如何化解與V2X相關(guān)的頻譜挑戰(zhàn)

引言

1）車輛互聯(lián)基礎(chǔ)知識(shí)

為了讓真正的自動(dòng)駕駛汽車能夠在沒有人工干預(yù)的情況下導(dǎo)航，所有類型的數(shù)據(jù)都必須與其它車輛及周圍的基礎(chǔ)設(shè)施連續(xù)且實(shí)時(shí)地共享。

這將通過車聯(lián)萬物（V2X）通信系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。V2X包括車對(duì)車（V2V）、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車對(duì)網(wǎng)絡(luò)（V2N）和車對(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，并帶來減少車輛維護(hù)的額外收益。

實(shí)現(xiàn)自主汽車的全部潛力相對(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解決相同的問題，并且各標(biāo)準(zhǔn)間可以共存。

圖1. 車輛互聯(lián)技術(shù)

雙頻Wi-Fi 2.4G/5G

GPS/GNSS/北斗

4G/5G蜂窩連接

娛樂中心

攝像頭

eCall/OnStar

SiriusXM電臺(tái)

V2X（C-V2X和DSRC）

維護(hù)用蜂窩無線電系統(tǒng)

遠(yuǎn)程無鑰匙進(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：

●   用于汽車安全的V2X（DSRC、C-V2X）： V2X將同車輛、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)駕駛開辟道路。

●   面向車輛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)駕駛車隊(duì)。

●   用于行車體驗(yàn)的4G/5G云連接： 駕駛員和乘客都能夠使用這種連接來享受全新行車體驗(yàn)，涵蓋從基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的導(dǎo)航，到后座娛樂與音樂流媒體服務(wù)。

●   打造卓越車內(nèi)體驗(yàn)和汽車經(jīng)銷商服務(wù)的Wi-Fi： 駕駛員和乘客可以享受許多基于Wi-Fi的增強(qiáng)型車內(nèi)體驗(yàn)。例如，整個(gè)車輛的有效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)備及無線倒車攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi還可以支持汽車經(jīng)銷商服務(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藍(lán)牙傳輸高保真音樂，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)字音頻無線電服務(wù)）：借助與基于衛(wèi)星的無線服務(wù)的連接，無論身在何處，車輛乘員都可以收聽到自己鐘愛的無線廣播節(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的全部?jī)?yōu)勢(shì)。

當(dāng)自動(dòng)駕駛汽車中的乘客使用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的共存問題（圖2）。擁有可靠V2X無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。這只有通過適當(dāng)?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/濾波器">濾波器方案才能實(shí)現(xiàn)，此類解決方案可為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

越來越多的功能增加了汽車中不同無線電設(shè)備的數(shù)量，如今的1輛車上有多達(dá)5種無線電設(shè)備（即V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、SDARS）。這意味著多個(gè)無線電收發(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)致接收器靈敏度問題。

共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號(hào)”帶來的干擾，其不僅會(huì)引發(fā)接收器靈敏度問題，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，讓我們從系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)的角度來比較LTCC和B47 V2X共存過濾器。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，即汽車是否具有內(nèi)置Wi-Fi功能。也就是說，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

解決此問題的1種方法是在V2X路徑上使用經(jīng)過適當(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)射的頻譜無法達(dá)到-65dBm/MHz的ETC規(guī)范要求。因此，除非在ETC無線電中或通過某些軟件緩解手段對(duì)其進(jìn)行處理，否則V2X無法與ETC共存。如右圖所示，如果在V2X無線電中插入設(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無線電中解決這一問題，否則ETC無法與V2X共存。如果在V2X無線電中使用設(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相鄰的特殊行車環(huán)境中無法發(fā)揮作用。

作者簡(jiǎn)介： Ali Bawangaonwal，營(yíng)銷主管，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] 車聯(lián)網(wǎng)傻瓜書[R/OL].Qorvor.

[3] Qorvo BAW濾波器產(chǎn)品[R/OL].

（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第8期。）