技術共有

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車両同士が情報を共有し、協力して移動をより安全、より環境に優しく、より楽しくするというアイデアは非常に魅力的です。この概念に関連するさまざまな技術は、協調型高度道路交通システム (C-ITS) として総称され、交通渋滞の緩和、輸送による環境への影響の軽減、交通死亡事故の大幅な減少を約束します。

この章では、コネクテッド カーと車のデータ、機会と使用例、コネクテッド カーの RF 半導体について説明します。

コネクテッドカーとデータ

自動車は、主に移動手段として使用されるスタンドアロンのオブジェクトから、多くの場合双方向通信が可能な、インターネットに接続された高度なエンドポイントに変わりつつあります。最新のコネクテッド カーによって生成される新しいデータ ストリームは、走行距離ベースの保険などの革新的なビジネス モデルを推進し、新しい車内体験を可能にし、自動運転や V2V 通信などの自動車テクノロジーの進歩の基礎を築きます。

将来のコネクテッド自動運転車を実現するには、主に 2 つのアプローチがあります。 1 つのテクノロジーは IEEE 802.11p 標準に基づいており、もう 1 つはセルラー インフラストラクチャで C-V2X を活用しています。 2 つのアプローチがどのように混ざり合い、相互に結びつくのか。最終的には、それらはすべて、異なる方法で LTE/5G インフラストラクチャ ネットワークに接続されることになります。

さまざまな通信の導入に伴い、車内の電子通信システムは大幅に増加しました。図 3-4 に示すように、車内には Wi-Fi、セルラー、Bluetooth などの複数の RF フロントエンド (RFFE) チェーンとアンテナがあります。さらに、図 3-4 に示されている規格の一部には、複数の信号パスがあります。

これらの RF チェーンの多くは、新しい自動車システム インテリジェンスに貢献します。

まず、このシステムはセンサー、カメラ、車内接続からデータをインテリジェントに収集し、重要なデータとサービスを提供します。 アンプ、スイッチ、フィルター、高度に統合されたモジュールなどの RF コンポーネントは、自動車の処理および通信システムに重要な機能を追加します。自動運転車へのアップグレードが進むにつれて、これらのシステムとその機能はより複雑になります。

さらに、ミリ波 (mmWave) などの新しい RF チェーンが自動車に移行し、現在のシステムの 3 倍の精度とデータ伝送速度を実現します。これにより、設計者はよりスマートな車内通信とセンシングを実装できるようになり、自動車が他の自動車、歩行者、物体、デバイスを検出して回避できるようになります。

携帯電話技術市場の発展に浮き沈みがあったように、自動車市場の将来の変革も順風満帆ではありません。顧客は自動車の設計に影響を与え、規制当局はテクノロジーの形状を制御し影響を与えることになり、自動車を中心とした LTE/5G コネクテッドワールドは進化し続けるでしょう。 RF 設計エンジニアは、市場の需要を満たすために、アプリケーションのパフォーマンスと機会のバランスを取る必要があります。

今日のスマートフォンは、NASA が 1969 年に 2 人の宇宙飛行士を月に送ったときよりも高いコンピューティング能力を備えています。この生のコンピューティング能力を自由に使って何をするのでしょうか? もちろん、ネットワーク通信のためです。

現代の自動車は、スマートフォンよりも優れたコンピューティング能力と洗練された技術を備えています。したがって、現代の車両における異なるテクノロジーと RF 信号間の干渉は、設計エンジニアにとって常に課題となっています。

これらすべてのテクノロジーを確実に共存させるには、RFFE モジュールが正確なフィルタリング機能、PA パフォーマンス、PA 効率を組み合わせて連携して動作できるようにする必要があります。さらに、これらのコンポーネントは、厳しい自動車品質基準に準拠するために、過酷な環境条件で動作できなければなりません。最終的に、CA および DSDA テクノロジーのシステム要件により、さらなる課題が生じました。

そのためには、まず RF に関連する主要なパフォーマンス パラメーターを理解する必要があります。 RF に関連する重要な性能パラメータの課題には、受信機の感度、線形性、選択性、発熱と安定性が含まれることが理解されています。

1. 受信感度

受信機の感度は、受信機がどの程度弱い入力信号を正常に受信できるかを示します。受信機が受信できる電力レベルが低いほど、受信機の感度は高くなります。受信機の感度は通常、受信機の出力ポートで指定された信号対雑音比 (SNR) を生成するために必要な小さな入力信号として定義されます。

受信機 (RX) 感度は、ワイヤレス通信における無線受信機の重要な仕様の 1 つです。受信機の感度は、低レベル信号を受信する能力を表します。信号レベルは伝送距離に反比例するため、感度が低いシステムは受信範囲が良好であることを意味します。言い換えれば、受信機の感度が高ければ、到達距離も長くなります。

受信感度は、必要な信号対雑音比 (SNR) を備えた指定された出力信号を生成するために必要な小さな入力信号として定義されます。これは、熱雑音フロアに RX 雑音指数 (NF) と必要な小さい SNR を乗算して計算されます。雑音指数が低いほど、パフォーマンスが向上します。

自動車では、さまざまな要因により、他のアプリケーションよりも雑音指数が高くなったり、SNR にさらなる課題が生じたりする可能性があります。これらの課題には次のようなものがあります。

● 一部の自動車用途では、非常に長い RF 同軸ケーブルを使用すると、雑音指数と信号損失が増加する可能性があります。

● RF ケーブルやコンポーネントの極端な温度や温度ドリフトにより、雑音指数が増加し、RFFE デバイスの性能に影響を与える可能性があります。

長いケーブルの損失によって生じる雑音指数を低減するために、設計者は低雑音増幅器 (LNA) を使用し、RFFE をアンテナの近くに配置しようとします。これによりケーブル長が短くなり、システムの NF が増加し、ケーブルの挿入損失が減少します。

高 Q、低損失 RF フィルターは、温度ドリフトの影響を軽減します。また、リンク バジェットの挿入損失や隣接帯域の干渉を軽減するのにも役立ちます。

高い Q 値、つまり品質係数は、共振器が蓄積したエネルギーに対して損失するエネルギーの比率が低いことを示します。高 Q RF フィルターの阻止帯域スカートはより狭く、急峻になります。

設計上のもう 1 つの考慮事項は周波数範囲です。より高い周波数では、低い雑音指数を得ることがより困難になります。自動車が携帯電話ネットワークや Wi-Fi などのより高い周波数範囲に移行し続けるにつれて、雑音指数の仕様を満たすことがより困難になります。この傾向が変わる可能性は低く、周波数範囲は徐々に 28 GHz や 34 GHz などのミリ波範囲に拡大すると予想されます。したがって、雑音指数は車載システムにとって引き続き課題となります。

2. 直線性

PA の直線性は、歪みを生じさせることなく信号を増幅する PA の能力を表します。この用語は、信号の内容を変更せずに入力信号のパワー レベルを上げることである RF アンプの主な仕事を指します。

線形性は、周波数変調メカニズムを使用して信号振幅の変化の情報をエンコードするシステムにとって重要です。電気通信および信号処理では、周波数変調は、搬送波の瞬間周波数を変更することにより、搬送波内の情報をエンコードします。これらの変調メカニズムは、振幅変調 (AM) から Wi-Fi に使用される複素直交振幅変調 (QAM) までさまざまです。変調メカニズムは、信号の振幅と位相の違いを検出する受信機の能力に依存します。信号の振幅と位相の変化を維持するには、線形 PA を使用する必要があります。送信信号が歪んでいると、受信機が変調の振幅部分にエンコードされた情報を復元することが困難になります。信号の減衰は、システムの範囲とデータ レートに悪影響を与える可能性があります。

受信信号には、振幅の大きな不要な帯域外信号が含まれる場合があります。これらの不要な信号は受信機に歪みを引き起こし、目的の信号の S/N 比を低下させ、通信範囲とデータ スループットに影響を与える可能性があります。フィルターを使用すると、これらの信号を抑制し、直線性の要件を軽減できます。したがって、バンドパス フィルターを使用すると、帯域外干渉信号に対する直線性の要件が軽減されます。

非線形フロントエンド PA システムでは、隣接するチャネルに干渉する可能性のあるスペクトル再生成が発生する可能性があります。スペクトル再生成は、ワイヤレス アプリケーションの PA などの非線形デバイスにおける重要な歪みメカニズムです。電力レベル要件、温度、リンク バジェットの増加はすべて、直線性の問題を引き起こす可能性があります。バンド エッジ フィルターを使用すると、隣接するチャネル ユーザーからの干渉によって引き起こされる非線形歪みを軽減できます。さらに、RFFE 受信側の共存フィルターも信号干渉を低減し、受信帯域の S/N 比の向上に役立ちます。

3. 選択性

選択性は、隣接するチャネル上の別の放送など、同様の周波数の他の信号を拒否しながら、同調された信号にのみ応答するラジオ受信機の能力の尺度です。

自動車無線通信システムは、さまざまな干渉の影響を受ける可能性があります。自動車の RF 設計エンジニアは、無線受信機の周囲の内部 RF 信号と外部 RF 信号の両方を考慮する必要があります。

フィルターは不要な信号を減衰させながら、目的の信号をわずかな損失で通過させることができるため、受信機の選択性が向上します。また、隣接帯域の干渉を軽減するのにも役立ちます。自動車に搭載される周波数帯域と無線の平均数が増加し、規格の数も増加するにつれて、低ドリフトのバルク弾性波フィルタなどの高度なフィルタ技術の使用は、エンジニアが干渉の問題を解決するのに役立ちます。

熱の削減も、車載システム用ワイヤレス RFFE の設計におけるもう 1 つの考慮事項です。高 Q RF フィルタリング技術を使用して、挿入損失に対する熱の影響を軽減します。図 4-1 に示すように、高 Q 低ドリフト フィルタリング テクノロジを使用すると、熱ドリフト中の干渉を軽減できます。低ドリフト フィルタは周波数温度係数 (TCF) が低いため、挿入損失の低減、隣接チャネル干渉の低減、リンク バジェットの制約の軽減に役立ちます。

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4. 加熱と安定性

車内の温度ドリフトは非常に大きくなる場合があります。自動車のストレス条件は、-40 ℃から 150 ℃まで変化します。したがって、自動車設計エンジニアとサプライヤーは、これらの極端な条件に対してコンポーネントとシステムを検証およびテストする必要があります (図 4-2 を参照)。

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システム設計では、エンジニアは直線性、出力、効率の間でトレードオフを行うことがよくあります。熱は、スループット、信号範囲、干渉除去などのシステム全体のパフォーマンスを低下させます。したがって、熱を低減する RFFE コンポーネントを使用してシステムを設計することが重要です。最適化された高直線性パワーアンプまたはフロントエンドモジュールを使用すると、全体的な発熱が削減されます。

車内で発生する熱の量に影響を与えるもう 1 つの重要な要素は、ケーブル損失です。ケーブル損失によりリンク バジェットが増加します。つまり、送信 (TX) RFFE PA は損失を減らすために出力電力を増やすことで補償する必要があります。出力電力が増加すると、システムによって発生する熱が増加し、エネルギー効率が低下します。

他の自動車用 RF の課題について学ぶ

車載 RF システムでは、性能パラメータに加えて、考慮すべき 2 つの重要なトピックがあります。

Automotive Electronics Council (AEC) の厳しい自動車品質基準を満たすコンポーネントを開発します。

キャリア アグリゲーション (CA) および DSDA テクノロジーのシステム要件を満たします。

1. IATF および AEC 規格に接続する

自動車技術がより高度な運転支援システムや自動運転車に向けて進化するにつれて、リスクは増大します。自動車業界は、ますます複雑化する RF コンポーネントが電子システムに組み込まれた後に誤動作しないことを保証するために、コンポーネントの製造とテストに対する厳しい品質基準を策定してきました。

自動車産業メーカーは、製造およびテストのプロセス全体を通じて、指定された業界基準を満たさなければなりません。重要な基準としては次の 3 つが挙げられます。

● International Automotive Promotion Group (IATF) 16949: この自動車業界向けの品質管理システム規格は世界中で使用されています。自動車メーカーは一般に、部品の製造、組立、および試験のメーカーは IATF 16949 規格の認定を受ける必要があると考えています。

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100: スイッチや PA などのアクティブ コンポーネントの標準テストを指定します。

● AEC-Q200: Wi-Fi 通信やセルラー通信で使用される RF フィルターなどの受動機器の標準テストを指定します。

一部のテストは、自動車業界に限定されています。たとえば、初期故障率 (ELFR) テストでは、複数のサンプル (それぞれ 800 個のコンポーネントを含む) を少なくとも 125°C の環境にさらす必要があり、電源および温度サイクル (PTC)後者のテストでは、サンプルを -40 ℃以下から 125 ℃までの高温と低温のサイクルに交互にさらす必要があります。

他のテストは、生産コンポーネントが信頼できるかどうかを判断するためのより良い統計的根拠を提供するために、より厳しい条件下または大規模なバッチで実行されます。

2. CA と DSDA

キャリア アグリゲーション (CA) を使用すると、モバイル ネットワーク オペレータは多くの個別の LTE キャリアを結合して、帯域幅とビット レートを増やすことができます。キャリア アグリゲーション テクノロジーは、利用可能なスペクトルの複数の LTE コンポーネント キャリア (CC) を結合するために使用されます。

● より広い連続または非連続の帯域内または帯域間帯域幅信号ブロックをサポートします。

● アップリンク、ダウンリンク、または双方向のネットワーク パフォーマンスを向上させます。

● ピーク データ レートを 1 GB/秒 (Gbps) のピーク負荷速度に増加します。

● ネットワーク全体の容量を増加して、断片化されたスペクトル割り当てを活用します。

コンポーネント キャリア (CC) は、通常 1 人のユーザーに割り当てられる LTE チャネルです。これは RF 設計者にとって重大な課題です。自動車では、CA はギガビットクラスの LTE 接続を提供します。これらの速度を実現するために、車載モデムは高度なデジタル信号処理 (256 QAM) と 4x4 MIMO を使用し、多くの 4 キャリア アグリゲーションをサポートします。

MIMO は、送信機と受信機の両方で複数のアンテナを使用する無線通信用のアンテナ技術です。通信回線の両端のアンテナは、エラーを最小限に抑え、データ速度を最適化するためにグループ化されています。

自動車における CA の課題は次のとおりです。

● ダウンリンク感度: 多くの CA アプリケーションでは、RF フィルタ、デュプレクサ、または複雑なマルチプレクサを使用するアーキテクチャが必要です。これらの RF フィルターは、さまざまな TX パスと RX パス間の分離を確保し、システム感度の達成に役立ちます。より複雑なフィルタリング (マルチプレクサなど) を使用して、より多くの周波数帯域がシステムに追加されると、設計者はさまざまな周波数帯域が連携して動作することを確認する必要があります。

● 高調波の生成: 高調波は、PA、デュプレクサ、スイッチなどの非線形コンポーネントによって生成されます。設計者は、性能を損なうことなく電気高調波を確実に軽減できるよう、設計において慎重にトレードオフを行う必要があります。

● 感度の低下: 高調波と TX 漏れによりシステムの感度が低下します。これを感度の低下と呼びます。感度低下とは、同じ無線機器によって発生することが多いノイズ源による感度の低下です。その結果、受信機のパフォーマンスが低下し、ターゲット信号を正しく検出できなくなります。高いスイッチ分離とフィルター減衰により、信号パス間の干渉を大幅に軽減できます。

DSDA テクノロジーは、2 つのアクティブな CC で 2 つの独立したトランシーバーとアンテナ パスを使用します。これにより、OEM は特定の契約した通信事業者サービスを利用できると同時に、所有者がお気に入りの通信事業者を追加できるようになります。通信事業者を利用すると、車の所有者は自分の車を家庭用データ プランに追加して、その恩恵を受けることができます。欠点は、DSDA によりシステムの消費電力が増加し、それによって発熱が増加し、RFFE の複雑さも増加することです。発熱を抑えるために、設計者は線形で効率的な RFFE モジュールを使用する必要があります。

CA と同様に、DSDA もシステムと自動車メーカーの設計目標を達成するために、安定したドリフトの少ないフィルタリングを必要とします。 CC の数が増えると、個々の帯域フィルターと複雑なマルチプレクサーの重要性も高まります。