如何化解與V2X相關(guān)的頻譜挑戰

引言

1）車(chē)輛互聯(lián)基礎知識

為了讓真正的自動(dòng)駕駛汽車(chē)能夠在沒(méi)有人工干預的情況下導航，所有類(lèi)型的數據都必須與其它車(chē)輛及周?chē)幕A設施連續且實(shí)時(shí)地共享。

這將通過(guò)車(chē)聯(lián)萬(wàn)物（V2X）通信系統來(lái)實(shí)現。V2X包括車(chē)對車(chē)（V2V）、車(chē)對基礎設施（V2I）、車(chē)對網(wǎng)絡(luò )（V2N）和車(chē)對行人（V2P）等多個(gè)層面的通信。

V2X基于5.9 GHz專(zhuān)用短距通信，專(zhuān)為快速移動(dòng)的物體而設計。即使在非視線(xiàn)條件下，也可以建立可靠的無(wú)線(xiàn)電鏈路。這種可信鏈路使駕駛員能夠意識到前方的危險，從而減少潛在的汽車(chē)碰撞、死亡和傷害。

此外，V2X能夠預警即將發(fā)生的交通擁堵并建議替代路線(xiàn)，以此提升全球運輸效率并減少CO2排放，并帶來(lái)減少車(chē)輛維護的額外收益。

實(shí)現自主汽車(chē)的全部潛力相對復雜，因為V2X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(chē)聯(lián)網(wǎng)），也可以是基于IEEE 802.11p標準的DSRC（專(zhuān)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(chē)制造商和國家/地區都在支持一種或另一種標準，但是都利用相同的頻譜來(lái)解決相同的問(wèn)題，并且各標準間可以共存。

圖1. 車(chē)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(lè )中心

攝像頭

eCall/OnStar

SiriusXM電臺

V2X（C-V2X和DSRC）

維護用蜂窩無(wú)線(xiàn)電系統

遠程無(wú)鑰匙進(jìn)入

胎壓監測

2）了解連接技術(shù)

為了更好地理解實(shí)現信號共存的挑戰，我們必須研究與車(chē)輛連接性有關(guān)的技術(shù)及其功能（圖1）。 因為每種技術(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(chē)安全的V2X（DSRC、C-V2X）： V2X將同車(chē)輛、路邊基礎設施以及整個(gè)環(huán)境進(jìn)行通信，以提高安全性并為自動(dòng)駕駛開(kāi)辟道路。

●   面向車(chē)輛OEM服務(wù)的4G/5G云連接： 用于4G/5G連接的應用程序可以包括遠程診斷和監控汽車(chē)運行情況、進(jìn)行空中下載軟件更新、執行遠程操作，以及操作共享自動(dòng)駕駛車(chē)隊。

●   用于行車(chē)體驗的4G/5G云連接： 駕駛員和乘客都能夠使用這種連接來(lái)享受全新行車(chē)體驗，涵蓋從基于增強現實(shí)的導航，到后座娛樂(lè )與音樂(lè )流媒體服務(wù)。

●   打造卓越車(chē)內體驗和汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商服務(wù)的Wi-Fi： 駕駛員和乘客可以享受許多基于Wi-Fi的增強型車(chē)內體驗。例如，整個(gè)車(chē)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，并獲得兼容設備及無(wú)線(xiàn)倒車(chē)攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi還可以支持汽車(chē)經(jīng)銷(xiāo)商服務(wù)，從而實(shí)現自動(dòng)檢入、診斷數據傳輸和軟件更新。

●   藍牙： 駕駛員和乘客可通過(guò)藍牙傳輸高保真音樂(lè )，并從一些實(shí)用服務(wù)中受益，例如將智能手機用作遙控鑰匙。

●   SDARS（衛星數字音頻無(wú)線(xiàn)電服務(wù)）：借助與基于衛星的無(wú)線(xiàn)服務(wù)的連接，無(wú)論身在何處，車(chē)輛乘員都可以收聽(tīng)到自己鐘愛(ài)的無(wú)線(xiàn)廣播節目。

圖2 V2X與5 GHz Wi-Fi共存

1   5G和LTE的共存挑戰

基于對各種技術(shù)功能/優(yōu)勢的理解，我們可以更好地應對共存挑戰——特別是與5G和LTE的兼容性。

5G，即第五代蜂窩技術(shù)，可以提高數據速率，減少等待時(shí)間并增強無(wú)線(xiàn)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更高的數據速率。這意味著(zhù)無(wú)線(xiàn)電設計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(lái)的全部?jì)?yōu)勢。

當自動(dòng)駕駛汽車(chē)中的乘客使用5.6 GHz熱點(diǎn)時(shí)會(huì )出現新的挑戰，即5.6 GHz Wi-Fi與V2X的共存問(wèn)題（圖2）。擁有可靠V2X無(wú)線(xiàn)電鏈路的唯一方法是確保接收器的靈敏度降幅相對較低。這只有通過(guò)適當的濾波器方案才能實(shí)現，此類(lèi)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(lái)越多的功能增加了汽車(chē)中不同無(wú)線(xiàn)電設備的數量，如今的1輛車(chē)上有多達5種無(wú)線(xiàn)電設備（即V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍牙、SDARS）。這意味著(zhù)多個(gè)無(wú)線(xiàn)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(guò)到達附近接收器信號的功率水平，則可能導致接收器靈敏度問(wèn)題。

共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號”帶來(lái)的干擾，其不僅會(huì )引發(fā)接收器靈敏度問(wèn)題，還會(huì )導致不合規。但是，并非所有聲稱(chēng)具有共存功能的過(guò)濾器都適合該工作。例如，圖3中的曲線(xiàn)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影響。

頻率/MHz

LTCC僅過(guò)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(lái)了對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?xún)H放置在Rx端。圖4顯示了LTCC濾波器如何對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5GHz UNII 1-3頻段的抑制

頻率/MHz

接下來(lái)，讓我們從系統和實(shí)現的角度來(lái)比較LTCC和B47 V2X共存過(guò)濾器。圖5比較了創(chuàng )建1 000 m V2X鏈路所需的V2X-Wi-Fi天線(xiàn)隔離。左圖顯示了一個(gè)V2X系統（TCU+有源天線(xiàn)），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(xiàn)隔離，這在實(shí)際應用中可能很難實(shí)現。右圖顯示了1個(gè)V2X系統，TCU中的B47 V2X共存濾波器和有源天線(xiàn)僅需15 dB的天線(xiàn)隔離度便可獲得1 000 m的V2X鏈路。如果設計/系統工程師能夠達到20 dB以上的天線(xiàn)隔離，他們可能只需要在有源天線(xiàn)中安裝1個(gè)V2X共存濾波器。除了車(chē)內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(chē)是否具有內置Wi-Fi功能。也就是說(shuō)，此時(shí)天線(xiàn)的隔離度由用手機建立Wi-Fi熱點(diǎn)的乘客決定。

圖5 V2X——實(shí)現可靠V2X鏈路所需的Wi-Fi天線(xiàn)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(xiàn)耦合（dB）

壓縮（dB）

鏈路距離（米）

壓縮（dB）

無(wú)B47 BAW

LTCC濾波器需要Wi-Fi和V2X間大于80dB的天線(xiàn)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(xiàn)耦合（dB）

壓縮（dB）

鏈路距離（米）

壓縮（dB）

在TCU和補償器中使用B47 BAW

如將B47 BAW放置于天線(xiàn)端口，則可移除LTCC

Qorvo的濾波器產(chǎn)品采用BAW專(zhuān)利技術(shù)；該技術(shù)經(jīng)過(guò)優(yōu)化以可滿(mǎn)足復雜的選擇性要求，標準封裝覆蓋從(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(chē)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，設計用于實(shí)現與LTE B40和B41的共存。此類(lèi)濾波器占板面積小于陶瓷濾波器，從而增加了設計靈活性。

然而，即使BAW帶通濾波器也不是解決V2X環(huán)境中共存問(wèn)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，并引起靈敏度下降，如系統計算器所示（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18 dB的靈敏度降幅；相比之下，基于BAW技術(shù)優(yōu)勢精心設計的陷波濾波器可達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(zhuān)用BT天線(xiàn)

圖7 在有無(wú)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(wú)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

OOB干擾器

壓縮

靈敏度，dBm：

靈敏度降幅，dB

無(wú)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

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)收費系統（ETC）共存，這是另一個(gè)需要特別注意的關(guān)鍵挑戰。其問(wèn)題在于，ETC頻譜（歐洲為5 795~5 815 MHz，中國為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UL 10MHz

ETC中國DL 10MHz

V2X北美及歐洲 70MHz

V2X中國 20MHz

解決此問(wèn)題的1種方法是在V2X路徑上使用經(jīng)過(guò)適當設計的濾波器對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(wú)法達到-65dBm/MHz的ETC規范要求。因此，除非在ETC無(wú)線(xiàn)電中或通過(guò)某些軟件緩解手段對其進(jìn)行處理，否則V2X無(wú)法與ETC共存。如右圖所示，如果在V2X無(wú)線(xiàn)電中插入設計良好的陷波濾波器，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(wú)濾波器

頻譜功率，dBm/100 kHz

頻率（MHz）

Tx驅動(dòng)-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為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驅動(dòng)-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益27.7 dB

現在，讓我們看看中國的頻譜狀況（圖10）。同樣，如左圖所示，除非在ETC無(wú)線(xiàn)電中解決這一問(wèn)題，否則ETC無(wú)法與V2X共存。如果在V2X無(wú)線(xiàn)電中使用設計良好的濾波器，則符合-65 dBm/MHz的ETC規范裕度，如右圖所示。

表征高性能濾波器產(chǎn)品的兩個(gè)參數是諧振器質(zhì)量，即品質(zhì)因數（Q）和耦合因數（k2）。高Q是最小化插損的必要條件，而高k2則帶來(lái)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)現帶寬更寬的濾波器產(chǎn)品。

圖10 中國：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(wú)濾波器

頻率（MHz）

頻譜功率，dBm/100 kHz

Tx驅動(dòng)-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為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驅動(dòng)-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益29.7 dB

3 結論

高Q帶通和陷波濾波器的結合為自動(dòng)駕駛汽車(chē)設計中的共存挑戰打造了最完整的解決方案。根據上文中所討論的數據，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(chē)環(huán)境中無(wú)法發(fā)揮作用。

作者簡(jiǎn)介： Ali Bawangaonwal，營(yíng)銷(xiāo)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。獲得美國布拉德利大學(xué)（Bradley University）電子工程碩士學(xué)位和伊隆大學(xué)（Elon University）戰略MBA學(xué)位。作為RF前端半導體領(lǐng)域公認的專(zhuān)家，目前在5GAA作為Qorvo公司代表。

參考文獻：

[1] Qorvo RF濾波器產(chǎn)品[R/OL].

[2] 車(chē)聯(lián)網(wǎng)傻瓜書(shū)[R/OL].Qorvor.

[3] Qorvo BAW濾波器產(chǎn)品[R/OL].

（注：本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第8期。）