Technologieaustausch

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Die Idee, dass Fahrzeuge Informationen austauschen und miteinander kooperieren, um den Transport sicherer, umweltfreundlicher und unterhaltsamer zu machen, ist sehr verlockend. Die verschiedenen mit diesem Konzept verbundenen Technologien, die zusammen als kollaborative intelligente Transportsysteme (C-ITS) bezeichnet werden, versprechen, Verkehrsstaus zu verringern, die Umweltauswirkungen des Transports zu verringern und die Zahl tödlicher Verkehrsunfälle deutlich zu reduzieren.

In diesem Kapitel werde ich vernetzte Autos und Fahrzeugdaten, Möglichkeiten und Anwendungsfälle sowie HF-Halbleiter in vernetzten Autos untersuchen.

Vernetzte Autos und Daten

Autos wandeln sich von eigenständigen Objekten, die hauptsächlich zum Transport genutzt werden, zu fortschrittlichen, mit dem Internet verbundenen Endpunkten, die oft zur bidirektionalen Kommunikation fähig sind. Die von modernen vernetzten Autos erzeugten neuen Datenströme treiben innovative Geschäftsmodelle wie kilometerbasierte Versicherungen voran, ermöglichen neue Erfahrungen im Auto und legen den Grundstein für Fortschritte in Automobiltechnologien wie autonomes Fahren und V2V-Kommunikation.

Es gibt zwei Hauptansätze zur Verwirklichung der vernetzten, selbstfahrenden Autos der Zukunft. Eine Technologie basiert auf dem IEEE 802.11p-Standard und die andere nutzt C-V2X in der Mobilfunkinfrastruktur. Wie sich die beiden Ansätze vermischen und miteinander verbinden. Letztendlich werden sie alle auf unterschiedliche Weise mit LTE/5G-Infrastrukturnetzen verbunden sein.

Mit der Einführung verschiedener Kommunikationssysteme haben die elektronischen Kommunikationssysteme in Autos erheblich zugenommen. Wie in Abbildung 3-4 dargestellt, gibt es im Auto mehrere RF-Front-End-Ketten (RFFE) und Antennen, z. B. Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth usw. Darüber hinaus verfügen einige der in Abbildung 3-4 aufgeführten Standards über mehr als einen oder zwei Signalpfade.

Viele dieser HF-Ketten tragen zur neuen Systemintelligenz im Automobilbereich bei.

Erstens sammelt dieses System auf intelligente Weise Daten von Sensoren, Kameras und fahrzeuginternen Verbindungen, um wichtige Daten und Dienste bereitzustellen. HF-Komponenten wie Verstärker, Schalter, Filter und hochintegrierte Module erweitern die Verarbeitungs- und Kommunikationssysteme im Automobil um wichtige Funktionen. Mit der Umstellung auf automatisiertere Autos werden diese Systeme und ihre Funktionen immer komplexer.

Darüber hinaus werden neue HF-Ketten wie Millimeterwellen (mmWave) in Autos Einzug halten und eine dreimal höhere Präzision und Datenübertragungsrate als aktuelle Systeme bieten. Dies ermöglicht es Designern, intelligentere Kommunikation und Sensorik im Fahrzeug zu implementieren und Autos dabei zu helfen, andere Autos, Fußgänger, Objekte und Geräte zu erkennen und ihnen auszuweichen.

So wie die Entwicklung des Mobilfunkmarktes ihre Höhen und Tiefen erlebt hat, wird auch die künftige Transformation des Automobilmarkts nicht reibungslos verlaufen. Kunden werden das Autodesign beeinflussen, Regulierungsbehörden werden die Form der Technologie kontrollieren und beeinflussen und die mit LTE/5G vernetzte Welt rund um Autos wird sich weiter weiterentwickeln. HF-Designingenieure müssen Leistung und Möglichkeiten ihrer Anwendungen in Einklang bringen, um den Marktanforderungen gerecht zu werden.

Heutige Smartphones verfügen über mehr Rechenleistung als selbst die NASA, als sie 1969 zwei Astronauten zum Mond schickte. Was machen wir mit all der rohen Rechenleistung, die uns zur Verfügung steht, natürlich für die Netzwerkkommunikation?

Moderne Autos verfügen über mehr Rechenleistung und technische Raffinesse als Smartphones. Daher stellen Interferenzen zwischen verschiedenen Technologien und HF-Signalen in modernen Fahrzeugen eine ständige Herausforderung für Konstrukteure dar.

Um sicherzustellen, dass alle diese Technologien nebeneinander existieren können, muss das RFFE-Modul präzise Filterfunktionen, PA-Leistung und PA-Effizienz kombinieren, damit sie zusammenarbeiten können. Darüber hinaus müssen diese Komponenten in der Lage sein, unter rauen Umgebungsbedingungen zu funktionieren, um den strengen Qualitätsstandards der Automobilindustrie zu entsprechen. Letztendlich stellten die Systemanforderungen der CA- und DSDA-Technologien zusätzliche Herausforderungen dar.

Dazu müssen wir zunächst die wichtigsten Leistungsparameter im Zusammenhang mit HF verstehen. Es versteht sich, dass zu den wichtigsten Leistungsparameterherausforderungen im Zusammenhang mit HF die Empfängerempfindlichkeit, Linearität, Selektivität sowie Wärmeerzeugung und -stabilität gehören.

1. Empfindlichkeit des Empfängers

Die Empfängerempfindlichkeit gibt an, wie schwach ein Eingangssignal der Empfänger erfolgreich empfangen kann. Je niedriger der Leistungspegel ist, den der Empfänger empfangen kann, desto höher ist die Empfindlichkeit des Empfängers. Die Empfängerempfindlichkeit wird normalerweise als das kleine Eingangssignal definiert, das erforderlich ist, um am Ausgangsanschluss des Empfängers ein bestimmtes Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzeugen.

Die Empfängerempfindlichkeit (RX) ist eine der wichtigsten Spezifikationen jedes Funkempfängers in der drahtlosen Kommunikation. Die Empfindlichkeit eines Empfängers gibt seine Fähigkeit an, schwache Signale zu empfangen. Da der Signalpegel umgekehrt proportional zur Übertragungsentfernung ist, bedeutet ein System mit geringer Empfindlichkeit eine gute Empfangsreichweite. Mit anderen Worten: Eine höhere Empfängerempfindlichkeit bedeutet eine größere Reichweite.

Die Empfängerempfindlichkeit ist definiert als das kleine Eingangssignal, das erforderlich ist, um ein bestimmtes Ausgangssignal mit dem erforderlichen Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erzeugen. Es wird berechnet, indem das thermische Grundrauschen mit der RX-Rauschzahl (NF) und dem gewünschten kleinen SNR multipliziert wird. Eine niedrigere Rauschzahl bedeutet eine bessere Leistung.

Im Automobilbereich können verschiedene Faktoren zu einem höheren Rauschmaß als in anderen Anwendungen führen oder zusätzliche SNR-Probleme mit sich bringen. Zu diesen Herausforderungen gehören:

● In einigen Automobilanwendungen können sehr lange HF-Koaxialkabel zu einem erhöhten Rauschmaß und Signalverlust führen.

● Extreme Temperaturen oder Temperaturdrift in HF-Kabeln und -Komponenten können zu einem Anstieg der Rauschzahlen führen und die Leistung von RFFE-Geräten beeinträchtigen.

Um die durch Verluste in langen Kabeln verursachte Rauschzahl zu reduzieren, verwenden Entwickler rauscharme Verstärker (LNAs) und versuchen, das RFFE näher an der Antenne zu platzieren. Dadurch wird die Kabellänge reduziert, wodurch die System-NF erhöht und die Kabeleinfügungsdämpfung verringert wird.

HF-Filter mit hohem Q und geringem Verlust tragen dazu bei, die Auswirkungen der Temperaturdrift zu reduzieren. Sie tragen außerdem dazu bei, die Einfügungsdämpfung des Verbindungsbudgets und Störungen im benachbarten Band zu reduzieren.

Ein hoher Q-Wert oder Qualitätsfaktor weist darauf hin, dass der Resonator ein geringes Verhältnis von Energie zu gespeicherter Energie verliert. Der Sperrbandrand eines High-Q-HF-Filters ist schmaler und steiler.

Ein weiterer Designaspekt ist der Frequenzbereich. Bei höheren Frequenzen ist es schwieriger, eine niedrige Rauschzahl zu erreichen. Da Autos weiterhin in höhere Frequenzbereiche wie Mobilfunknetze und WLAN migrieren, wird es immer schwieriger, die Geräuschzahlspezifikationen einzuhalten. Es ist unwahrscheinlich, dass sich dieser Trend ändert, und wir gehen davon aus, dass sich der Frequenzbereich schrittweise in den mmWave-Bereich erweitern wird, beispielsweise 28 GHz oder 34 GHz. Daher wird die Geräuschzahl weiterhin eine Herausforderung für fahrzeuginterne Systeme darstellen.

2. Linearität

Die PA-Linearität beschreibt die Fähigkeit der PA, ein Signal zu verstärken, ohne dass es zu Verzerrungen kommt. Dieser Begriff bezieht sich auf die Hauptaufgabe eines HF-Verstärkers, nämlich den Leistungspegel eines Eingangssignals zu erhöhen, ohne den Signalinhalt zu verändern.

Linearität ist von entscheidender Bedeutung für Systeme, die einen beliebigen Frequenzmodulationsmechanismus verwenden, um Informationen in Änderungen der Signalamplitude zu kodieren. In der Telekommunikation und Signalverarbeitung kodiert die Frequenzmodulation Informationen in einer Trägerwelle, indem sie die Momentanfrequenz der Welle ändert. Diese Modulationsmechanismen reichen von der Amplitudenmodulation (AM) bis zur komplexen Quadraturamplitudenmodulation (QAM), die für Wi-Fi verwendet wird. Der Modulationsmechanismus hängt von der Fähigkeit des Empfängers ab, Unterschiede in der Signalamplitude und -phase zu erkennen. Um Amplituden- und Phasenänderungen im Signal beizubehalten, muss ein linearer PA verwendet werden. Wenn das übertragene Signal verzerrt ist, ist es für den Empfänger schwierig, die im Amplitudenanteil der Modulation kodierten Informationen wiederherzustellen. Eine Signaldämpfung kann sich negativ auf die Reichweite und Datenrate des Systems auswirken.

Das empfangene Signal kann unerwünschte Out-of-Band-Signale mit großer Amplitude enthalten. Diese unerwünschten Signale können zu Verzerrungen im Empfänger führen, wodurch sich das Signal-Rausch-Verhältnis des gewünschten Signals verringert und die Reichweite und der Datendurchsatz beeinträchtigt werden. Um diese Signale zu unterdrücken und die Linearitätsanforderungen zu reduzieren, können Filter eingesetzt werden. Daher reduziert die Verwendung eines Bandpassfilters die Linearitätsanforderungen für Störsignale außerhalb des Bandes.

Nichtlineare Front-End-PA-Systeme können eine Spektrumregeneration erzeugen, die benachbarte Kanäle stören kann. Die Spektrumregeneration ist ein wichtiger Verzerrungsmechanismus in nichtlinearen Geräten wie PAs in drahtlosen Anwendungen. Erhöhte Anforderungen an den Leistungspegel, die Temperatur und das Verbindungsbudget können zu Linearitätsproblemen führen. Der Einsatz von Bandkantenfiltern trägt dazu bei, nichtlineare Verzerrungen zu reduzieren, die durch Interferenzen von Nachbarkanalbenutzern verursacht werden. Darüber hinaus kann der Koexistenzfilter auf der RFFE-Empfangsseite auch Signalinterferenzen reduzieren und zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Empfängerband beitragen.

3. Selektivität

Die Selektivität ist ein Maß für die Fähigkeit eines Radioempfängers, nur auf ein abgestimmtes Signal zu reagieren und andere Signale mit einer ähnlichen Frequenz, beispielsweise eine andere Sendung auf einem benachbarten Kanal, abzulehnen.

Drahtlose Kommunikationssysteme in Kraftfahrzeugen können durch eine Vielzahl von Störungen beeinträchtigt werden. HF-Designingenieure im Automobilbereich müssen sowohl interne als auch externe HF-Signale rund um den Funkempfänger berücksichtigen.

Filter können unerwünschte Signale dämpfen und gleichzeitig die gewünschten Signale mit nur geringem Verlust passieren lassen, wodurch die Empfängerselektivität verbessert wird. Sie tragen auch dazu bei, Nachbarbandstörungen zu reduzieren. Da die durchschnittliche Anzahl von Frequenzbändern und Radios in einem Auto zunimmt und die Anzahl der Standards zunimmt, kann der Einsatz fortschrittlicher Filtertechnologien, wie z. B. Bulk-Acoustic-Wave-Filter mit geringer Drift, Ingenieuren bei der Lösung von Interferenzproblemen helfen.

Die Wärmereduzierung ist auch ein weiterer Gesichtspunkt bei der Entwicklung drahtloser RFFE für Automobilsysteme. Verwenden Sie HF-Filtertechniken mit hohem Q, um den Einfluss von Wärme auf die Einfügungsdämpfung zu reduzieren. Wie in Abbildung 4-1 dargestellt, kann der Einsatz einer High-Q-Low-Drift-Filtertechnologie dazu beitragen, Störungen während der thermischen Drift zu reduzieren. Filter mit geringer Drift verfügen über einen niedrigen Temperaturkoeffizienten der Frequenz (TCF), der dazu beiträgt, Einfügungsverluste zu reduzieren, Nachbarkanalinterferenzen zu reduzieren und Einschränkungen des Verbindungsbudgets zu reduzieren.

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4. Erwärmung und Stabilität

Die Temperaturschwankungen in Autos können sehr groß sein. Die Belastungsbedingungen im Automobilbereich variieren von –40 °C bis 150 °C. Daher müssen Automobildesigningenieure und Zulieferer Komponenten und Systeme für diese extremen Bedingungen validieren und testen (siehe Abbildung 4-2).

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Beim Systemdesign gehen Ingenieure häufig Kompromisse zwischen Linearität, Leistungsabgabe und Effizienz ein. Hitze beeinträchtigt die Gesamtsystemleistung wie Durchsatz, Signalreichweite und Interferenzunterdrückung. Daher ist es wichtig, das System mit RFFE-Komponenten zu entwerfen, die die Wärme reduzieren. Durch den Einsatz optimierter Leistungsverstärker mit hoher Linearität oder Front-End-Modulen wird die Gesamtwärmeentwicklung reduziert.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der die in einem Auto erzeugte Wärmemenge beeinflusst, ist der Kabelverlust. Kabelverluste erhöhen das Verbindungsbudget, was bedeutet, dass der Sende-(TX)-RFFE-PA die Verluste durch eine Erhöhung der Ausgangsleistung kompensieren muss. Mit zunehmender Ausgangsleistung steigt die vom System erzeugte Wärme und die Energieeffizienz sinkt.

Erfahren Sie mehr über andere HF-Herausforderungen im Automobilbereich

Bei HF-Systemen für Kraftfahrzeuge sind neben den Leistungsparametern zwei wichtige Themen zu berücksichtigen:

Entwickeln Sie Komponenten, die den strengen Automobilqualitätsstandards des Automotive Electronics Council (AEC) entsprechen.

Erfüllt die Systemanforderungen für Carrier Aggregation (CA) und DSDA-Technologien.

1. Anbindung an IATF- und AEC-Standards

Da sich die Automobiltechnologie hin zu fortschrittlicheren Fahrerassistenzsystemen und autonomen Fahrzeugen weiterentwickelt, werden die Risiken zunehmen. Die Automobilindustrie hat strenge Qualitätsstandards für die Herstellung und Prüfung von Komponenten entwickelt, um sicherzustellen, dass immer komplexere HF-Komponenten nach der Einbettung in elektronische Systeme nicht versagen.

Während des gesamten Herstellungs- und Testprozesses müssen Automobilhersteller bestimmte Industriestandards einhalten. Drei der Schlüsselkriterien sind:

● International Automotive Promotion Group (IATF) 16949: Dieser Qualitätsmanagementsystemstandard für die Automobilindustrie wird weltweit angewendet. Automobilhersteller sind im Allgemeinen davon überzeugt, dass Hersteller von Komponenten, Montage und Prüfung nach der Norm IATF 16949 akkreditiert werden sollten.

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100: Spezifiziert Standardtests für aktive Komponenten wie Schalter und PAs.

● AEC-Q200: Spezifiziert die Standardprüfung passiver Geräte wie HF-Filter, die in der Wi-Fi-Kommunikation und Mobilfunkkommunikation verwendet werden.

Einige Tests sind auf die Automobilindustrie beschränkt, wie z. B. ELFR-Tests (Early Failure Rate), bei denen mehrere Proben (jeweils 800 Komponenten) einer Umgebung von mindestens 125 °C ausgesetzt werden müssen, sowie Strom- und Temperaturwechseltests (PTC). Letzteres erfordert, dass die Probe abwechselnd hohen und niedrigen Temperaturzyklen ausgesetzt wird, wobei die Temperaturen zwischen –40 °C und darunter bis zu 125 °C liegen.

Andere Tests werden unter erschwerten Bedingungen oder in größeren Chargen durchgeführt, um eine bessere statistische Grundlage für die Bestimmung der Zuverlässigkeit von Produktionskomponenten zu schaffen.

2. CA und DSDA

Carrier Aggregation (CA) ermöglicht es Mobilfunknetzbetreibern, viele einzelne LTE-Träger zusammenzufassen, um Bandbreite und Bitraten zu erhöhen.Die Carrier-Aggregation-Technologie wird verwendet, um mehrere LTE-Komponententräger (CCs) des verfügbaren Spektrums zu kombinieren

● Unterstützung größerer zusammenhängender oder nicht zusammenhängender Intraband- oder Interband-Bandbreitensignalblöcke

● Verbessern Sie die Netzwerkleistung im Uplink, Downlink oder bidirektional

● Erhöhen Sie die Spitzendatenrate auf 1 GB/Sekunde (Gbit/s) Spitzenlastgeschwindigkeit

● Erhöhen Sie die Gesamtkapazität des Netzwerks, um fragmentierte Frequenzzuteilungen zu nutzen

Ein Komponententräger (CC) ist ein LTE-Kanal, der normalerweise einem Benutzer zugewiesen ist. Dies ist eine ernsthafte Herausforderung für HF-Designer. In Autos wird CA LTE-Konnektivität der Gigabit-Klasse bereitstellen. Um diese Geschwindigkeiten zu erreichen, nutzt das fahrzeuginterne Modem fortschrittliche digitale Signalverarbeitung (256 QAM) und 4x4 MIMO und unterstützt so viele 4-Träger-Aggregationen.

MIMO ist eine Antennentechnologie für die drahtlose Kommunikation, die mehrere Antennen sowohl am Sender als auch am Empfänger verwendet. Antennen an jedem Ende des Kommunikationskreises sind in Gruppen zusammengefasst, um Fehler zu minimieren und die Datengeschwindigkeit zu optimieren.

Zu den CA-Herausforderungen bei Autos gehören:

● Downlink-Empfindlichkeit: Viele CA-Anwendungen erfordern eine Architektur mit HF-Filtern, Duplexern oder komplexen Multiplexern. Diese HF-Filter tragen dazu bei, die Isolierung zwischen den verschiedenen Sende- und Empfangspfaden sicherzustellen und so die Systemempfindlichkeit zu erreichen. Da dem System weitere Frequenzbänder hinzugefügt werden und komplexere Filter (z. B. Multiplexer) zum Einsatz kommen, müssen Entwickler sicherstellen, dass die verschiedenen Frequenzbänder zusammenarbeiten.

● Harmonische Erzeugung: Harmonische werden durch nichtlineare Komponenten wie PAs, Duplexer und Schalter erzeugt. Entwickler müssen bei ihren Entwürfen sorgfältig Kompromisse eingehen, um sicherzustellen, dass elektrische Oberschwingungen gemindert werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

● Desensibilisierung: Harmonische und TX-Leckagen führen zu einer Verringerung der Systemempfindlichkeit, was als Desensibilisierung bezeichnet wird. Unter Desensibilisierung versteht man eine Verringerung der Empfindlichkeit aufgrund von Rauschquellen, die häufig von denselben Funkgeräten erzeugt werden. Dies führt zu einer verminderten Empfängerleistung und verhindert die korrekte Erkennung von Zielsignalen. Eine hohe Schalterisolation und Filterdämpfung können Interferenzen zwischen Signalpfaden erheblich reduzieren.

Die DSDA-Technologie verwendet zwei unabhängige Transceiver und Antennenpfade in zwei aktiven CCs. Dies ermöglicht es OEMs, bestimmte vertraglich vereinbarte Netzbetreiberdienste zu nutzen und den Eigentümern gleichzeitig die Möglichkeit zu geben, ihre bevorzugten Netzbetreiber hinzuzufügen. Mobilfunkanbieter ermöglichen es Autobesitzern, ihre Autos zu einem Heimdatentarif hinzuzufügen und davon zu profitieren. Der Nachteil besteht darin, dass DSDA den Stromverbrauch des Systems und damit die Wärmeerzeugung erhöht und auch die RFFE-Komplexität erhöht. Um die Wärmeerzeugung zu reduzieren, müssen Entwickler lineare und effiziente RFFE-Module verwenden.

Wie CA erfordert auch DSDA eine stabile Filterung mit geringer Drift, um die Designziele des Systems und des Automobilherstellers zu erreichen. Mit zunehmender Anzahl von CCs steigt auch die Bedeutung einzelner Bandfilter und komplexer Multiplexer.