如何化解與 V2X 相關(guān)的頻譜挑戰(zhàn)

Wi-Fi 和 5G 是促進無人駕駛汽車發(fā)展的推動因素。頻譜干擾會對車輛駕駛和乘客安全造成不利影響，因此這些技術(shù)的協(xié)同工作和共存方式仍是個挑戰(zhàn)。本文討論支持車輛連接的技術(shù)，以及高選擇性濾波器解決方案如何應(yīng)對 V2X 與 Wi-Fi 共存挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)車輛通信。

Wi-Fi 和 5G 是促進無人駕駛汽車發(fā)展的推動因素。頻譜干擾會對車輛駕駛和乘客安全造成不利影響，因此這些技術(shù)的協(xié)同工作和共存方式仍是個挑戰(zhàn)。本文討論支持車輛連接的技術(shù)，以及高選擇性濾波器解決方案如何應(yīng)對 V2X 與 Wi-Fi 共存挑戰(zhàn)，以實現(xiàn)車輛通信。

車輛連接的基礎(chǔ)

為了讓真正的無人駕駛汽車在無人干預(yù)的情況下導(dǎo)航，必須與其他車輛和周圍基礎(chǔ)設(shè)施持續(xù)實時共享所有類型的數(shù)據(jù)。

這將通過車對萬物 (V2X) 通信系統(tǒng)實現(xiàn)。V2X 包括車對車 (V2V)、車對基礎(chǔ)設(shè)施 (V2I)、車對網(wǎng)絡(luò) (V2N) 和車對行人 (V2P) 通信。

V2X 以 5.9GHz 專用短距離通信技術(shù)為基礎(chǔ)，適用于快速移動物體。即使在非視線條件下，它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到前方出現(xiàn)危險狀況，從而減少潛在的汽車碰撞和傷亡事故。

此外，通過發(fā)出即將出現(xiàn)交通擁堵的警告并提供可選路線建議，V2X 可提高全球運輸效率，并減少二氧化碳排放量，同時還可以降低車輛維護需求。

由于 V2X 可以是 C-V2X（基于蜂窩技術(shù)的車對萬物），即采用蜂窩技術(shù)創(chuàng)建直接通信鏈路，也可以是 DSRC（專用短距通信），即以 IEEE 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，并且曾經(jīng)是唯一可用的 V2X 技術(shù)，所以實現(xiàn)無人駕駛汽車的全部潛力比較復(fù)雜。

然而，不同汽車制造商和國家/地區(qū)支持一種或另一種標(biāo)準(zhǔn)，然而，可以使用相同頻譜來解決同一問題，且可以共存。

了解連接技術(shù)

為了更好地了解共存挑戰(zhàn)，我們必須了解車輛連接中涉及的技術(shù)及其功能（圖 1）。因為每種技術(shù)有其自己的特性，所以它們能夠交互且不會降低其他技術(shù)的性能。

圖 1：車輛連接技術(shù)

這些技術(shù)包括：

5G 和 LTE 的共存挑戰(zhàn)

通過了解各種技術(shù)的功能/優(yōu)勢，我們可以更好地了解共存挑戰(zhàn)，尤其是與 5G 和 LTE 的兼容性。

5G（第五代蜂窩技術(shù)）可提高數(shù)據(jù)速率，減少延遲并提高無線服務(wù)的靈活性。5G 頻譜分為 6 GHz 以下頻譜和毫米波。

Wi-Fi 在 2.4GHz、5.2GHz 和 5.6GHz 頻譜下運行，且 2.4GHz Wi-Fi 必須與 LTE B40 和 B41 頻段共存。5GHz Wi-Fi 的數(shù)據(jù)速率高于 2.4GHz，這是因為 5GHz 頻段的帶寬更大，可以將更多信道捆綁在一起。這意味著射頻工程師必須使用正確的濾波器產(chǎn)品（即在相鄰頻段中具有足夠衰減性能，實現(xiàn)好的接收靈敏度），從而充分利用更寬的頻段。

圖 2：V2X 與 5GHz Wi-Fi 共存

當(dāng)自動駕駛汽車中的乘客使用 5.6GHz 熱點時，5.6GHz Wi-Fi 與 V2X（圖 2）的共存就成為另一個挑戰(zhàn)。實現(xiàn)可靠 V2X 無線電鏈路的唯一方式就是確保相對低的接收器靈敏度劣化。只有使用在 5.6GHz Wi-Fi 提供足夠帶外衰減的適當(dāng)濾波器解決方案，才有可能實現(xiàn)這一目標(biāo)（圖 3 和圖 4）。

高性能濾波解決方案——為什么 LTCC 不足夠

越來越多的功能陣列增加了汽車中不同無線電的數(shù)量，如今，一輛汽車擁有多達(dá) 5 個無線電（即 V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍(lán)牙、SDARS）。這意味著多個無線電收發(fā)器彼此靠近，在不同頻段中運行。如果一個 RF 鏈的發(fā)射功率超過附近接收器接收的信號功率水平，則會產(chǎn)生接收器靈敏度問題。

共存濾波器有助于減少這些 “干擾信號” 產(chǎn)生的干擾，從而避免接收器靈敏度問題和不符合法規(guī)的問題。然而，并非所有聲稱具有共存功能的濾波器都適合該應(yīng)用。例如：圖 3 比較了 B47 體聲波 (BAW) 濾波器和低溫共燒陶瓷 (LTCC) 寬帶濾波器的性能和系統(tǒng)影響。

圖 3：QPQ2200Q 與 LTCC 進行比較：寬頻性能。

……如今，一輛汽車擁有多達(dá) 5 個無線電……

LTCC 只能過濾寬帶頻率。B47 BAW 濾波器具有與 LTCC 濾波器類似的插入損耗，但具有較高的 5GHz UNII 1-3 頻段抑制性能。B47 BAW 濾波器可在 Tx/Rx 路徑中取代 LTCC 濾波器，或只放置在 Rx 側(cè)。圖 4 說明了LTCC 濾波器如何不抑制 UNI-3 頻段，以及如何對 UNII-2 和 UNI-1 頻段提供較差的抑制度。

圖 4：QPQ2200Q 與 LTCC 進行比較：B47 BAW 濾波器可抑制 5GHz UNII 1-3 頻段

接下來，我們從系統(tǒng)和實現(xiàn)角度來比較 LTCC 與 B47 V2X 共存濾波器。圖 5 比較了實現(xiàn) 1,000 米 V2X 鏈路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天線隔離。左圖顯示的 V2X 系統(tǒng)（TCU + 有源天線）在 Tx 路徑上只有一個 LTCC 濾波器，此時要求大于 80dB 的天線隔離，這在實踐中可能比較難以實現(xiàn)。右圖顯示的 V2X 系統(tǒng)在 TCU 中有一個 B47 V2X 共存濾波器，實現(xiàn) 1,000 米 V2X 鏈路，只需要 15dB 天線隔離的有源天線。如果設(shè)計/系統(tǒng)工程師能夠?qū)崿F(xiàn)超過 20dB 的天線隔離，那么他們可能只需要在有源天線中安裝一個 V2X 共存濾波器。除了車內(nèi) Wi-Fi，在決定濾波器解決方案時還需要考慮另一個使用案例，即車輛是否具有新引入的 Wi-Fi 功能。也就是說，天線隔離由乘客使用的手機 Wi-Fi 熱點決定。

圖 5：實現(xiàn)可靠 V2X 鏈路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天線隔離：QPQ2200Q B47 與 LTCC 進行比較。

Qorvo 的濾波器產(chǎn)品采用已獲專利的 BAW 技術(shù)，經(jīng)過優(yōu)化可滿足復(fù)雜的選擇性要求，標(biāo)準(zhǔn)頻率范圍為 1.5GHz 至 6GHz。例如：Qorvo QPQ2200Q 濾波器是全球首款解決自動駕駛汽車中 V2X 和 5.6GHz Wi-Fi 共存問題的濾波器。另一個示例是 Qorvo QPQ2254Q 2.4GHz Wi-Fi 濾波器，其設(shè)計支持 Wi-Fi 2.4G 與 LTE B40 和 B41 同時共存。這些濾波器的尺寸比陶瓷濾波器更小，從而提高了設(shè)計靈活性。

然而，即使是 BAW 帶通濾波器也不能完全解決 V2X 環(huán)境中的共存問題。我們還必須考慮陷波濾波器所發(fā)揮的重要作用。上文討論的帶通濾波器可提供足夠的帶外抑制，而 Qorvo 的 QPQ2230Q 陷波濾波器可 “消除” 5GHz Wi-Fi 路徑在 V2X 的 Rx 頻段產(chǎn)生的噪聲，從而防止 Rx 頻段噪聲耦合到 V2X 系統(tǒng)中，導(dǎo)致靈敏度劣化問題，如系統(tǒng)計算器（圖 6）中所示。圖 7 顯示，如果 5GHz Wi-Fi 路徑上未使用陷波濾波器，V2X 接收器中會出現(xiàn)高達(dá) 18dB 的靈敏度劣化，而采用 BAW 技術(shù)優(yōu)勢且精心設(shè)計的陷波濾波器，其靈敏度劣化幾乎為零。

圖 6：5GHz 路徑上帶有 V2X 陷波濾波器 (QPQ2230Q) 的 Wi-Fi 前端。

圖 7：使用和不使用 QPQ2230Q 陷波濾波器時的 Rx 頻段噪聲和靈敏度劣化。

另一個需要高度重視的關(guān)鍵挑戰(zhàn)就是，V2X 需要與電子收費 (ETC) 共存。此時的問題在于，ETC 頻譜（歐洲為 5795-5815MHz，中國為 5790-5800MHz UL，5830-5840MHz DL）過于接近 V2X 頻譜（北美和歐洲為 5855-5925MHz，中國為 5905-5925MHz），如圖 8 中所示。

圖 8：全球 ETC 頻譜與 V2X 共存。

解決這個問題的一種方法就是在 V2X 路徑上使用設(shè)計合理的濾波器來剔除 ETC 頻譜。讓我們來了解一下歐洲的情況。圖 9 比較了在 V2X FEM 輸入端使用和不使用陷波濾波器的頻譜泄露。左圖顯示 PA 輸出端的頻譜泄露無法通過 ETC 規(guī)格要求 (-65dBm/MHz)，因此 V2X 無法與 ETC 共存，除非在 ETC 無線電中，或者通過一些軟件規(guī)避的方法解決了這個問題。右圖顯示，如果在 V2X 無線電中插入了精心設(shè)計的陷波濾波器，則 V2X 可以與 ETC 共存。

圖 9：歐洲：頻譜泄露模板進行比較— 使用和不使用 ETC 陷波濾波器。

現(xiàn)在，我們來看看中國的頻譜狀況（圖 10）。從左圖中我們可以看出，ETC 無法與 V2X 共存，除非在 ETC 無線電中解決了這個問題。右圖顯示了在 V2X 無線電中使用精心設(shè)計的濾波器時，符合 ETC 規(guī)格要求 (-65dBm/MHz) 且裕量充足。

圖 10：中國：頻譜發(fā)射屏蔽進行比較— 使用和不使用 ETC 陷波濾波器。

表征高性能濾波器產(chǎn)品的兩個參數(shù)是諧振器質(zhì)量，即品質(zhì)因數(shù) (Q) 和耦合因數(shù) (k2)。最大限度減少插入損耗需要高 Q 值，而高 k2 支持更寬的帶寬。諧振器層面的技術(shù)進步有助于改善插入損耗和選擇性性能，使帶寬更寬的濾波器產(chǎn)品可以在高達(dá) 6GHz 的頻率條件下運行。

結(jié)論

高 Q 帶通濾波器和陷波器組合可為自動駕駛汽車設(shè)計中的共存挑戰(zhàn)提供最完整的解決方案。根據(jù)上面討論的數(shù)據(jù)，LTCC 濾波器并不是真正的共存濾波器，在 Wi-Fi 和 V2X 彼此相鄰的獨特汽車環(huán)境中根本不起作用。

通過使用先進的 BAW 帶通濾波器和陷波濾波器解決方案，可實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)頻譜上所有技術(shù)的無縫共存，從而確保我們?nèi)找鎵汛蟮囊苿邮澜绺影踩煽?，更具有生活樂趣?/p>

（來源： Qorvo半導(dǎo)體，作者 Ali Bawangaonwala, Qorvo 高級營銷經(jīng)理）