隨著(zhù)各種通信的引入，汽車(chē)內部的電子通信系統已經(jīng)大幅增加。如圖 3-4 所示，汽車(chē)內部有多個(gè) RF 前端 (RFFE) 鏈和天線(xiàn)，例如 Wi-Fi、蜂窩、藍牙等。此外，圖 3-4 中標注的某些標準有一個(gè)或兩個(gè)以上的信號路徑。

 

 

其中很多 RF 鏈為新汽車(chē)系統智能做出了貢獻。

 

首先，這種系統智能收集來(lái)自傳感器、攝像頭、車(chē)載連接的數據，從而提供重要數據和服務(wù)。RF 元器件，例如放大器、開(kāi)關(guān)、濾波器和高度集成模塊，為汽車(chē)處理和通信系統添加了重要功能。隨著(zhù)我們升級到自動(dòng)化程度更高的汽車(chē)，這些系統及其功能也將變得更為復雜。

 

此外，新的 RF 鏈，例如毫米波 (mmWave)，將遷移到汽車(chē)上，提供的精度和數據傳輸速率是當前系統的三倍。這使設計人員能夠實(shí)現更智能的車(chē)載通信和感測，幫助汽車(chē)檢測和避讓其他汽車(chē)、行人、物體和設備。

 

正如蜂窩技術(shù)市場(chǎng)的發(fā)展過(guò)程跌宕起伏一樣，汽車(chē)未來(lái)的轉變市場(chǎng)也不會(huì )一帆風(fēng)順?？蛻?hù)將影響汽車(chē)設計，監管機構將控制和影響技術(shù)成形，汽車(chē)周?chē)?LTE/5G 互聯(lián)世界將不斷進(jìn)步。RF 設計工程師必須在應用中實(shí)現性能和機遇的平衡，才能滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。

 

探索互聯(lián)汽車(chē)的RF挑戰和解決方案

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

 

現代汽車(chē)擁有比智能手機更高的計算能力和技術(shù)復雜性。因此，現代汽車(chē)中不同技術(shù)和 RF 信號之間的干擾是設計工程師始終都要面對的挑戰。

 

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)境條件下運行，以遵守嚴格的汽車(chē)質(zhì)量標準。最后，CA 和 DSDA 技術(shù)的系統要求帶來(lái)了更多挑戰。

 

這就要求我們要先了解RF相關(guān)的關(guān)鍵性能參數。據了解，與 RF 相關(guān)的關(guān)鍵性能參數挑戰包括接收器靈敏度、線(xiàn)性度、選擇性和發(fā)熱和穩定性。

 

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程度。接收器能夠接收的功率級別越低，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。

 

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

 

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

 

在汽車(chē)中，多種因素可能導致噪聲系數高于其他應用，或者帶來(lái)更多的 SNR 挑戰。這些挑戰包括:

 

● 在某些汽車(chē)應用中，很長(cháng)的 RF 同軸電纜可能導致噪聲系數和信號損耗增大。

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

 

為了減小長(cháng)電纜中的損耗導致的噪聲系數，設計人員使用低噪聲放大器 (LNA)，并試圖將 RFFE 放置得更靠近天線(xiàn)。這樣可以減小電纜長(cháng)度，從而提高系統 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算插入損耗和相鄰頻段干擾。

 

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

 

另一個(gè)設計考慮因素是頻率范圍。在較高的頻率下，獲得低噪聲系數更加困難。隨著(zhù)汽車(chē)繼續向更高頻率范圍遷移，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò )和 Wi-Fi，達到噪聲系數規范變得更加困難。這種趨勢不太可能改變，我們的預期是頻率范圍將逐漸擴展到 mmWave 范圍，例如 28GHz 或 34GHz。因此，噪聲系數仍將是車(chē)載系統面臨的一大挑戰。

 

2、線(xiàn)性度

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

 

對于使用任何頻率調制機制來(lái)對信號幅度變化中的信息進(jìn)行編碼的系統而言，線(xiàn)性度至關(guān)重要。在電信和信號處理中，頻率調制是通過(guò)改變波的瞬時(shí)頻率，對載波中的信息進(jìn)行編碼。這些調制機制各不相同，從幅度調制 (AM) 到用于 Wi-Fi 的復雜正交幅度調制 (QAM)。調制機制取決于接收器識別信號幅度和相位的差異的能力。要保留信號中的幅度和相位變化，必須使用線(xiàn)性 PA。如果傳輸的信號失真，則接收器很難恢復在調制的幅度部分中編碼的信息。信號衰減會(huì )對系統的范圍和數據速率產(chǎn)生負面影響。

 

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

 

非線(xiàn)性前端 PA 系統會(huì )產(chǎn)生頻譜再生，從而對相鄰通道產(chǎn)生干擾。頻譜再生是非線(xiàn)性器件(例如無(wú)線(xiàn)應用中的 PA)中的重要失真機制。功率水平要求、溫度和鏈路預算增加都可能導致線(xiàn)性度問(wèn)題。使用帶緣濾波器有助于減小由于相鄰信道用戶(hù)干擾導致的非線(xiàn)性失真。此外，RFFE 接收端上的共存濾波器也可以減少信號干擾，幫助改進(jìn)接收器頻段信噪比。

 

3、選擇性

選擇性是無(wú)線(xiàn)電接收器僅響應經(jīng)過(guò)調諧的信號、而拒絕頻率相近的其他信號(例如相鄰信道上的另一個(gè)廣播)的性能的衡量指標。

 

汽車(chē)無(wú)線(xiàn)通信系統可能受到多種干擾影響。汽車(chē) RF 設計工程師必須同時(shí)考慮到無(wú)線(xiàn)電接收器周?chē)膬炔亢屯獠?RF 信號。

 

濾波器可以衰減不需要的信號，同時(shí)讓需要的信號通過(guò)，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(zhù)汽車(chē)中的頻段和無(wú)線(xiàn)電的平均數量增加，以及標準的數量增加，利用低漂移體聲波濾波器等高級濾波器技術(shù)可幫助工程師解決干擾難題。

 

在汽車(chē)系統的無(wú)線(xiàn) RFFE 設計中，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(guò)程中的干擾。低漂移濾波器的頻率溫度系數 (TCF) 較低，有助于減少插入損耗，降低相鄰信道干擾，并減少鏈路預算限制。

 

 

4、發(fā)熱和穩定性

汽車(chē)中的溫度漂移可能會(huì )非常大。汽車(chē)應力條件在 –40°C 至 150°C 之間變化。因此，汽車(chē)設計工程師和供應商必須針對這些極端條件來(lái)驗證和測試元件和系統(請參見(jiàn)圖 4-2)。

 

 

在系統設計中，工程師經(jīng)常要在線(xiàn)性度、功率輸出和效率之間進(jìn)行權衡。熱量會(huì )降低整個(gè)系統的性能，如吞吐量、信號范圍和干擾抑制。因此，使用可減少熱量的 RFFE 組件來(lái)設計系統非常重要。使用優(yōu)化的高線(xiàn)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(chē)中的發(fā)熱量的另一個(gè)重要因素是電纜損耗。電纜損耗導致鏈路預算增加，意味著(zhù)發(fā)射 (TX) RFFE PA 必須通過(guò)提高輸出功率來(lái)減少損耗，從而進(jìn)行補償。由于輸出功率增加，系統發(fā)熱量隨之增加，能效也會(huì )降低。

 

了解其他汽車(chē)RF挑戰

 

在汽車(chē) RF 系統中，除了性能參數之外，還要考慮以下兩個(gè)重要話(huà)題:

 

開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足嚴格的汽車(chē)電子委員會(huì ) (AEC) 汽車(chē)質(zhì)量標準的元件。

 

滿(mǎn)足載波聚合 (CA) 和 DSDA 技術(shù)的系統要求。

 

1、接IATF和AEC標準

隨著(zhù)汽車(chē)技術(shù)朝著(zhù)更先進(jìn)的駕駛員輔助系統和自動(dòng)駕駛汽車(chē)的方向發(fā)展，風(fēng)險也將提高。汽車(chē)行業(yè)開(kāi)發(fā)了嚴格的元件制造和測試質(zhì)量標準，以確保日益復雜的 RF 元件在嵌入電子系統之后不會(huì )出現故障。

 

在整個(gè)制造和測試過(guò)程中，汽車(chē)行業(yè)制造商必須滿(mǎn)足指定的行業(yè)標準。其中的三個(gè)關(guān)鍵標準包括:

 

● 國際汽車(chē)推動(dòng)小組 (IATF) 16949:汽車(chē)行業(yè)的這項質(zhì)量管理系統標準全球通用。汽車(chē)制造商通常均認為組件的制造、組裝和測試廠(chǎng)商應該通過(guò)了 IATF 16949 標準認證。

● 汽車(chē)電子委員會(huì ) (AEC) Q100:規定了開(kāi)關(guān)和 PA 等有源元件的標準測試。

● AEC-Q200:規定了 Wi-Fi 通信和蜂窩通信所用 RF 濾波器等無(wú)源設備的標準測試。

 

部分測試僅限于汽車(chē)行業(yè)，例如早期故障率 (ELFR) 測試以及功率和溫度循環(huán) (PTC) 測試，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(lái)執行其他一些測試，以便提供更好的統計依據，來(lái)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 )運營(yíng)商能夠將很多單獨的 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(lái)，從而

 

● 支持更寬的連續或非連續的帶內或帶間帶寬信號塊

● 提高上行鏈路、下行鏈路或雙向的網(wǎng)絡(luò )性能

● 將峰值數據速率提高到 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(hù)的 LTE 信道。這對于 RF 設計人員來(lái)說(shuō)是個(gè)嚴峻的挑戰。在汽車(chē)中，CA 將提供千兆級的 LTE 連接。為了達到這些速度，車(chē)載調制解調器使用先進(jìn)的數字信號處理 (256 QAM) 和 4x4 MIMO，支持最多 4 個(gè)載波聚合。

 

MIMO 是一種適用于無(wú)線(xiàn)通信的天線(xiàn)技術(shù)，在發(fā)射器和接收器上都使用多個(gè)天線(xiàn)。通信電路每端的天線(xiàn)都組合在一起，以最大程度減少錯誤，并且優(yōu)化數據速度。

 

汽車(chē)中的 CA 挑戰包括：

● 下行鏈路靈敏度:很多 CA 應用需要使用 RF 濾波器、雙工器或復雜多路復用器的架構。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)現系統靈敏度。隨著(zhù)更多頻段添加到系統中，使用更加復雜的濾波(例如多路復用器)，設計人員必須確保各個(gè)頻段協(xié)同工作。

● 諧波生成:諧波由非線(xiàn)性元件生成，如 PA、雙工器和開(kāi)關(guān)。設計人員在設計中必須謹慎地進(jìn)行權衡，確保在電諧波消減時(shí)不會(huì )影響性能。

● 減敏:諧波和 TX 泄漏導致系統靈敏度降低，稱(chēng)為減敏。減敏是由于噪聲源導致的靈敏度降低，這些噪聲通常是由同一無(wú)線(xiàn)電設備產(chǎn)生的。這會(huì )導致接收器性能降低，妨礙目標信號的正確檢測。高開(kāi)關(guān)隔離和濾波器衰減可以最大程度地減小信號路徑之間的干擾。

 

DSDA 技術(shù)在兩個(gè)活躍 CC 中使用兩個(gè)獨立的收發(fā)器和天線(xiàn)路徑。這使 OEM 能夠利用特定的簽約運營(yíng)商服務(wù)，同時(shí)讓車(chē)主能夠添加自己喜愛(ài)的運營(yíng)商。運營(yíng)商讓車(chē)主能夠將汽車(chē)添加到家庭數據計劃中并從中受益。缺點(diǎn)是 DSDA 會(huì )增加系統功耗，從而增加發(fā)熱量，還會(huì )提高 RFFE 復雜性。為了減少發(fā)熱量，設計人員必須使用線(xiàn)性和高效的 RFFE 模塊。

 

與 CA 相同，DSDA 也需要穩定的低漂移濾波，以實(shí)現系統和汽車(chē)制造商的設計目標。隨著(zhù) CC 數量增加，各個(gè)頻段濾波器和復雜的多路復用器的重要性也隨之提升。