如何化解與V2X相關(guān)的頻譜挑戰(zhàn)
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引言
1）車輛互聯(lián)基礎(chǔ)知識
為了讓真正的自動駕駛汽車能夠在沒有人工干預的情況下導航，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)且實時地共享。
這將通過車聯(lián)萬物（V2X）通信系統(tǒng)來實現(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）等多個層面的通信。
V2X基于5.9 GHz專用短距通信，專為快速移動的物體而設(shè)計。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到前方的危險，從而減少潛在的汽車碰撞、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，以此提升全球運輸效率并減少CO2排放，并帶來減少車輛維護的額外收益。
實現(xiàn)自主汽車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（蜂窩車聯(lián)網(wǎng)），也可以是基于IEEE 802.11p標準的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家/地區(qū)都在支持一種或另一種標準，但是都利用相同的頻譜來解決相同的問題，并且各標準間可以共存。
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
V2X（C-V2X和DSRC）
維護用蜂窩無線電系統(tǒng)
遠程無鑰匙進入
胎壓監(jiān)測
2）了解連接技術(shù)
為了更好地理解實現(xiàn)信號共存的挑戰(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）。 因為每種技術(shù)都有自身的特點，它們必須在不降低其它技術(shù)性能的情況下進行互動。
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)施以及整個環(huán)境進行通信，以提高安全性并為自動駕駛開辟道路。
● 面向車輛OEM服務(wù)的4G/5G云連接： 用于4G/5G連接的應用程序可以包括遠程診斷和監(jiān)控汽車運行情況、進行空中下載軟件更新、執(zhí)行遠程操作，以及操作共享自動駕駛車隊。
● 用于行車體驗的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，涵蓋從基于增強現(xiàn)實的導航，到后座娛樂與音樂流媒體服務(wù)。
● 打造卓越車內(nèi)體驗和汽車經(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的增強型車內(nèi)體驗。例如，整個車輛的有效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)，從而實現(xiàn)自動檢入、診斷數(shù)據(jù)傳輸和軟件更新。
● 藍牙： 駕駛員和乘客可通過藍牙傳輸高保真音樂，并從一些實用服務(wù)中受益，例如將智能手機用作遙控鑰匙。
● 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(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，減少等待時間并增強無線服務(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優(yōu)勢。
當自動駕駛汽車中的乘客使用5.6 GHz熱點時會出現(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較低。這只有通過適當?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.biyoush.com/news/listbylabel/label/濾波器">濾波器方案才能實現(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5種無線電設(shè)備（即V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍牙、SDARS）。這意味著多個無線電收發(fā)器在彼此十分接近的不同頻段中工作。如果1個RF鏈的發(fā)射功率超過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題。
共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號”帶來的干擾，其不僅會引發(fā)接收器靈敏度問題，還會導致不合規(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，讓我們從系統(tǒng)和實現(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V2X系統(tǒng)（TCU+有源天線），在發(fā)送路徑上只有1個LTCC濾波器，需要大于80 dB的天線隔離，這在實際應用中可能很難實現(xiàn)。右圖顯示了1個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/系統(tǒng)工程師能夠達到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V2X共存濾波器。除了車內(nèi)Wi-Fi，在選擇濾波解決方案時還需要考慮另一個用例，即汽車是否具有內(nèi)置Wi-Fi功能。也就是說，此時天線的隔離度由用手機建立Wi-Fi熱點的乘客決定。
圖5 V2X——實現(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駕駛車輛V2X與5.6 GHz Wi-Fi間共存的濾波器。另一個示例是Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi濾波器，設(shè)計用于實現(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Rx頻段噪聲進行“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(shè)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
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
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需要與電子自動收費系統(tǒng)（ETC）共存，這是另一個需要特別注意的關(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
解決此問題的1種方法是在V2X路徑上使用經(jīng)過適當設(shè)計的濾波器對ETC頻譜進行陷波處理。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其進行處理，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-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(qū)動-3.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
（已標準化為Pout）
總增益27.7 dB
現(xiàn)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的頻率下實現(xiàn)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
無濾波器
頻率（MHz）
頻譜功率，dBm/100 kHz
Tx驅(qū)動-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(qū)動-0.5 dBm
噪音-145 dB m/Hz
（已標準化為Pout）
總增益29.7 dB
3 結(jié)論
高Q帶通和陷波濾波器的結(jié)合為自動駕駛汽車設(shè)計中的共存挑戰(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。
作者簡介： Ali Bawangaonwal，營銷主管，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。獲得美國布拉德利大學（Bradley University）電子工程碩士學位和伊隆大學（Elon University）戰(zhàn)略MBA學位。作為RF前端半導體領(lǐng)域公認的專家，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。）
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