汽車(chē)行駛中的連接：射頻通信

今天的乘用車(chē)，特別是在美國，已成為行駛通信中心。一款典型的通用汽車(chē)（GM）包括AM、FM、衛星廣播、兩臺GPS接收機和蜂窩射頻。在乘客座位，還可能有藍牙；另外，以后還會(huì )增加用于車(chē)輛與車(chē)輛和車(chē)輛與基礎設施間通信的DSRC（專(zhuān)用短程通信，5.9GHz），也可能還有防碰撞雷達，不過(guò)這通常是一個(gè)單獨系統。

用于所有這些設備的大多數電子電路都位于“中控臺”—司機和前排乘客間那塊安裝屏幕和主控旋鈕的區域。衛星廣播、GPS、AM/FM收音機和蜂窩信號都是從外部到達車(chē)內，并且必須由天線(xiàn)來(lái)捕捉這些信號，然后通過(guò)電纜耦合到電子電路。為不使汽車(chē)滿(mǎn)布天線(xiàn)（這與警車(chē)不同），OEM（原始設備制造商）在開(kāi)發(fā)包含多個(gè)天線(xiàn)和電路板的多功能模塊（內含100多個(gè)器部件）。圖1是個(gè)新近的例子。

圖1:左圖為通用的一款用于2011年款車(chē)型的“鯊魚(yú)鰭”天線(xiàn)。右圖為安裝在2013款GMC Yukon車(chē)上的鯊魚(yú)鰭天線(xiàn)。該天線(xiàn)模塊安裝在擋風(fēng)玻璃的正上方。（資料來(lái)源：通用汽車(chē)）

圖1中的模塊包括GPS天線(xiàn)和低噪聲放大器（增益>25dB,噪聲系數1dB--黑線(xiàn)）、XM衛星廣播天線(xiàn)和低噪聲放大器（黃褐色電纜）、以及蜂窩天線(xiàn)（藍線(xiàn)）。三條端接特殊SMB連接器的同軸電纜安固在一個(gè)殼體上以簡(jiǎn)化安裝。3插頭連接器與車(chē)輛內部的電纜組件配固在一起，它具有鎖定功能，以防止振動(dòng)和溫度循環(huán)使這些連接器分開(kāi)。整個(gè)同軸電纜長(cháng)度可達20英尺或以上。一般情況，該電纜類(lèi)似RG-174。對于2.4GHz的衛星接收機和1.575GHZ的GPS天線(xiàn)，它會(huì )引入不小損耗。

在模塊中心，你可以看到一個(gè)頭螺栓和一個(gè)紅色夾子，它們是用來(lái)將模塊固定在車(chē)頂上的。電纜與安裝硬件共用一個(gè)安裝孔，安裝孔的直徑在20mm左右。因為目前如此多的車(chē)輛都采用在車(chē)頂安裝模塊的設計，所以，車(chē)頂上的這個(gè)孔成為任何進(jìn)出車(chē)輛通信的“緊俏”要道。

還有整合了“短FM”天線(xiàn)的模塊。它們包括特殊的匹配網(wǎng)絡(luò )，以允許更短的天線(xiàn)也能與射頻饋路實(shí)現阻抗匹配，這些設計是完全針對特定車(chē)輛平臺的。圖2是用于2013年款雪佛蘭科魯茲的此類(lèi)模塊的例子。

圖2:2013款雪佛蘭科魯茲RS-010，帶安裝在后擋風(fēng)玻璃（離玻璃很近）上方的短FM天線(xiàn)模塊。（資料來(lái)源：通用汽車(chē)）

根據車(chē)輛和特征，這些信號和用戶(hù)界面的整體架構可能與圖3類(lèi)似。

圖3: 在2013左右上市的乘用車(chē)中，典型的車(chē)載通信架構。

在這種拓撲中，從車(chē)頂天線(xiàn)模塊到車(chē)內中控臺會(huì )需約60英尺同軸電纜，在天線(xiàn)附近采用FAKRA連接器，在接收器的后部，會(huì )有更多連接器。順便提示下：FAKRA連接器是SMB連接器的特殊版本，并已經(jīng)發(fā)展成汽車(chē)內射頻連接的標準。該連接器外殼具有多種顏色，根據用途這些顏色業(yè)已標準化。例如：藍色是GPS；咖喱黃色是衛星廣播。每種顏色都有獨特卡銷(xiāo)，所以不會(huì )出現錯誤連接。

這些汽車(chē)通信系統中的大部分組件是由所謂的一級（Tier 1）供應商設計和制造并提供給OEM的。我與Ayman Duzdar博士進(jìn)行了交談，博士是Laird Technologies（萊爾德科技）的信息通信事業(yè)部全球工程總監，萊爾德是領(lǐng)先的一級通信方案提供商，它為美國和歐洲市場(chǎng)提供服務(wù)。Duzdar博士同意與我分享了一些我們可能幾年后才會(huì )看到的進(jìn)展。萊爾德已經(jīng)在開(kāi)發(fā)用于預計于2015至2019年上市的車(chē)型的設計，現在研發(fā)的新技術(shù)可能不會(huì )出現在近幾年面世的量產(chǎn)車(chē)上。Duzdar博士解釋說(shuō)，他們正在探索如何減少同軸電纜的用量，且同時(shí)增加連接功能，以使車(chē)頂安裝單元更加模塊化。圖4是種可能的建構。

圖4:未來(lái)的連接的汽車(chē)的一種可能架構。WiFi、GPS和4G接收機都被移至車(chē)頂模塊，然后通過(guò)以太網(wǎng)電纜連接到主機。

萊爾德信息通信事業(yè)部負責M2M業(yè)務(wù)的部門(mén)主管Jim Ciccarelli告訴我，他們也將DSRC納入規劃，DSRC將在車(chē)輛（車(chē)輛與車(chē)輛，或V2V）之間，以及車(chē)輛與固定基礎設施（V2I）之間使用射頻通信，以增加諸如防撞、路由、提供實(shí)時(shí)交通信息等安全特性。

由于車(chē)頂是V2V的理想位置，因此，需在模塊中增加另一個(gè)天線(xiàn)和射頻。DSRC將利用約5.9GHz的射頻頻譜，若使用同軸電纜實(shí)現從車(chē)頂天線(xiàn)到車(chē)內主機的信號饋送，則損耗可高達18dB，而眼下約為10dB，這使得新架構更有優(yōu)勢。比較圖3和圖4可以看到：中控臺的電子電路可以更簡(jiǎn)單，且可顯著(zhù)減少車(chē)內所用的同軸電纜和RF連接器的數量。

萊爾德已開(kāi)發(fā)出包含3G、WiFi（2.4GHz和5.8GHz頻段）、藍牙和GPS接收器/收發(fā)器的工作原型模塊。未來(lái)的迭代將移至4G/LTE、甚或DSRC。圖5是新模塊示例。

圖5:萊爾德科技未來(lái)的連接模塊原型。右上方是GPS貼片天線(xiàn)，它整合了蜂窩/WiFi/藍牙天線(xiàn)組合組件。PCB（反過(guò)來(lái)顯示背面）上的左邊部分是3G模塊；PCB上的其它部分用于藍牙和WiFi.注意：機殼是壓鑄的，可用作電子電路的屏蔽盒，機殼還具有可改善隔離的隔腔。　　

雖然這是個(gè)早期例子，但Duzdar博士談到了：使用WiFi下載娛樂(lè )內容的能力；支持WiFi為蜂窩連接“分擔”的可能性；在駕駛時(shí)，為后座乘客提供無(wú)線(xiàn)數據功能的前景。想象一下，在未來(lái)幾年，車(chē)內后座上的你家公子/公主能使用平板電腦連接到你的私人熱點(diǎn)，并使用4G聯(lián)網(wǎng)通信。