Berbagi teknologi

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Gagasan kendaraan berbagi informasi dan bekerja sama satu sama lain untuk membuat transportasi lebih aman, ramah lingkungan, dan menyenangkan sangatlah menarik. Berbagai teknologi yang terkait dengan konsep ini, yang secara kolektif dikenal sebagai sistem transportasi cerdas kolaboratif (C-ITS), menjanjikan untuk mengurangi kemacetan lalu lintas, mengurangi dampak transportasi terhadap lingkungan, dan secara signifikan mengurangi jumlah kecelakaan lalu lintas yang fatal.

Dalam bab ini, saya akan mengeksplorasi mobil yang terhubung dan data mobil, peluang dan kasus penggunaan, serta semikonduktor RF di mobil yang terhubung.

Mobil dan data yang terhubung

Mobil bertransformasi dari objek yang berdiri sendiri yang terutama digunakan untuk transportasi ke titik akhir yang terhubung ke internet, seringkali mampu melakukan komunikasi dua arah. Aliran data baru yang dihasilkan oleh mobil-mobil modern yang terhubung mendorong model bisnis yang inovatif, seperti asuransi berbasis jarak tempuh, memungkinkan pengalaman baru dalam mobil dan meletakkan dasar bagi kemajuan teknologi otomotif seperti mengemudi otonom dan komunikasi V2V.

Ada dua pendekatan utama untuk mewujudkan mobil masa depan yang terhubung dan dapat mengemudi sendiri. Satu teknologi didasarkan pada standar IEEE 802.11p, dan teknologi lainnya memanfaatkan C-V2X pada infrastruktur seluler. Bagaimana kedua pendekatan tersebut bercampur dan terhubung satu sama lain. Pada akhirnya, semuanya akan terhubung ke jaringan infrastruktur LTE/5G, hanya saja dengan cara yang berbeda.

Dengan diperkenalkannya berbagai macam komunikasi, sistem komunikasi elektronik di dalam mobil telah meningkat secara signifikan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3-4, terdapat beberapa rantai dan antena RF front-end (RFFE) di dalam mobil, seperti Wi-Fi, seluler, Bluetooth, dll. Selain itu, beberapa standar yang disebutkan pada Gambar 3-4 memiliki lebih dari satu atau dua jalur sinyal.

Banyak dari rantai RF ini berkontribusi pada kecerdasan sistem otomotif baru.

Pertama, sistem ini secara cerdas mengumpulkan data dari sensor, kamera, dan koneksi di dalam kendaraan untuk menyediakan data dan layanan penting. Komponen RF seperti amplifier, sakelar, filter, dan modul yang sangat terintegrasi menambah fungsionalitas penting pada sistem pemrosesan dan komunikasi otomotif. Saat kita meningkatkan ke mobil yang lebih otomatis, sistem ini dan fungsinya akan menjadi lebih kompleks.

Selain itu, rantai RF baru, seperti gelombang milimeter (mmWave), akan bermigrasi ke mobil, memberikan presisi dan kecepatan transmisi data tiga kali lipat dibandingkan sistem saat ini. Hal ini memungkinkan para desainer untuk menerapkan komunikasi dan penginderaan dalam kendaraan yang lebih cerdas, membantu mobil mendeteksi dan menghindari mobil lain, pejalan kaki, objek, dan perangkat.

Sama seperti perkembangan pasar teknologi seluler yang mengalami pasang surut, transformasi pasar otomotif di masa depan tidak akan berjalan mulus. Pelanggan akan mempengaruhi desain mobil, regulator akan mengontrol dan mempengaruhi bentuk teknologi, dan dunia yang terhubung dengan LTE/5G di sekitar mobil akan terus berkembang. Insinyur desain RF harus menyeimbangkan kinerja dan peluang dalam aplikasi mereka untuk memenuhi permintaan pasar.

Ponsel pintar saat ini memiliki daya komputasi yang lebih besar daripada yang dimiliki NASA ketika mengirim dua astronot ke bulan pada tahun 1969. Tentu saja, apa yang kita lakukan dengan semua daya komputasi mentah yang kita miliki?

Mobil modern memiliki daya komputasi dan kecanggihan teknologi yang lebih besar dibandingkan ponsel pintar. Oleh karena itu, interferensi antara berbagai teknologi dan sinyal RF pada kendaraan modern selalu menjadi tantangan bagi para insinyur desain.

Untuk memastikan bahwa semua teknologi ini dapat hidup berdampingan, modul RFFE perlu menggabungkan kemampuan pemfilteran yang tepat, kinerja PA, dan efisiensi PA sehingga keduanya dapat bekerja sama. Selain itu, komponen-komponen ini harus mampu beroperasi dalam kondisi lingkungan yang keras untuk memenuhi standar kualitas otomotif yang ketat. Pada akhirnya, persyaratan sistem teknologi CA dan DSDA menghadirkan tantangan tambahan.

Hal ini mengharuskan kita untuk terlebih dahulu memahami parameter kinerja utama yang terkait dengan RF. Dapat dipahami bahwa tantangan parameter kinerja utama yang terkait dengan RF mencakup sensitivitas penerima, linearitas, selektivitas, serta pembangkitan dan stabilitas panas.

1. Sensitivitas penerima

Sensitivitas penerima menunjukkan seberapa lemah sinyal masukan yang berhasil diterima penerima. Semakin rendah tingkat daya yang dapat diterima oleh penerima, semakin tinggi sensitivitas penerima. Sensitivitas penerima biasanya didefinisikan sebagai sinyal masukan kecil yang diperlukan untuk menghasilkan rasio signal-to-noise (SNR) tertentu pada port keluaran penerima.

Sensitivitas penerima (RX) adalah salah satu spesifikasi utama penerima radio dalam komunikasi nirkabel. Sensitivitas penerima menunjukkan kemampuannya menangkap sinyal tingkat rendah. Karena level sinyal berbanding terbalik dengan jarak transmisi, sistem dengan sensitivitas rendah berarti jangkauan penerimaan yang baik. Dengan kata lain, sensitivitas penerima yang lebih tinggi berarti jangkauan yang lebih jauh.

Sensitivitas penerima didefinisikan sebagai sinyal masukan kecil yang diperlukan untuk menghasilkan sinyal keluaran tertentu dengan rasio signal-to-noise (SNR) yang diperlukan. Ini dihitung dengan mengalikan tingkat kebisingan termal dengan angka kebisingan RX (NF) dan SNR kecil yang diinginkan. Angka kebisingan yang lebih rendah berarti kinerja yang lebih baik.

Dalam otomotif, berbagai faktor dapat menghasilkan angka kebisingan yang lebih tinggi dibandingkan aplikasi lain atau menciptakan tantangan SNR tambahan. Tantangan-tantangan ini meliputi:

● Pada beberapa aplikasi otomotif, kabel koaksial RF yang sangat panjang dapat mengakibatkan peningkatan angka kebisingan dan hilangnya sinyal.

● Suhu ekstrim atau penyimpangan suhu pada kabel dan komponen RF dapat menyebabkan peningkatan angka kebisingan, sehingga mempengaruhi kinerja perangkat RFFE.

Untuk mengurangi angka kebisingan yang disebabkan oleh kerugian pada kabel panjang, perancang menggunakan penguat kebisingan rendah (LNA) dan mencoba menempatkan RFFE lebih dekat ke antena. Hal ini mengurangi panjang kabel, sehingga meningkatkan NF sistem, dan mengurangi kehilangan penyisipan kabel.

Filter RF dengan Q tinggi dan kerugian rendah membantu mengurangi efek penyimpangan suhu. Mereka juga membantu mengurangi kehilangan penyisipan link budget dan interferensi band yang berdekatan.

Nilai Q yang tinggi, atau faktor kualitas, menunjukkan bahwa resonator kehilangan rasio energi terhadap energi yang tersimpan dalam jumlah yang rendah. Rok stopband dari filter RF Q tinggi lebih sempit dan curam.

Pertimbangan desain lainnya adalah rentang frekuensi. Pada frekuensi yang lebih tinggi, memperoleh angka kebisingan yang rendah lebih sulit. Ketika mobil terus bermigrasi ke rentang frekuensi yang lebih tinggi, seperti jaringan seluler dan Wi-Fi, memenuhi spesifikasi angka kebisingan menjadi lebih sulit. Tren ini sepertinya tidak akan berubah, dan ekspektasi kami adalah rentang frekuensi secara bertahap akan meluas ke rentang mmWave, seperti 28GHz atau 34GHz. Oleh karena itu, angka kebisingan akan terus menjadi tantangan bagi sistem di dalam kendaraan.

2. Linearitas

Linearitas PA menggambarkan kemampuan PA untuk memperkuat sinyal tanpa menghasilkan distorsi. Istilah ini mengacu pada tugas utama penguat RF, yaitu meningkatkan level daya sinyal input tanpa mengubah konten sinyal.

Linearitas sangat penting untuk sistem yang menggunakan mekanisme modulasi frekuensi apa pun untuk menyandikan informasi dalam perubahan amplitudo sinyal. Dalam telekomunikasi dan pemrosesan sinyal, modulasi frekuensi mengkodekan informasi dalam gelombang pembawa dengan mengubah frekuensi gelombang sesaat. Mekanisme modulasi ini bervariasi dari modulasi amplitudo (AM) hingga modulasi amplitudo kuadratur kompleks (QAM) yang digunakan untuk Wi-Fi. Mekanisme modulasi bergantung pada kemampuan penerima untuk mendeteksi perbedaan amplitudo dan fase sinyal. Untuk menjaga perubahan amplitudo dan fasa dalam sinyal, PA linier harus digunakan. Jika sinyal yang dikirimkan terdistorsi, sulit bagi penerima untuk memulihkan informasi yang dikodekan dalam bagian amplitudo modulasi. Redaman sinyal dapat berdampak negatif pada jangkauan dan kecepatan data sistem.

Sinyal yang diterima mungkin mencakup sinyal out-of-band yang tidak diinginkan dengan amplitudo besar. Sinyal yang tidak diinginkan ini dapat menyebabkan distorsi pada penerima, mengurangi rasio signal-to-noise dari sinyal yang diinginkan, sehingga mempengaruhi jangkauan dan throughput data. Filter dapat digunakan untuk menekan sinyal-sinyal ini dan mengurangi persyaratan linearitas. Oleh karena itu, penggunaan filter bandpass mengurangi persyaratan linearitas untuk sinyal interferensi out-of-band.

Sistem PA front-end nonlinier dapat menghasilkan regenerasi spektrum yang dapat mengganggu saluran yang berdekatan. Regenerasi spektrum merupakan mekanisme distorsi penting pada perangkat nonlinier seperti PA dalam aplikasi nirkabel. Peningkatan kebutuhan tingkat daya, suhu, dan anggaran tautan semuanya dapat menyebabkan masalah linearitas. Penggunaan filter tepi pita membantu mengurangi distorsi nonlinier yang disebabkan oleh interferensi dari pengguna saluran yang berdekatan. Selain itu, filter koeksistensi pada sisi penerima RFFE juga dapat mengurangi gangguan sinyal dan membantu meningkatkan rasio signal-to-noise pita penerima.

3. Selektivitas

Selektivitas adalah ukuran kemampuan penerima radio untuk merespons hanya sinyal yang disetel, sambil menolak sinyal lain pada frekuensi yang sama, seperti siaran lain pada saluran yang berdekatan.

Sistem komunikasi nirkabel otomotif dapat dipengaruhi oleh berbagai gangguan. Insinyur desain RF otomotif harus mempertimbangkan sinyal RF internal dan eksternal yang mengelilingi penerima radio.

Filter dapat melemahkan sinyal yang tidak diinginkan sekaligus membiarkan sinyal yang diinginkan lewat hanya dengan kerugian kecil, sehingga meningkatkan selektivitas penerima. Mereka juga membantu mengurangi interferensi pita yang berdekatan. Seiring dengan meningkatnya jumlah rata-rata pita frekuensi dan radio di dalam mobil, dan jumlah standar, penggunaan teknologi filter canggih seperti filter gelombang akustik massal low-drift dapat membantu para insinyur mengatasi tantangan interferensi.

Pengurangan panas juga merupakan pertimbangan lain dalam desain RFFE nirkabel untuk sistem otomotif. Gunakan teknik penyaringan RF Q tinggi untuk mengurangi dampak panas pada kehilangan penyisipan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4-1, penggunaan teknologi penyaringan low-drift Q tinggi dapat membantu mengurangi interferensi selama thermal drift. Filter low-drift memiliki koefisien frekuensi suhu rendah (TCF) yang membantu mengurangi insertion loss, mengurangi interferensi saluran yang berdekatan, dan mengurangi batasan link budget.

“”

4. Pemanasan dan stabilitas

Penyimpangan suhu di dalam mobil bisa sangat besar. Kondisi stres otomotif bervariasi dari –40?C hingga 150?C. Oleh karena itu, insinyur dan pemasok desain otomotif harus memvalidasi dan menguji komponen dan sistem untuk kondisi ekstrem ini (lihat Gambar 4-2).

“”

Dalam desain sistem, para insinyur sering kali membuat trade-off antara linearitas, output daya, dan efisiensi. Panas menurunkan kinerja sistem secara keseluruhan seperti throughput, jangkauan sinyal, dan penolakan interferensi. Oleh karena itu, penting untuk merancang sistem menggunakan komponen RFFE yang mampu mereduksi panas. Menggunakan amplifier daya linearitas tinggi atau modul front-end yang dioptimalkan mengurangi pembangkitan panas secara keseluruhan.

Faktor penting lainnya yang mempengaruhi jumlah panas yang dihasilkan di dalam mobil adalah hilangnya kabel. Kehilangan kabel meningkatkan link budget, artinya transmisi (TX) RFFE PA harus mengimbanginya dengan meningkatkan daya keluaran untuk mengurangi kerugian. Ketika daya keluaran meningkat, panas yang dihasilkan oleh sistem meningkat dan efisiensi energi menurun.

Pelajari tentang tantangan RF otomotif lainnya

Dalam sistem RF otomotif, selain parameter kinerja, ada dua topik penting yang perlu dipertimbangkan:

Mengembangkan komponen yang memenuhi standar kualitas otomotif Automotive Electronics Council (AEC) yang ketat.

Memenuhi persyaratan sistem untuk teknologi Carrier Aggregation (CA) dan DSDA.

1. Terhubung dengan standar IATF dan AEC

Seiring berkembangnya teknologi otomotif menuju sistem bantuan pengemudi dan kendaraan otonom yang lebih canggih, risiko akan meningkat. Industri otomotif telah mengembangkan standar kualitas yang ketat untuk pembuatan dan pengujian komponen guna memastikan bahwa komponen RF yang semakin kompleks tidak akan mengalami kegagalan fungsi setelah dipasang pada sistem elektronik.

Sepanjang proses pembuatan dan pengujian, produsen industri otomotif harus memenuhi standar industri yang ditentukan. Tiga kriteria utama meliputi:

●International Automotive Promotion Group (IATF) 16949: Standar sistem manajemen mutu untuk industri otomotif ini digunakan di seluruh dunia. Produsen mobil umumnya percaya bahwa produsen komponen, perakitan, dan pengujian harus terakreditasi dengan standar IATF 16949.

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100: Menentukan pengujian standar untuk komponen aktif seperti sakelar dan PA.

● AEC-Q200: Menentukan pengujian standar peralatan pasif seperti filter RF yang digunakan dalam komunikasi Wi-Fi dan komunikasi seluler.

Beberapa pengujian terbatas pada industri otomotif, seperti pengujian tingkat kegagalan dini (ELFR), yang memerlukan beberapa sampel (masing-masing berisi 800 komponen) untuk dipaparkan pada lingkungan dengan suhu minimal 125°C, dan siklus daya dan suhu (PTC). Pengujian yang terakhir ini mengharuskan sampel terkena siklus suhu tinggi dan rendah secara bergantian, dengan suhu berkisar antara –40?C dan di bawahnya hingga 125?C.

Pengujian lainnya dilakukan dalam kondisi yang lebih keras atau dalam batch yang lebih besar untuk memberikan dasar statistik yang lebih baik dalam menentukan apakah komponen produksi dapat diandalkan.

2. CA dan DSDA

Agregasi operator (CA) memungkinkan operator jaringan seluler untuk menggabungkan banyak operator LTE individu untuk meningkatkan bandwidth dan kecepatan bit.Teknologi agregasi pembawa digunakan untuk menggabungkan beberapa pembawa komponen LTE (CC) dari spektrum yang tersedia

● Mendukung blok sinyal bandwidth intra-band atau antar-band yang bersebelahan atau tidak bersebelahan

● Meningkatkan kinerja jaringan pada uplink, downlink, atau dua arah

● Meningkatkan kecepatan data puncak hingga kecepatan beban puncak 1 GB/detik (Gbps).

● Meningkatkan kapasitas jaringan secara keseluruhan untuk memanfaatkan alokasi spektrum yang terfragmentasi

Operator komponen (CC) adalah saluran LTE yang biasanya ditetapkan untuk satu pengguna. Ini merupakan tantangan serius bagi desainer RF. Di mobil, CA akan menyediakan konektivitas LTE kelas gigabit. Untuk mencapai kecepatan ini, modem di dalam kendaraan menggunakan pemrosesan sinyal digital canggih (256 QAM) dan 4x4 MIMO, yang mendukung banyak agregasi 4 operator.

MIMO adalah teknologi antena untuk komunikasi nirkabel yang menggunakan banyak antena baik pada pemancar maupun penerima. Antena di setiap ujung sirkuit komunikasi dikelompokkan untuk meminimalkan kesalahan dan mengoptimalkan kecepatan data.

Tantangan CA pada mobil meliputi:

● Sensitivitas downlink: Banyak aplikasi CA memerlukan arsitektur yang menggunakan filter RF, duplexer, atau multiplexer kompleks. Filter RF ini membantu memastikan isolasi antara berbagai jalur TX dan RX, membantu mencapai sensitivitas sistem. Semakin banyak pita frekuensi yang ditambahkan ke sistem, dengan menggunakan penyaringan yang lebih kompleks (seperti multiplekser), perancang harus memastikan bahwa berbagai pita frekuensi bekerja sama.

● Pembangkitan harmonik: Harmonisa dihasilkan oleh komponen nonlinier, seperti PA, duplekser, dan sakelar. Perancang harus hati-hati melakukan trade-off dalam desain mereka untuk memastikan bahwa harmonisa listrik dapat dimitigasi tanpa mengorbankan kinerja.

● Desensitisasi: Harmonik dan kebocoran TX menyebabkan sensitivitas sistem menurun, yang disebut desensitisasi. Desensitisasi adalah penurunan sensitivitas akibat sumber kebisingan, yang sering kali dihasilkan oleh peralatan radio yang sama. Hal ini mengakibatkan penurunan kinerja penerima, sehingga mencegah deteksi sinyal target dengan benar. Isolasi sakelar yang tinggi dan redaman filter dapat sangat mengurangi interferensi antar jalur sinyal.

Teknologi DSDA menggunakan dua transceiver independen dan jalur antena dalam dua CC aktif. Hal ini memungkinkan OEM untuk memanfaatkan layanan operator tertentu yang dikontrak sekaligus memungkinkan pemilik untuk menambahkan operator favorit mereka. Operator memungkinkan pemilik mobil untuk menambahkan mobil mereka ke paket data rumah dan memanfaatkannya. Kerugiannya adalah DSDA meningkatkan konsumsi daya sistem, sehingga meningkatkan pembangkitan panas, dan juga meningkatkan kompleksitas RFFE. Untuk mengurangi timbulnya panas, perancang harus menggunakan modul RFFE yang linier dan efisien.

Seperti CA, DSDA juga memerlukan penyaringan drift rendah yang stabil untuk mencapai tujuan desain sistem dan pabrikan mobil. Ketika jumlah CC meningkat, pentingnya filter pita individual dan multiplekser kompleks juga meningkat.