Partage de technologie

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L’idée de véhicules partageant des informations et coopérant entre eux pour rendre les transports plus sûrs, plus écologiques et plus amusants est très séduisante. Les différentes technologies associées à ce concept, collectivement connues sous le nom de systèmes de transport intelligents collaboratifs (C-ITS), promettent de réduire les embouteillages, de réduire l'impact environnemental des transports et de réduire considérablement le nombre d'accidents de la route mortels.

Dans ce chapitre, j'explorerai les voitures connectées et les données automobiles, les opportunités et les cas d'utilisation, ainsi que les semi-conducteurs RF dans les voitures connectées.

Voitures et données connectées

Les voitures passent d'objets autonomes utilisés principalement pour le transport à des points de terminaison avancés connectés à Internet, souvent capables d'une communication bidirectionnelle. Les nouveaux flux de données générés par les voitures connectées modernes génèrent des modèles commerciaux innovants, tels que l'assurance basée sur le kilométrage, permettant de nouvelles expériences embarquées et jetant les bases des avancées des technologies automobiles telles que la conduite autonome et les communications V2V.

Il existe deux approches principales pour réaliser les voitures connectées et autonomes du futur. Une technologie est basée sur la norme IEEE 802.11p et l'autre exploite C-V2X sur l'infrastructure cellulaire. Comment les deux approches se mélangent et se connectent. À terme, ils seront tous connectés aux réseaux d’infrastructure LTE/5G, mais de différentes manières.

Avec l'introduction de diverses communications, les systèmes de communication électroniques à l'intérieur des voitures ont considérablement augmenté. Comme le montre la figure 3-4, il existe plusieurs chaînes et antennes RF frontales (RFFE) à l'intérieur de la voiture, telles que Wi-Fi, cellulaire, Bluetooth, etc. De plus, certaines des normes indiquées dans la figure 3-4 comportent plus d'un ou deux chemins de signal.

Beaucoup de ces chaînes RF contribuent à la nouvelle intelligence des systèmes automobiles.

Premièrement, ce système collecte intelligemment les données des capteurs, des caméras et des connexions embarquées dans le véhicule pour fournir des données et des services importants. Les composants RF tels que les amplificateurs, les commutateurs, les filtres et les modules hautement intégrés ajoutent des fonctionnalités importantes aux systèmes de traitement et de communication automobiles. À mesure que nous passerons à des voitures plus automatisées, ces systèmes et leurs fonctions deviendront plus complexes.

De plus, de nouvelles chaînes RF, telles que les ondes millimétriques (mmWave), migreront vers les voitures, offrant une précision et des taux de transmission de données trois fois supérieurs aux systèmes actuels. Cela permet aux concepteurs de mettre en œuvre des communications et des détections plus intelligentes à bord des véhicules, aidant ainsi les voitures à détecter et à éviter les autres voitures, piétons, objets et appareils.

Tout comme le développement du marché de la technologie cellulaire a connu des hauts et des bas, la transformation future du marché automobile ne se fera pas sans heurts. Les clients influenceront la conception des voitures, les régulateurs contrôleront et influenceront la forme de la technologie, et le monde connecté LTE/5G autour des voitures continuera de progresser. Les ingénieurs de conception RF doivent équilibrer performances et opportunités dans leurs applications pour répondre aux demandes du marché.

Les smartphones d'aujourd'hui ont plus de puissance de calcul que celle dont disposait même la NASA lorsqu'elle envoya deux astronautes sur la Lune en 1969. Que faisons-nous de toute cette puissance de calcul brute à notre disposition Pour les communications réseau, bien sûr !

Les voitures modernes disposent de plus de puissance de calcul et de sophistication technologique que les smartphones. Par conséquent, les interférences entre les différentes technologies et les signaux RF dans les véhicules modernes constituent un défi constant pour les ingénieurs concepteurs.

Pour garantir que toutes ces technologies puissent coexister, le module RFFE doit combiner des capacités de filtrage précises, des performances PA et l'efficacité PA afin qu'elles puissent fonctionner ensemble. De plus, ces composants doivent pouvoir fonctionner dans des conditions environnementales difficiles pour se conformer aux normes strictes de qualité automobile. Finalement, les exigences système des technologies CA et DSDA ont présenté des défis supplémentaires.

Cela nous oblige d’abord à comprendre les paramètres de performance clés liés à la RF. Il est entendu que les principaux défis liés aux paramètres de performance liés à la RF comprennent la sensibilité, la linéarité, la sélectivité, la génération de chaleur et la stabilité du récepteur.

1. Sensibilité du récepteur

La sensibilité du récepteur indique la faiblesse d'un signal d'entrée que le récepteur peut recevoir avec succès. Plus le niveau de puissance que le récepteur est capable de recevoir est faible, plus la sensibilité du récepteur est élevée. La sensibilité du récepteur est généralement définie comme le petit signal d'entrée requis pour produire un rapport signal/bruit (SNR) spécifié au port de sortie du récepteur.

La sensibilité du récepteur (RX) est l’une des spécifications clés de tout récepteur radio dans les communications sans fil. La sensibilité d'un récepteur représente sa capacité à capter des signaux de faible niveau. Le niveau du signal étant inversement proportionnel à la distance de transmission, un système à faible sensibilité signifie une bonne portée de réception. En d’autres termes, une sensibilité plus élevée du récepteur équivaut à une portée plus longue.

La sensibilité du récepteur est définie comme le petit signal d'entrée requis pour produire un signal de sortie spécifié avec le rapport signal/bruit (SNR) requis. Il est calculé en multipliant le plancher de bruit thermique par le facteur de bruit RX (NF) et le petit SNR souhaité. Un chiffre de bruit plus faible signifie de meilleures performances.

Dans le secteur automobile, divers facteurs peuvent entraîner un niveau de bruit plus élevé que dans d'autres applications ou créer des problèmes de SNR supplémentaires. Ces défis comprennent :

● Dans certaines applications automobiles, des câbles coaxiaux RF très longs peuvent entraîner une augmentation du bruit et une perte de signal.

● Les températures extrêmes ou la dérive de température dans les câbles et composants RF peuvent entraîner une augmentation des niveaux de bruit, affectant les performances des appareils RFFE.

Pour réduire le facteur de bruit provoqué par les pertes dans les longs câbles, les concepteurs utilisent des amplificateurs à faible bruit (LNA) et tentent de placer le RFFE plus près de l'antenne. Cela réduit la longueur du câble, augmentant ainsi la NF du système et réduisant la perte d'insertion du câble.

Les filtres RF à Q élevé et à faibles pertes aident à réduire les effets de la dérive de température. Ils contribuent également à réduire la perte d’insertion du budget de liaison et les interférences dans les bandes adjacentes.

Une valeur Q élevée, ou facteur de qualité, indique que le résonateur perd un faible rapport énergie/énergie stockée. La jupe de bande d'arrêt d'un filtre RF à Q élevé est plus étroite et plus raide.

Une autre considération de conception est la plage de fréquences. À des fréquences plus élevées, il est plus difficile d’obtenir un faible facteur de bruit. À mesure que les voitures continuent de migrer vers des gammes de fréquences plus élevées, telles que les réseaux cellulaires et le Wi-Fi, il devient plus difficile de respecter les spécifications en matière de bruit. Il est peu probable que cette tendance change et nous nous attendons à ce que la gamme de fréquences s'étende progressivement à la gamme mmWave, comme 28 GHz ou 34 GHz. Par conséquent, le niveau de bruit restera un défi pour les systèmes embarqués.

2. Linéarité

La linéarité du PA décrit la capacité du PA à amplifier un signal sans produire de distorsion. Ce terme fait référence à la tâche principale d'un amplificateur RF, qui consiste à augmenter le niveau de puissance d'un signal d'entrée sans modifier le contenu du signal.

La linéarité est essentielle pour les systèmes qui utilisent un mécanisme de modulation de fréquence pour coder les informations sur les changements d'amplitude du signal. Dans les télécommunications et le traitement du signal, la modulation de fréquence code les informations dans une onde porteuse en modifiant la fréquence instantanée de l'onde. Ces mécanismes de modulation varient de la modulation d'amplitude (AM) à la modulation d'amplitude en quadrature complexe (QAM) utilisée pour le Wi-Fi. Le mécanisme de modulation dépend de la capacité du récepteur à détecter les différences d'amplitude et de phase du signal. Pour préserver les changements d'amplitude et de phase du signal, un PA linéaire doit être utilisé. Si le signal transmis est déformé, il est difficile pour le récepteur de récupérer les informations codées dans la partie amplitude de la modulation. L'atténuation du signal peut avoir un impact négatif sur la portée et le débit de données du système.

Le signal reçu peut comprendre des signaux hors bande indésirables de grande amplitude. Ces signaux indésirables peuvent provoquer une distorsion dans le récepteur, réduisant le rapport signal/bruit du signal souhaité, affectant ainsi la portée et le débit des données. Des filtres peuvent être utilisés pour supprimer ces signaux et réduire les exigences de linéarité. Par conséquent, l’utilisation d’un filtre passe-bande réduit les exigences de linéarité pour les signaux interférents hors bande.

Les systèmes de sonorisation front-end non linéaires peuvent produire une régénération de spectre qui peut interférer avec les canaux adjacents. La régénération du spectre est un mécanisme de distorsion important dans les dispositifs non linéaires tels que les PA dans les applications sans fil. Des exigences accrues en matière de niveau de puissance, de température et de budget de liaison peuvent toutes entraîner des problèmes de linéarité. L'utilisation de filtres de bord de bande permet de réduire la distorsion non linéaire provoquée par les interférences des utilisateurs de canaux adjacents. De plus, le filtre de coexistence situé à l'extrémité de réception du RFFE peut également réduire les interférences du signal et contribuer à améliorer le rapport signal/bruit de la bande de réception.

3. Sélectivité

La sélectivité est une mesure de la capacité d'un récepteur radio à répondre uniquement à un signal accordé, tout en rejetant d'autres signaux à une fréquence similaire, comme une autre diffusion sur un canal adjacent.

Les systèmes de communication sans fil automobiles peuvent être affectés par diverses interférences. Les ingénieurs de conception RF automobiles doivent prendre en compte les signaux RF internes et externes entourant le récepteur radio.

Les filtres peuvent atténuer les signaux indésirables tout en permettant aux signaux souhaités de passer avec seulement une petite perte, améliorant ainsi la sélectivité du récepteur. Ils contribuent également à réduire les interférences des bandes adjacentes. À mesure que le nombre moyen de bandes de fréquences et de radios dans une voiture augmente, ainsi que le nombre de normes, l'utilisation de technologies de filtrage avancées telles que les filtres à ondes acoustiques de masse à faible dérive peuvent aider les ingénieurs à résoudre les problèmes d'interférence.

La réduction de la chaleur est également une autre considération dans la conception de RFFE sans fil pour les systèmes automobiles. Utilisez des techniques de filtrage RF à Q élevé pour réduire l'impact de la chaleur sur la perte d'insertion. Comme le montre la figure 4-1, l'utilisation d'une technologie de filtrage à faible dérive et à Q élevé peut contribuer à réduire les interférences lors de la dérive thermique. Les filtres à faible dérive ont un faible coefficient de température et de fréquence (TCF) qui permet de réduire la perte d'insertion, de réduire les interférences des canaux adjacents et de réduire les contraintes de budget de liaison.

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4. Chauffage et stabilité

Les dérives de température dans les voitures peuvent être très importantes. Les conditions de stress automobile varient de –40 °C à 150 °C. Par conséquent, les ingénieurs de conception automobile et les fournisseurs doivent valider et tester les composants et les systèmes pour ces conditions extrêmes (voir Figure 4-2).

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Lors de la conception de systèmes, les ingénieurs font souvent des compromis entre linéarité, puissance de sortie et efficacité. La chaleur dégrade les performances globales du système telles que le débit, la portée du signal et le rejet des interférences. Par conséquent, il est important de concevoir le système en utilisant des composants RFFE qui réduisent la chaleur. L’utilisation d’amplificateurs de puissance ou de modules frontaux optimisés à haute linéarité réduit la génération globale de chaleur.

Un autre facteur important qui affecte la quantité de chaleur générée dans une voiture est la perte de câble. Les pertes de câble augmentent le budget de liaison, ce qui signifie que le RFFE PA de transmission (TX) doit compenser en augmentant la puissance de sortie pour réduire les pertes. À mesure que la puissance de sortie augmente, la chaleur générée par le système augmente et l'efficacité énergétique diminue.

Découvrez d’autres défis RF automobiles

Dans les systèmes RF automobiles, outre les paramètres de performances, il y a deux sujets importants à prendre en compte :

Développez des composants qui répondent aux normes strictes de qualité automobile de l’Automotive Electronics Council (AEC).

Répond aux exigences système pour les technologies Carrier Aggregation (CA) et DSDA.

1. Connectez-vous aux normes IATF et AEC

À mesure que la technologie automobile évolue vers des systèmes d’aide à la conduite et des véhicules autonomes plus avancés, les risques vont augmenter. L'industrie automobile a développé des normes de qualité strictes pour la fabrication et les tests de composants afin de garantir que les composants RF de plus en plus complexes ne présenteront pas de dysfonctionnement une fois intégrés dans des systèmes électroniques.

Tout au long du processus de fabrication et de test, les constructeurs de l’industrie automobile doivent respecter les normes industrielles spécifiées. Trois des critères clés comprennent :

●International Automotive Promotion Group (IATF) 16949 : cette norme de système de gestion de la qualité pour l'industrie automobile est utilisée dans le monde entier. Les constructeurs automobiles estiment généralement que les fabricants de composants, d’assemblage et de tests devraient être accrédités selon la norme IATF 16949.

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100 : spécifie les tests standard pour les composants actifs tels que les commutateurs et les PA.

● AEC-Q200 : Spécifie les tests standard des équipements passifs tels que les filtres RF utilisés dans les communications Wi-Fi et les communications cellulaires.

Certains tests sont limités à l'industrie automobile, comme les tests de taux de défaillance précoce (ELFR), qui nécessitent que plusieurs échantillons (chacun contenant 800 composants) soient exposés à un environnement d'au moins 125 °C, ainsi qu'à des cycles de puissance et de température (PTC). Ces derniers nécessitent que l'échantillon soit exposé à des cycles alternés de températures élevées et basses, avec des températures allant de –40 °C et moins à 125 °C.

D'autres tests sont effectués dans des conditions plus difficiles ou sur des lots plus importants afin de fournir une meilleure base statistique permettant de déterminer si les composants de production sont fiables.

2. CA et DSDA

L'agrégation de porteuses (CA) permet aux opérateurs de réseaux mobiles de combiner de nombreuses porteuses LTE individuelles pour augmenter la bande passante et les débits binaires.La technologie d'agrégation de porteuses est utilisée pour combiner plusieurs porteuses de composants LTE (CC) du spectre disponible pour

● Prise en charge de blocs de signaux de bande passante intra-bande ou inter-bande contigus ou non contigus plus larges

● Améliorer les performances du réseau en liaison montante, descendante ou bidirectionnelle

● Augmenter le débit de données maximal à 1 Go/seconde (Gbit/s) pour la vitesse de chargement maximale.

● Augmenter la capacité globale du réseau pour tirer parti des allocations de spectre fragmentées

Une porteuse de composants (CC) est un canal LTE généralement attribué à un seul utilisateur. Il s'agit d'un défi de taille pour les concepteurs RF. Dans les voitures, CA fournira une connectivité LTE de classe Gigabit. Pour atteindre ces vitesses, le modem embarqué utilise un traitement avancé du signal numérique (256 QAM) et 4x4 MIMO, prenant en charge de nombreuses agrégations à 4 porteuses.

MIMO est une technologie d'antenne pour les communications sans fil qui utilise plusieurs antennes sur l'émetteur et le récepteur. Les antennes à chaque extrémité du circuit de communication sont regroupées pour minimiser les erreurs et optimiser les vitesses de données.

Les défis de l'AC dans les voitures comprennent :

● Sensibilité de la liaison descendante : de nombreuses applications CA nécessitent une architecture utilisant des filtres RF, des duplexeurs ou des multiplexeurs complexes. Ces filtres RF contribuent à garantir l'isolation entre les différents chemins TX et RX, contribuant ainsi à atteindre la sensibilité du système. À mesure que davantage de bandes de fréquences sont ajoutées au système, en utilisant un filtrage plus complexe (tel que des multiplexeurs), les concepteurs doivent s'assurer que les différentes bandes de fréquences fonctionnent ensemble.

● Génération d'harmoniques : les harmoniques sont générées par des composants non linéaires, tels que les PA, les duplexeurs et les commutateurs. Les concepteurs doivent soigneusement faire des compromis dans leurs conceptions pour garantir que les harmoniques électriques sont atténuées sans compromettre les performances.

● Désensibilisation : les harmoniques et les fuites TX entraînent une diminution de la sensibilité du système, appelée désensibilisation. La désensibilisation est une réduction de sensibilité due à des sources de bruit, souvent générées par le même équipement radio. Cela entraîne une dégradation des performances du récepteur, empêchant une détection correcte des signaux cibles. Une isolation élevée des commutateurs et une atténuation du filtre peuvent réduire considérablement les interférences entre les chemins de signal.

La technologie DSDA utilise deux émetteurs-récepteurs et chemins d'antenne indépendants dans deux CC actifs. Cela permet aux constructeurs OEM de profiter de services de transporteurs sous contrat spécifiques tout en permettant aux propriétaires d'ajouter leurs transporteurs préférés. Les opérateurs permettent aux propriétaires de voitures d'ajouter leur voiture à un forfait de données domestique et d'en bénéficier. L'inconvénient est que le DSDA augmente la consommation électrique du système, augmentant ainsi la génération de chaleur, et augmente également la complexité du RFFE. Pour réduire la génération de chaleur, les concepteurs doivent utiliser des modules RFFE linéaires et efficaces.

Comme CA, DSDA nécessite également un filtrage stable et à faible dérive pour atteindre les objectifs de conception du système et du constructeur automobile. À mesure que le nombre de CC augmente, l'importance des filtres de bande individuels et des multiplexeurs complexes augmente également.