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合理避让:支持无缝通信、无干扰的车对万物设计

关键词:车对万物 传感器 自动驾驶

时间:2023-03-14 11:18:12      来源:Qorvo半导体

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,包括自行车、摩托车和其它车辆。为将其实现,无论是车内还是车外,来自传感器和其他来源的信息都通过低延迟、高可靠性的链路传播,这最终将有助于实现完全自动驾驶。

本文作者 Ali Bawangaonwala,Qorvo 高级营销经理


图 1:互联汽车

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,包括自行车、摩托车和其它车辆。为将其实现,无论是车内还是车外,来自传感器和其他来源的信息都通过低延迟、高可靠性的链路传播,这最终将有助于实现完全自动驾驶。参见图 1。

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,从而减少相关伤亡事件的发生。美国国家公路交通安全管理局 (NHTSA) 的一项研究发现,对于未对驾驶员造成损害的碰撞事故,互联汽车技术有望将事故率减少 80%。事实上,到 2024 年,汽车行业机构(比如: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。这项技术还将显著改善交通管理。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,并将驾驶员、行人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。

V2X 包含多个组成部分(请参阅边栏内 “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) 技术向车辆工程提出了挑战,例如车辆内外多个无线电设备导致的无线共存问题。未来的新型汽车内将配备大量的无线电,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(基站运营商授权的载波)都使用相同的 5.9GHz 频段进行通信。此外,4G LTE、5G 和 Wi-Fi 的频段都与 5.9GHz 的频率范围密切相连。

汽车的未来发展趋势

互联汽车采用了许多独特的连接技术,这些技术必须互不干扰信号质量,这样才能实现无缝通信。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、软件无线更新、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
·  Bluetooth®
·  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,专为汽车用途及一系列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

让我们共同了解滤波器技术解决方案帮助解决 V2X 与 Wi-Fi 和蜂窝频谱共存问题的方法。以下是三个主要挑战:

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

V2X 与 5GHz Wi-Fi 的共存挑战

如图 2 所示,Wi-Fi 5GHz 非授权的国家信息基础设施 3 (UNII 3) 频段与 5.9GHz 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 5.855GHz 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会导致互相干扰,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 5GHz 接收信号中的噪声。


图 2:V2X 与 Wi-Fi 在 5GHz 汽车应用中的共存

Wi-Fi 2.4GHz 与蜂窝频段 7、40 和 41 共存

V2X 中存在的另一个共存问题就是蜂窝频段 7、40 和 41 与 2.4GHz Wi-Fi 频段之间的干扰。如图 3 所示,Wi-Fi 2.4GHz 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)。


图 3:蜂窝与 Wi-Fi 2.4GHz 频段共存

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 40MHz。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 65MHz。必须在前端输入部分插入陷波器,以减少频谱泄露,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。


图 4:电子收费系统频段与 V2X 频段对比

应对这些 V2X 共存挑战的最佳滤波器技术是什么?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。

体声波 (BAW) 滤波器

如要避免在上述情况下产生干扰,高性能RF 带通滤波器就应具备在高频段工作的能力,BAW 非常适合在这种高频段工作。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。

在汽车的整个寿命期内,汽车应用中使用的滤波器必须能够在极端温度、湿度和振动条件下运行可靠运行,而石英晶体滤波器在这种环境下无法工作。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尺寸大,和应用难度大的滤波器技术。

独特的 BAW 滤波器具备所需的特性,能够提供 5.9GHz 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 1.5GHz 且需要高性能的应用中。此外,此技术基本上能够适应高达 7GHz 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 B47 频段/Wi-Fi BAW 共存滤波器,它可以实现与 V2X 5.9GHz 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连接。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 共存的连接环境中实现稳定的V2X 链路、足够的传输线性功率和出色的接收性能。未来,我们会借助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,随着我们不断发展,关于该话题的内容也会越来越多。

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