)世界將不斷進(jìn)步。RF 設(shè)計(jì)工程師必須在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)性能和機(jī)遇的平衡，才能滿足市場(chǎng)需求。

探索互聯(lián)汽車的RF挑戰(zhàn)和解決方案

今的智能手機(jī)擁有強(qiáng)大的計(jì)算能力，甚至超過了 NASA 1969 年將兩名宇航員送上月球時(shí)擁有的全部計(jì)算能力。我們掌握的所有這些原始計(jì)算能力用來做什么呢？當(dāng)然要用于網(wǎng)絡(luò)通信！

現(xiàn)代汽車擁有比智能手機(jī)更高的計(jì)算能力和技術(shù)復(fù)雜性。因此，現(xiàn)代汽車中不同技術(shù)和 RF 信號(hào)之間的干擾是設(shè)計(jì)工程師始終都要面對(duì)的挑戰(zhàn)。

為了確保所有這些技術(shù)能夠共存，RFFE 模塊需要兼具精確濾波功能、PA 性能和 PA 效率，這樣才能讓它們協(xié)同工作。此外，這些元件必須能夠在惡劣的環(huán)境條件下運(yùn)行，以遵守嚴(yán)格的汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。最后，CA 和 DSDA 技術(shù)的系統(tǒng)要求帶來了更多挑戰(zhàn)。

這就要求我們要先了解RF相關(guān)的關(guān)鍵性能參數(shù)。據(jù)了解，與 RF 相關(guān)的關(guān)鍵性能參數(shù)挑戰(zhàn)包括接收器靈敏度、線性度、選擇性和發(fā)熱和穩(wěn)定性。

1.接收器靈敏度

接收器靈敏度表示接收器能夠成功接收的最微弱的輸入信號(hào)程度。接收器能夠接收的功率級(jí)別越低，接收器的靈敏度就越高。接收器靈敏度通常定義為：在接收器的輸出端口上產(chǎn)生指定信噪比 （SNR） 所需的最小輸入信號(hào)。

接收器 （RX） 靈敏度是無線通信中的任何無線電接收器的關(guān)鍵規(guī)范之一。接收器的靈敏度代表它拾取低電平信號(hào)的能力。由于信號(hào)電平與傳輸距離成反比，因此低靈敏度的系統(tǒng)意味著接收范圍最佳。換而言之，更高的接收器靈敏度等于更長的距離。

接收器靈敏度定義為：產(chǎn)生具有所需信噪比 （SNR） 的指定輸出信號(hào)所需的最小輸入信號(hào)。它的計(jì)算方法是：熱噪聲基底乘以 RX 噪聲系數(shù) （NF） 和所需的最小 SNR。更低的噪聲系數(shù)意味著更出色的性能。

在汽車中，多種因素可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)高于其他應(yīng)用，或者帶來更多的 SNR 挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：

在某些汽車應(yīng)用中，很長的 RF 同軸電纜可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)和信號(hào)損耗增大。

RF 電纜和元件中的極端溫度或溫度漂移可能導(dǎo)致噪聲系數(shù)增大，影響 RFFE 器件的性能。

為了減小長電纜中的損耗導(dǎo)致的噪聲系數(shù)，設(shè)計(jì)人員使用低噪聲放大器 （LNA），并試圖將 RFFE 放置得更靠近天線。這樣可以減小電纜長度，從而提高系統(tǒng) NF，并減少電纜插入損耗。

高 Q 值、低損耗的 RF 濾波器有助于減少溫度漂移的影響。它們還有助于減少鏈路預(yù)算插入損耗和相鄰頻段干擾。

高 Q 值（即品質(zhì)因數(shù)）表示諧振器的能量損耗相對(duì)于存儲(chǔ)能量的比率較低。高 Q 值 RF 濾波器的阻帶裙邊更狹窄、更陡峭。

另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素是頻率范圍。在較高的頻率下，獲得低噪聲系數(shù)更加困難。隨著汽車?yán)^續(xù)向更高頻率范圍遷移，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 Wi-Fi，達(dá)到噪聲系數(shù)規(guī)范變得更加困難。這種趨勢(shì)不太可能改變，我們的預(yù)期是頻率范圍將逐漸擴(kuò)展到 mmWave 范圍，例如 28GHz 或 34GHz。因此，噪聲系數(shù)仍將是車載系統(tǒng)面臨的一大挑戰(zhàn)。

2.線性度

PA 線性度描述了 PA 在不產(chǎn)生失真的情況下放大信號(hào)的能力。這個(gè)術(shù)語指的是 RF 放大器的主要工作，即提高輸入信號(hào)的功率水平，而不改變信號(hào)的內(nèi)容。

對(duì)于使用任何頻率調(diào)制機(jī)制來對(duì)信號(hào)幅度變化中的信息進(jìn)行編碼的系統(tǒng)而言，線性度至關(guān)重要。在電信和信號(hào)處理中，頻率調(diào)制是通過改變波的瞬時(shí)頻率，對(duì)載波中的信息進(jìn)行編碼。這些調(diào)制機(jī)制各不相同，從幅度調(diào)制 （AM） 到用于 Wi-Fi 的復(fù)雜正交幅度調(diào)制 （QAM）。調(diào)制機(jī)制取決于接收器識(shí)別信號(hào)幅度和相位的差異的能力。要保留信號(hào)中的幅度和相位變化，必須使用線性 PA。如果傳輸?shù)男盘?hào)失真，則接收器很難恢復(fù)在調(diào)制的幅度部分中編碼的信息。信號(hào)衰減會(huì)對(duì)系統(tǒng)的范圍和數(shù)據(jù)速率產(chǎn)生負(fù)面影響。

接收的信號(hào)可能包括不需要的大幅度帶外信號(hào)。這些不需要的信號(hào)可能導(dǎo)致接收器中的失真，降低所需信號(hào)的信噪比，影響范圍和數(shù)據(jù)吞吐量?？梢允褂脼V波器來抑制這些信號(hào)，并降低線性度要求。因此，使用帶通濾波器可降低針對(duì)帶外干擾信號(hào)的線性度要求。

非線性前端 PA 系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生頻譜再生，從而對(duì)相鄰?fù)ǖ喇a(chǎn)生干擾。頻譜再生是非線性器件（例如無線應(yīng)用中的 PA）中的重要失真機(jī)制。功率水平要求、溫度和鏈路預(yù)算增加都可能導(dǎo)致線性度問題。使用帶緣濾波器有助于減小由于相鄰信道用戶干擾導(dǎo)致的非線性失真。此外，RFFE 接收端上的共存濾波器也可以減少信號(hào)干擾，幫助改進(jìn)接收器頻段信噪比。

3.選擇性

選擇性是無線電接收器僅響應(yīng)經(jīng)過調(diào)諧的信號(hào)、而拒絕頻率相近的其他信號(hào)（例如相鄰信道上的另一個(gè)廣播）的性能的衡量指標(biāo)。

汽車無線通信系統(tǒng)可能受到多種干擾影響。汽車 RF 設(shè)計(jì)工程師必須同時(shí)考慮到無線電接收器周圍的內(nèi)部和外部 RF 信號(hào)。

濾波器可以衰減不需要的信號(hào)，同時(shí)讓需要的信號(hào)通過，而只產(chǎn)生最小的損耗，從而提高接收器選擇性。它們還有助于減少相鄰頻段干擾。隨著汽車中的頻段和無線電的平均數(shù)量增加，以及標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量增加，利用低漂移體聲波濾波器等高級(jí)濾波器技術(shù)可幫助工程師解決干擾難題。

在汽車系統(tǒng)的無線 RFFE 設(shè)計(jì)中，減少發(fā)熱量也是另一個(gè)考慮因素。使用高 Q 值 RF 濾波技術(shù)可減少熱量對(duì)插入損耗的影響。如圖 4-1 所示，使用高 Q 值低漂移濾波技術(shù)有助于減少熱漂移過程中的干擾。低漂移濾波器的頻率溫度系數(shù) （TCF） 較低，有助于減少插入損耗，降低相鄰信道干擾，并減少鏈路預(yù)算限制。

4.發(fā)熱和穩(wěn)定性

汽車中的溫度漂移可能會(huì)非常大。汽車應(yīng)力條件在 –40°C 至 150°C 之間變化。因此，汽車設(shè)計(jì)工程師和供應(yīng)商必須針對(duì)這些極端條件來驗(yàn)證和測(cè)試元件和系統(tǒng)（請(qǐng)參見圖 4-2）。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，工程師經(jīng)常要在線性度、功率輸出和效率之間進(jìn)行權(quán)衡。熱量會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的性能，如吞吐量、信號(hào)范圍和干擾抑制。因此，使用可減少熱量的 RFFE 組件來設(shè)計(jì)系統(tǒng)非常重要。使用優(yōu)化的高線性度功率放大器或前端模塊可減少整體發(fā)熱量。

影響汽車中的發(fā)熱量的另一個(gè)重要因素是電纜損耗。電纜損耗導(dǎo)致鏈路預(yù)算增加，意味著發(fā)射 （TX） RFFE PA 必須通過提高輸出功率來減少損耗，從而進(jìn)行補(bǔ)償。由于輸出功率增加，系統(tǒng)發(fā)熱量隨之增加，能效也會(huì)降低。

了解其他汽車 RF 挑戰(zhàn)

在汽車 RF 系統(tǒng)中，除了性能參數(shù)之外，還要考慮以下兩個(gè)重要話題：

開發(fā)滿足嚴(yán)格的汽車電子委員會(huì) （AEC） 汽車質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的元件。

滿足載波聚合 （CA） 和 DSDA 技術(shù)的系統(tǒng)要求。

1.接IATF和AEC標(biāo)準(zhǔn)

隨著汽車技術(shù)朝著更先進(jìn)的駕駛員輔助系統(tǒng)和自動(dòng)駕駛汽車的方向發(fā)展，風(fēng)險(xiǎn)也將提高。汽車行業(yè)開發(fā)了嚴(yán)格的元件制造和測(cè)試質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以確保日益復(fù)雜的 RF 元件在嵌入電子系統(tǒng)之后不會(huì)出現(xiàn)故障。

在整個(gè)制造和測(cè)試過程中，汽車行業(yè)制造商必須滿足指定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其中的三個(gè)關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)包括：

國際汽車推動(dòng)小組 （IATF） 16949：汽車行業(yè)的這項(xiàng)質(zhì)量管理系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)全球通用。汽車制造商通常均認(rèn)為組件的制造、組裝和測(cè)試廠商應(yīng)該通過了 IATF 16949 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證。

汽車電子委員會(huì) （AEC） Q100：規(guī)定了開關(guān)和 PA 等有源元件的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

AEC-Q200：規(guī)定了 Wi-Fi 通信和蜂窩通信所用 RF 濾波器等無源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。

部分測(cè)試僅限于汽車行業(yè)，例如早期故障率 （ELFR） 測(cè)試以及功率和溫度循環(huán) （PTC） 測(cè)試，前者需要將多個(gè)樣本（每個(gè)樣本含 800 個(gè)元件） 置于至少 125°C 的環(huán)境中，后者則需要將樣本置于高低溫循環(huán)交替的環(huán)境，溫度范圍在 –40°C 及以下到 125 °C 之間。

在更惡劣的條件下或者以更大的批量來執(zhí)行其他一些測(cè)試，以便提供更好的統(tǒng)計(jì)依據(jù)，來判斷生產(chǎn)元件是否可靠。

2.CA和DSDA

載波聚合 （CA） 讓移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商能夠?qū)⒑芏鄦为?dú)的 LTE 載波組合在一起，以提高帶寬和比特率。載波聚合技術(shù)用于將可用頻譜的多個(gè) LTE 分量載波 （CC） 合并起來，從而

支持更寬的連續(xù)或非連續(xù)的帶內(nèi)或帶間帶寬信號(hào)塊

提高上行鏈路、下行鏈路或雙向的網(wǎng)絡(luò)性能

將峰值數(shù)據(jù)速率提高到 1 GB/秒 （Gbps） 峰值下載速度

提高網(wǎng)絡(luò)的整體容量，以利用碎片化的頻譜分配

分量載波 （CC） 是通常分配給一個(gè)用戶的 LTE 信道。這對(duì)于 RF 設(shè)計(jì)人員來說是個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在汽車中，CA 將提供千兆級(jí)的 LTE 連接。為了達(dá)到這些速度，車載調(diào)制解調(diào)器使用先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理 （256 QAM） 和 4x4 MIMO，支持最多 4 個(gè)載波聚合。

MIMO 是一種適用于無線通信的天線技術(shù)，在發(fā)射器和接收器上都使用多個(gè)天線。通信電路每端的天線都組合在一起，以最大程度減少錯(cuò)誤，并且優(yōu)化數(shù)據(jù)速度。

汽車中的 CA 挑戰(zhàn)包括：

下行鏈路靈敏度：很多 CA 應(yīng)用需要使用 RF 濾波器、雙工器或復(fù)雜多路復(fù)用器的架構(gòu)。這些 RF 濾波器有助于確保各個(gè) TX 和 RX 路徑之間的隔離，幫助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)靈敏度。隨著更多頻段添加到系統(tǒng)中，使用更加復(fù)雜的濾波（例如多路復(fù)用器），設(shè)計(jì)人員必須確保各個(gè)頻段協(xié)同工作。

諧波生成：諧波由非線性元件生成，如 PA、雙工器和開關(guān)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中必須謹(jǐn)慎地進(jìn)行權(quán)衡，確保在電諧波消減時(shí)不會(huì)影響性能。

減敏：諧波和 TX 泄漏導(dǎo)致系統(tǒng)靈敏度降低，稱為減敏。減敏是由于噪聲源導(dǎo)致的靈敏度降低，這些噪聲通常是由同一無線電設(shè)備產(chǎn)生的。這會(huì)導(dǎo)致接收器性能降低，妨礙目標(biāo)信號(hào)的正確檢測(cè)。高開關(guān)隔離和濾波器衰減可以最大程度地減小信號(hào)路徑之間的干擾。

DSDA 技術(shù)在兩個(gè)活躍 CC 中使用兩個(gè)獨(dú)立的收發(fā)器和天線路徑。這使 OEM 能夠利用特定的簽約運(yùn)營商服務(wù)，同時(shí)讓車主能夠添加自己喜愛的運(yùn)營商。運(yùn)營商讓車主能夠?qū)⑵囂砑拥郊彝?shù)據(jù)計(jì)劃中并從中受益。缺點(diǎn)是 DSDA 會(huì)增加系統(tǒng)功耗，從而增加發(fā)熱量，還會(huì)提高 RFFE 復(fù)雜性。為了減少發(fā)熱量，設(shè)計(jì)人員必須使用線性和高效的 RFFE 模塊。

與 CA 相同，DSDA 也需要穩(wěn)定的低漂移濾波，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和汽車制造商的設(shè)計(jì)目標(biāo)。隨著 CC 數(shù)量增加，各個(gè)頻段濾波器和復(fù)雜的多路復(fù)用器的重要性也隨之提升。