Condivisione della tecnologia

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

L’idea che i veicoli condividano informazioni e collaborino tra loro per rendere il trasporto più sicuro, più ecologico e più divertente è molto allettante. Le varie tecnologie associate a questo concetto, note collettivamente come sistemi di trasporto intelligenti collaborativi (C-ITS), promettono di alleviare la congestione del traffico, ridurre l’impatto ambientale dei trasporti e ridurre significativamente il numero di incidenti stradali mortali.

In questo capitolo esplorerò le auto connesse e i relativi dati, le opportunità e i casi d'uso, nonché i semiconduttori RF nelle auto connesse.

Auto e dati connessi

Le automobili si stanno trasformando da oggetti autonomi utilizzati principalmente per il trasporto a endpoint avanzati connessi a Internet, spesso capaci di comunicazione bidirezionale. I nuovi flussi di dati generati dalle moderne auto connesse danno vita a modelli di business innovativi, come l’assicurazione basata sul chilometraggio, consentendo nuove esperienze a bordo e gettando le basi per i progressi nelle tecnologie automobilistiche come la guida autonoma e le comunicazioni V2V.

Esistono due approcci principali per realizzare le auto connesse e a guida autonoma del futuro. Una tecnologia è basata sullo standard IEEE 802.11p e l'altra sfrutta C-V2X sull'infrastruttura cellulare. Come i due approcci si mescolano e si connettono tra loro. Alla fine, saranno tutti connessi alle reti infrastrutturali LTE/5G, solo in modi diversi.

Con l'introduzione di varie comunicazioni, i sistemi di comunicazione elettronica all'interno delle automobili sono aumentati in modo significativo. Come mostrato nella Figura 3-4, all'interno dell'auto sono presenti più catene e antenne RF front-end (RFFE), come Wi-Fi, cellulare, Bluetooth, ecc. Inoltre, alcuni degli standard indicati nella Figura 3-4 hanno più di uno o due percorsi di segnale.

Molte di queste catene RF contribuiscono alla nuova intelligenza dei sistemi automobilistici.

Innanzitutto, questo sistema raccoglie in modo intelligente i dati da sensori, telecamere e connessioni a bordo del veicolo per fornire dati e servizi importanti. I componenti RF come amplificatori, interruttori, filtri e moduli altamente integrati aggiungono importanti funzionalità ai sistemi di elaborazione e comunicazione automobilistici. Man mano che passiamo ad auto sempre più automatizzate, questi sistemi e le loro funzioni diventeranno più complessi.

Inoltre, nuove catene RF, come quelle a onde millimetriche (mmWave), migreranno verso le automobili, fornendo tre volte la precisione e la velocità di trasmissione dei dati dei sistemi attuali. Ciò consente ai progettisti di implementare comunicazioni e sensori a bordo più intelligenti, aiutando le auto a rilevare ed evitare altre auto, pedoni, oggetti e dispositivi.

Proprio come lo sviluppo del mercato della tecnologia cellulare ha avuto i suoi alti e bassi, la futura trasformazione del mercato automobilistico non sarà facile. I clienti influenzeranno la progettazione delle auto, gli enti regolatori controlleranno e influenzeranno la forma della tecnologia e il mondo connesso LTE/5G attorno alle auto continuerà ad avanzare. I progettisti RF devono bilanciare prestazioni e opportunità nelle loro applicazioni per soddisfare le richieste del mercato.

Gli smartphone di oggi hanno più potenza di calcolo di quella che aveva persino la NASA quando inviò due astronauti sulla Luna nel 1969. Cosa facciamo con tutta questa potenza di calcolo a nostra disposizione, ovviamente?

Le auto moderne hanno più potenza di calcolo e sofisticatezza tecnologica rispetto agli smartphone. Pertanto, l'interferenza tra diverse tecnologie e segnali RF nei veicoli moderni rappresenta una sfida costante per i progettisti.

Per garantire che tutte queste tecnologie possano coesistere, il modulo RFFE deve combinare precise capacità di filtraggio, prestazioni PA ed efficienza PA in modo che possano lavorare insieme. Inoltre, questi componenti devono essere in grado di funzionare in condizioni ambientali difficili per conformarsi ai rigorosi standard di qualità automobilistica. Alla fine, i requisiti di sistema delle tecnologie CA e DSDA hanno presentato ulteriori sfide.

Ciò richiede innanzitutto di comprendere i parametri prestazionali chiave relativi alla RF. Resta inteso che le principali sfide relative ai parametri prestazionali legati alla RF includono la sensibilità del ricevitore, la linearità, la selettività, la generazione e la stabilità del calore.

1. Sensibilità del ricevitore

La sensibilità del ricevitore indica quanto debole è il segnale in ingresso che il ricevitore può ricevere con successo. Minore è il livello di potenza che il ricevitore è in grado di ricevere, maggiore è la sensibilità del ricevitore. La sensibilità del ricevitore è solitamente definita come il piccolo segnale di ingresso richiesto per produrre uno specifico rapporto segnale-rumore (SNR) sulla porta di uscita del ricevitore.

La sensibilità del ricevitore (RX) è una delle specifiche chiave di qualsiasi ricevitore radio nelle comunicazioni wireless. La sensibilità di un ricevitore rappresenta la sua capacità di captare segnali di basso livello. Poiché il livello del segnale è inversamente proporzionale alla distanza di trasmissione, un sistema con bassa sensibilità significa una buona portata di ricezione. In altre parole, una maggiore sensibilità del ricevitore equivale a una portata maggiore.

La sensibilità del ricevitore è definita come il piccolo segnale di ingresso richiesto per produrre un segnale di uscita specificato con il rapporto segnale-rumore (SNR) richiesto. Viene calcolato moltiplicando il rumore di fondo termico per la figura di rumore RX (NF) e il piccolo SNR desiderato. Una figura di rumore più bassa significa prestazioni migliori.

Nel settore automobilistico, una serie di fattori può comportare una figura di rumore più elevata rispetto ad altre applicazioni o creare ulteriori sfide SNR. Queste sfide includono:

● In alcune applicazioni automobilistiche, cavi coassiali RF molto lunghi possono comportare un aumento della figura di rumore e della perdita di segnale.

● Temperature estreme o variazioni termiche nei cavi e nei componenti RF possono causare un aumento delle figure di rumore, influenzando le prestazioni dei dispositivi RFFE.

Per ridurre la cifra di rumore causata dalle perdite nei cavi lunghi, i progettisti utilizzano amplificatori a basso rumore (LNA) e cercano di posizionare l'RFFE più vicino all'antenna. Ciò riduce la lunghezza del cavo, aumentando così la NF del sistema e riduce la perdita di inserimento del cavo.

I filtri RF ad alto Q e a bassa perdita aiutano a ridurre gli effetti della deriva termica. Aiutano inoltre a ridurre la perdita di inserzione del budget di collegamento e l'interferenza della banda adiacente.

Un valore Q elevato, o fattore di qualità, indica che il risonatore perde un basso rapporto tra energia e energia immagazzinata. Il bordo della banda di arresto di un filtro RF ad alto Q è più stretto e più ripido.

Un'altra considerazione di progettazione è la gamma di frequenza. A frequenze più alte è più difficile ottenere una figura di rumore bassa. Poiché le auto continuano a migrare verso gamme di frequenza più elevate, come le reti cellulari e il Wi-Fi, soddisfare le specifiche relative alle figure di rumore diventa più difficile. È improbabile che questa tendenza cambi e la nostra aspettativa è che la gamma di frequenza si espanda gradualmente nella gamma delle onde mm, come 28 GHz o 34 GHz. Pertanto, la cifra di rumore continuerà a rappresentare una sfida per i sistemi di bordo.

2. Linearità

La linearità del PA descrive la capacità del PA di amplificare un segnale senza produrre distorsioni. Questo termine si riferisce al compito principale di un amplificatore RF, ovvero aumentare il livello di potenza di un segnale di ingresso senza modificarne il contenuto.

La linearità è fondamentale per i sistemi che utilizzano qualsiasi meccanismo di modulazione della frequenza per codificare le informazioni nei cambiamenti nell'ampiezza del segnale. Nelle telecomunicazioni e nell'elaborazione dei segnali, la modulazione di frequenza codifica le informazioni in un'onda portante modificando la frequenza istantanea dell'onda. Questi meccanismi di modulazione variano dalla modulazione di ampiezza (AM) alla complessa modulazione di ampiezza in quadratura (QAM) utilizzata per il Wi-Fi. Il meccanismo di modulazione dipende dalla capacità del ricevitore di rilevare differenze nell'ampiezza e nella fase del segnale. Per preservare l'ampiezza e le variazioni di fase del segnale, è necessario utilizzare un PA lineare. Se il segnale trasmesso è distorto, è difficile per il ricevitore recuperare l'informazione codificata nella porzione di ampiezza della modulazione. L'attenuazione del segnale può influenzare negativamente la portata e la velocità dei dati del sistema.

Il segnale ricevuto può includere segnali fuori banda indesiderati di grande ampiezza. Questi segnali indesiderati possono causare distorsioni nel ricevitore, riducendo il rapporto segnale/rumore del segnale desiderato, influenzando la portata e la velocità di trasmissione dei dati. È possibile utilizzare filtri per sopprimere questi segnali e ridurre i requisiti di linearità. Pertanto, l'utilizzo di un filtro passa-banda riduce i requisiti di linearità per i segnali interferenti fuori banda.

I sistemi PA front-end non lineari possono produrre una rigenerazione dello spettro che può interferire con i canali adiacenti. La rigenerazione dello spettro è un importante meccanismo di distorsione nei dispositivi non lineari come i PA nelle applicazioni wireless. Maggiori requisiti di livello di potenza, temperatura e budget di collegamento possono causare problemi di linearità. L'uso di filtri sul bordo della banda aiuta a ridurre la distorsione non lineare causata dall'interferenza degli utenti dei canali adiacenti. Inoltre, il filtro di coesistenza sull'estremità di ricezione RFFE può anche ridurre l'interferenza del segnale e contribuire a migliorare il rapporto segnale/rumore della banda del ricevitore.

3. Selettività

La selettività è una misura della capacità di un ricevitore radio di rispondere solo a un segnale sintonizzato, rifiutando altri segnali con una frequenza simile, come un'altra trasmissione su un canale adiacente.

I sistemi di comunicazione wireless automobilistici possono essere influenzati da diverse interferenze. I progettisti RF automobilistici devono considerare i segnali RF interni ed esterni che circondano il ricevitore radio.

I filtri possono attenuare i segnali indesiderati consentendo al tempo stesso il passaggio dei segnali desiderati con solo una piccola perdita, migliorando così la selettività del ricevitore. Aiutano anche a ridurre l'interferenza della banda adiacente. Con l’aumento del numero medio di bande di frequenza e radio in un’auto e del numero di standard, l’uso di tecnologie di filtraggio avanzate come i filtri per onde acustiche di massa a bassa deriva può aiutare gli ingegneri a risolvere i problemi di interferenza.

Anche la riduzione del calore è un'altra considerazione nella progettazione di RFFE wireless per i sistemi automobilistici. Utilizzare tecniche di filtraggio RF ad alto Q per ridurre l'impatto del calore sulla perdita di inserzione. Come mostrato nella Figura 4-1, l'utilizzo della tecnologia di filtraggio ad alto Q e bassa deriva può aiutare a ridurre le interferenze durante la deriva termica. I filtri a bassa deriva hanno un basso coefficiente di temperatura della frequenza (TCF) che aiuta a ridurre la perdita di inserzione, ridurre l'interferenza del canale adiacente e ridurre i vincoli di budget del collegamento.

“”

4. Riscaldamento e stabilità

Le variazioni di temperatura nelle automobili possono essere molto grandi. Le condizioni di stress automobilistico variano da –40°C a 150°C. Pertanto, i progettisti e i fornitori automobilistici devono convalidare e testare componenti e sistemi per queste condizioni estreme (vedere Figura 4-2).

“”

Nella progettazione del sistema, gli ingegneri spesso trovano dei compromessi tra linearità, potenza erogata ed efficienza. Il calore degrada le prestazioni complessive del sistema, ad esempio la velocità di trasmissione, la portata del segnale e la reiezione delle interferenze. Pertanto, è importante progettare il sistema utilizzando componenti RFFE che riducono il calore. L'utilizzo di amplificatori di potenza o moduli front-end ottimizzati ad alta linearità riduce la generazione complessiva di calore.

Un altro fattore importante che influenza la quantità di calore generato in un'auto è la perdita del cavo. Le perdite del cavo aumentano il budget del collegamento, il che significa che il PA RFFE di trasmissione (TX) deve compensare aumentando la potenza di uscita per ridurre le perdite. All’aumentare della potenza in uscita, il calore generato dal sistema aumenta e l’efficienza energetica diminuisce.

Scopri altre sfide relative alla RF nel settore automobilistico

Nei sistemi RF automobilistici, oltre ai parametri prestazionali, ci sono due argomenti importanti da considerare:

Sviluppa componenti che soddisfano i rigorosi standard di qualità automobilistica dell'Automotive Electronics Council (AEC).

Soddisfa i requisiti di sistema per le tecnologie Carrier Aggregation (CA) e DSDA.

1. Connettiti agli standard IATF e AEC

Man mano che la tecnologia automobilistica si evolve verso sistemi di assistenza alla guida e veicoli autonomi più avanzati, i rischi aumenteranno. L'industria automobilistica ha sviluppato rigorosi standard di qualità per la produzione e i test dei componenti per garantire che i componenti RF sempre più complessi non subiscano malfunzionamenti dopo essere stati incorporati nei sistemi elettronici.

Durante tutto il processo di produzione e test, i produttori del settore automobilistico devono soddisfare specifici standard di settore. Tre dei criteri chiave includono:

● International Automotive Promotion Group (IATF) 16949: questo standard di sistema di gestione della qualità per l'industria automobilistica è utilizzato in tutto il mondo. Le case automobilistiche generalmente ritengono che i produttori di componenti, assemblaggio e test dovrebbero essere accreditati secondo lo standard IATF 16949.

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100: specifica i test standard per componenti attivi come interruttori e PA.

● AEC-Q200: specifica il test standard delle apparecchiature passive come i filtri RF utilizzati nelle comunicazioni Wi-Fi e cellulari.

Alcuni test sono limitati all'industria automobilistica, come i test ELFR (Early Failure Rate), che richiedono l'esposizione di più campioni (ciascuno contenente 800 componenti) a un ambiente di almeno 125°C e cicli di potenza e temperatura (PTC) Quest'ultimo richiede che il campione venga esposto a cicli alternati di alta e bassa temperatura, con temperature che vanno da –40°C e inferiori a 125°C.

Altri test vengono eseguiti in condizioni più severe o in lotti più grandi per fornire una migliore base statistica per determinare se i componenti di produzione sono affidabili.

2. CA e DSDA

L'aggregazione dei portanti (CA) consente agli operatori di rete mobile di combinare insieme molti singoli portanti LTE per aumentare la larghezza di banda e la velocità in bit.La tecnologia di aggregazione delle portanti viene utilizzata per combinare più portanti componenti LTE (CC) dello spettro disponibile

● Supporta blocchi di segnali di larghezza di banda intra-banda o inter-banda contigui o non contigui più ampi

● Migliorare le prestazioni della rete in uplink, downlink o bidirezionale

● Aumentare la velocità di picco dei dati a 1 GB/secondo (Gbps) di velocità di carico di picco

● Aumentare la capacità complessiva della rete per sfruttare le allocazioni frammentate dello spettro

Una portante componente (CC) è un canale LTE solitamente assegnato a un utente. Questa è una sfida seria per i progettisti RF. Nelle auto, CA fornirà connettività LTE di classe gigabit. Per raggiungere queste velocità, il modem di bordo utilizza un'elaborazione avanzata del segnale digitale (256 QAM) e 4x4 MIMO, supportando molte aggregazioni a 4 portanti.

MIMO è una tecnologia di antenna per comunicazioni wireless che utilizza più antenne sia sul trasmettitore che sul ricevitore. Le antenne a ciascuna estremità del circuito di comunicazione sono raggruppate insieme per ridurre al minimo gli errori e ottimizzare la velocità dei dati.

Le sfide della CA nelle automobili includono:

● Sensibilità downlink: molte applicazioni CA richiedono un'architettura che utilizza filtri RF, duplexer o multiplexer complessi. Questi filtri RF aiutano a garantire l'isolamento tra i vari percorsi TX e RX, contribuendo a raggiungere la sensibilità del sistema. Man mano che vengono aggiunte più bande di frequenza al sistema, utilizzando filtri più complessi (come i multiplexer), i progettisti devono garantire che le varie bande di frequenza funzionino insieme.

● Generazione armonica: le armoniche vengono generate da componenti non lineari, come PA, duplexer e interruttori. I progettisti devono fare attenzione ai compromessi nei loro progetti per garantire che le armoniche elettriche siano mitigate senza compromettere le prestazioni.

● Desensibilizzazione: le armoniche e le perdite TX causano una diminuzione della sensibilità del sistema, fenomeno chiamato desensibilizzazione. La desensibilizzazione è una riduzione della sensibilità dovuta a sorgenti di rumore, spesso generate dalle stesse apparecchiature radio. Ciò si traduce in prestazioni degradate del ricevitore, impedendo il corretto rilevamento dei segnali target. L'elevato isolamento dell'interruttore e l'attenuazione del filtro possono ridurre notevolmente le interferenze tra i percorsi del segnale.

La tecnologia DSDA utilizza due ricetrasmettitori indipendenti e percorsi di antenna in due CC attivi. Ciò consente agli OEM di trarre vantaggio da specifici servizi di vettori contrattati consentendo ai proprietari di aggiungere i loro vettori preferiti. Gli operatori consentono ai proprietari di auto di aggiungere le proprie auto a un piano dati domestico e trarne vantaggio. Lo svantaggio è che il DSDA aumenta il consumo energetico del sistema, aumentando così la generazione di calore, e aumenta anche la complessità della RFFE. Per ridurre la generazione di calore, i progettisti devono utilizzare moduli RFFE lineari ed efficienti.

Come CA, anche DSDA richiede un filtraggio stabile e a bassa deriva per raggiungere gli obiettivi di progettazione del sistema e del produttore di automobili. Con l'aumento del numero di CC, aumenta anche l'importanza dei filtri di banda individuali e dei multiplexer complessi.