기술나눔

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

차량이 정보를 공유하고 서로 협력하여 보다 안전하고 친환경적이며 더욱 즐거운 교통수단을 만든다는 생각은 매우 매력적입니다. 협업 지능형 교통 시스템(C-ITS)으로 통칭되는 이 개념과 관련된 다양한 기술은 교통 혼잡을 완화하고 교통이 환경에 미치는 영향을 줄이며 치명적인 교통 사고 수를 크게 줄일 것을 약속합니다.

이번 장에서는 커넥티드 카와 자동차 데이터, 기회와 활용 사례, 커넥티드 카의 RF 반도체에 대해 살펴보겠습니다.

연결된 자동차와 데이터

자동차는 주로 운송에 사용되는 독립형 객체에서 양방향 통신이 가능한 고급 인터넷 연결 엔드포인트로 변화하고 있습니다. 현대의 커넥티드 카에서 생성된 새로운 데이터 스트림은 마일리지 기반 보험과 같은 혁신적인 비즈니스 모델을 주도하여 새로운 차량 내 경험을 제공하고 자율 주행 및 V2V 통신과 같은 자동차 기술 발전의 기반을 마련합니다.

미래의 연결된 자율주행 자동차를 실현하는 데는 두 가지 주요 접근 방식이 있습니다. 한 기술은 IEEE 802.11p 표준을 기반으로 하고, 다른 기술은 셀룰러 인프라에서 C-V2X를 활용합니다. 두 가지 접근 방식이 어떻게 서로 혼합되고 연결되는지. 결국에는 모두 서로 다른 방식으로 LTE/5G 인프라 네트워크에 연결될 것입니다.

다양한 통신 기술이 도입되면서 자동차 내부의 전자 통신 시스템이 크게 늘어났습니다. 그림 3-4와 같이 자동차 내부에는 Wi-Fi, 셀룰러, 블루투스 등 여러 개의 RF 프런트엔드(RFFE) 체인과 안테나가 있습니다. 또한 그림 3-4에 표시된 일부 표준에는 1개 또는 2개 이상의 신호 경로가 있습니다.

이러한 RF 체인 중 다수는 새로운 자동차 시스템 인텔리전스에 기여합니다.

첫째, 이 시스템은 센서, 카메라, 차량 내 연결 등에서 데이터를 지능적으로 수집하여 중요한 데이터와 서비스를 제공합니다. 증폭기, 스위치, 필터 및 고집적 모듈과 같은 RF 구성요소는 자동차 처리 및 통신 시스템에 중요한 기능을 추가합니다. 더욱 자동화된 자동차로 업그레이드됨에 따라 이러한 시스템과 기능은 더욱 복잡해질 것입니다.

또한 밀리미터파(mmWave)와 같은 새로운 RF 체인이 자동차로 이전되어 현재 시스템보다 3배 더 높은 정밀도와 데이터 전송 속도를 제공할 것입니다. 이를 통해 설계자는 보다 스마트한 차량 내 통신 및 감지를 구현하여 자동차가 다른 차량, 보행자, 물체 및 장치를 감지하고 피할 수 있도록 돕습니다.

셀룰러 기술 시장의 발전에 우여곡절이 있었던 것처럼, 향후 자동차 시장의 변화도 순조롭지는 않을 것입니다. 고객은 자동차 디자인에 영향을 미치고, 규제 기관은 기술의 형태를 제어하고 영향을 미치며, 자동차를 중심으로 한 LTE/5G 연결 세계는 계속해서 발전할 것입니다. RF 설계 엔지니어는 시장 요구 사항을 충족하기 위해 애플리케이션에서 성능과 기회의 균형을 맞춰야 합니다.

오늘날의 스마트폰은 NASA가 1969년 두 명의 우주 비행사를 달에 보냈을 때보다 더 많은 컴퓨팅 성능을 갖추고 있습니다. 물론 네트워크 통신을 위해 이 모든 원시 컴퓨팅 성능을 어떻게 사용합니까?

현대 자동차는 스마트폰보다 더 많은 컴퓨팅 성능과 기술적 정교함을 갖추고 있습니다. 따라서 현대 차량의 다양한 기술과 RF 신호 간의 간섭은 설계 엔지니어에게 끊임없는 과제입니다.

이러한 모든 기술이 공존할 수 있도록 하려면 RFFE 모듈이 정밀 필터링 기능, PA 성능 및 PA 효율성을 결합하여 함께 작동할 수 있도록 해야 합니다. 또한 이러한 구성 요소는 엄격한 자동차 품질 표준을 준수하기 위해 열악한 환경 조건에서도 작동할 수 있어야 합니다. 결국 CA 및 DSDA 기술의 시스템 요구 사항은 추가적인 과제를 제시했습니다.

이를 위해서는 먼저 RF와 관련된 주요 성능 매개변수를 이해해야 합니다. RF와 관련된 주요 성능 매개변수 과제에는 수신기 감도, 선형성, 선택성, 열 발생 및 안정성이 포함되는 것으로 이해됩니다.

1. 수신기 감도

수신기 감도는 수신기가 성공적으로 수신할 수 있는 입력 신호가 얼마나 약한지를 나타냅니다. 수신기가 수신할 수 있는 전력 레벨이 낮을수록 수신기의 감도는 높아집니다. 수신기 감도는 일반적으로 수신기의 출력 포트에서 지정된 신호 대 잡음비(SNR)를 생성하는 데 필요한 작은 입력 신호로 정의됩니다.

수신기(RX) 감도는 무선 통신에서 모든 무선 수신기의 주요 사양 중 하나입니다. 수신기의 감도는 낮은 레벨의 신호를 포착하는 능력을 나타냅니다. 신호 레벨은 전송 거리에 반비례하므로 감도가 낮은 시스템은 수신 범위가 좋다는 것을 의미합니다. 즉, 수신기 감도가 높을수록 범위가 길어집니다.

수신기 감도는 필요한 신호 대 잡음비(SNR)로 지정된 출력 신호를 생성하는 데 필요한 작은 입력 신호로 정의됩니다. 이는 열 잡음 플로어에 RX 잡음 지수(NF)와 원하는 작은 SNR을 곱하여 계산됩니다. 낮은 노이즈 수치는 더 나은 성능을 의미합니다.

자동차에서는 다양한 요인으로 인해 다른 애플리케이션보다 잡음 지수가 높아지거나 추가적인 SNR 문제가 발생할 수 있습니다. 이러한 과제에는 다음이 포함됩니다.

● 일부 자동차 애플리케이션에서는 매우 긴 RF 동축 케이블로 인해 잡음 지수와 신호 손실이 증가할 수 있습니다.

● RF 케이블 및 구성요소의 극한 온도나 온도 드리프트로 인해 잡음 지수가 증가하여 RFFE 장치의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.

긴 케이블의 손실로 인한 잡음 지수를 줄이기 위해 설계자는 저잡음 증폭기(LNA)를 사용하고 RFFE를 안테나에 더 가깝게 배치하려고 합니다. 이는 케이블 길이를 줄여 시스템 NF를 증가시키고 케이블 삽입 손실을 줄입니다.

높은 Q, 저손실 RF 필터는 온도 드리프트의 영향을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 링크 예산 삽입 손실과 인접 대역 간섭을 줄이는 데 도움이 됩니다.

높은 Q 값 또는 품질 계수는 공진기가 저장된 에너지에 대한 에너지 비율이 낮다는 것을 나타냅니다. 높은 Q RF 필터의 저지대역 스커트는 더 좁고 가파릅니다.

또 다른 설계 고려 사항은 주파수 범위입니다. 더 높은 주파수에서는 낮은 노이즈 수치를 얻는 것이 더 어렵습니다. 자동차가 셀룰러 네트워크 및 Wi-Fi와 같은 더 높은 주파수 범위로 계속 이동함에 따라 잡음 지수 사양을 충족하는 것이 더욱 어려워지고 있습니다. 이러한 추세는 바뀔 가능성이 낮으며, 주파수 범위는 점차 28GHz나 34GHz 등 mmWave 범위로 확대될 것으로 예상됩니다. 따라서 소음 지수는 차량 내 시스템에서 계속해서 문제가 될 것입니다.

2. 선형성

PA 선형성은 왜곡을 생성하지 않고 신호를 증폭하는 PA의 능력을 나타냅니다. 이 용어는 신호 내용을 변경하지 않고 입력 신호의 전력 레벨을 높이는 RF 증폭기의 기본 작업을 나타냅니다.

신호 진폭의 변화에 ​​대한 정보를 인코딩하기 위해 주파수 변조 메커니즘을 사용하는 시스템에서는 선형성이 매우 중요합니다. 통신 및 신호 처리에서 주파수 변조는 파동의 순간 주파수를 변경하여 반송파의 정보를 인코딩합니다. 이러한 변조 메커니즘은 진폭 변조(AM)부터 Wi-Fi에 사용되는 복소 직교 진폭 변조(QAM)까지 다양합니다. 변조 메커니즘은 신호 진폭과 위상의 차이를 감지하는 수신기의 능력에 따라 달라집니다. 신호의 진폭과 위상 변화를 보존하려면 선형 PA를 사용해야 합니다. 전송된 신호가 왜곡되면 수신기가 변조의 진폭 부분에 인코딩된 정보를 복구하기가 어렵습니다. 신호 감쇠는 시스템의 범위와 데이터 속도에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다.

수신된 신호에는 원하지 않는 큰 진폭의 대역 외 신호가 포함될 수 있습니다. 이러한 원치 않는 신호는 수신기에서 왜곡을 발생시켜 원하는 신호의 신호 대 잡음 비율을 감소시켜 범위와 데이터 처리량에 영향을 줄 수 있습니다. 필터를 사용하면 이러한 신호를 억제하고 선형성 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 따라서 대역 통과 필터를 사용하면 대역 외 간섭 신호에 대한 선형성 요구 사항이 줄어듭니다.

비선형 프런트엔드 PA 시스템은 인접한 채널을 방해할 수 있는 스펙트럼 재생성을 생성할 수 있습니다. 스펙트럼 재생성은 무선 애플리케이션의 PA와 같은 비선형 장치에서 중요한 왜곡 메커니즘입니다. 증가된 전력 수준 요구 사항, 온도 및 링크 예산은 모두 선형성 문제를 일으킬 수 있습니다. 밴드 에지 필터를 사용하면 인접한 채널 사용자의 간섭으로 인한 비선형 왜곡을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 RFFE 수신단의 공존 필터는 신호 간섭을 줄이고 수신기 대역 신호 대 잡음비를 향상시키는 데 도움이 됩니다.

3. 선택성

선택도는 튜닝된 신호에만 응답하고 인접한 채널의 다른 방송과 같은 비슷한 주파수의 다른 신호는 거부하는 라디오 수신기의 능력을 측정한 것입니다.

자동차 무선 통신 시스템은 다양한 간섭의 영향을 받을 수 있습니다. 자동차 RF 설계 엔지니어는 무선 수신기 주변의 내부 및 외부 RF 신호를 모두 고려해야 합니다.

필터는 원치 않는 신호를 감쇠시키는 동시에 원하는 신호가 적은 손실로 통과되도록 허용하여 수신기 선택성을 향상시킬 수 있습니다. 또한 인접 대역 간섭을 줄이는 데도 도움이 됩니다. 자동차의 평균 주파수 대역 및 라디오 수가 증가하고 표준 수가 증가함에 따라 저 드리프트 벌크 음파 필터와 같은 고급 필터 기술을 사용하면 엔지니어가 간섭 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다.

열 감소는 자동차 시스템용 무선 RFFE 설계의 또 다른 고려 사항이기도 합니다. 열이 삽입 손실에 미치는 영향을 줄이려면 높은 Q RF 필터링 기술을 사용하십시오. 그림 4-1에 표시된 것처럼 높은 Q의 낮은 드리프트 필터링 기술을 사용하면 열 드리프트 중 간섭을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 저 드리프트 필터는 삽입 손실을 줄이고, 인접 채널 간섭을 줄이고, 링크 예산 제약을 줄이는 데 도움이 되는 낮은 온도 주파수 계수(TCF)를 갖습니다.

“”

4. 발열 및 안정성

자동차의 온도 변화는 매우 클 수 있습니다. 자동차 스트레스 조건은 -40°C에서 150°C까지 다양합니다. 따라서 자동차 설계 엔지니어와 공급업체는 이러한 극한 조건에 대해 구성 요소와 시스템을 검증하고 테스트해야 합니다(그림 4-2 참조).

“”

시스템 설계에서 엔지니어는 선형성, 전력 출력 및 효율성 사이에서 절충점을 찾는 경우가 많습니다. 열은 처리량, 신호 범위, 간섭 제거 등 전반적인 시스템 성능을 저하시킵니다. 따라서 열을 감소시키는 RFFE 구성 요소를 사용하여 시스템을 설계하는 것이 중요합니다. 최적화된 고선형 전력 증폭기 또는 프런트엔드 모듈을 사용하면 전반적인 열 발생이 줄어듭니다.

자동차에서 발생하는 열량에 영향을 미치는 또 다른 중요한 요소는 케이블 손실입니다. 케이블 손실은 링크 예산을 증가시킵니다. 즉, 전송(TX) RFFE PA는 손실을 줄이기 위해 출력 전력을 높여 보상해야 합니다. 출력 전력이 증가하면 시스템에서 발생하는 열이 증가하고 에너지 효율이 감소합니다.

기타 자동차 RF 과제에 대해 알아보기

자동차 RF 시스템에는 성능 매개변수 외에도 고려해야 할 두 가지 중요한 주제가 있습니다.

엄격한 AEC(Automotive Electronics Council) 자동차 품질 표준을 충족하는 부품을 개발합니다.

CA(Carrier Aggregation) 및 DSDA 기술에 대한 시스템 요구 사항을 충족합니다.

1. IATF 및 AEC 표준과 연결

자동차 기술이 더욱 발전된 운전자 지원 시스템과 자율주행차로 발전함에 따라 위험도 증가할 것입니다. 자동차 산업은 점점 더 복잡해지는 RF 부품이 전자 시스템에 내장된 후 오작동하지 않도록 보장하기 위해 부품 제조 및 테스트에 대한 엄격한 품질 표준을 개발했습니다.

제조 및 테스트 과정 전반에 걸쳐 자동차 산업 제조업체는 지정된 산업 표준을 충족해야 합니다. 세 가지 주요 기준은 다음과 같습니다.

●IATF(International Automotive Promotion Group) 16949: 전 세계적으로 사용되는 자동차 산업의 품질 경영 시스템 표준입니다. 자동차 제조업체는 일반적으로 부품 제조, 조립 및 테스트 제조업체가 IATF 16949 표준에 따라 인증을 받아야 한다고 믿습니다.

● AEC(Automotive Electronics Council) Q100: 스위치 및 PA와 같은 능동 구성 요소에 대한 표준 테스트를 지정합니다.

● AEC-Q200: Wi-Fi 통신 및 셀룰러 통신에 사용되는 RF 필터와 같은 수동 장비에 대한 표준 테스트를 지정합니다.

여러 샘플(각각 800개의 부품 포함)을 최소 125°C의 환경에 노출시켜야 하는 조기 고장률(ELFR) 테스트, 전력 및 온도 사이클링(PTC)과 같은 일부 테스트는 자동차 산업으로 제한됩니다. 후자의 경우 샘플이 -40°C 이하에서 125°C 범위의 고온 및 저온 주기에 교대로 노출되어야 합니다.

다른 테스트는 생산 구성 요소의 신뢰성을 결정하기 위한 더 나은 통계적 기반을 제공하기 위해 더 가혹한 조건에서 또는 대규모 배치에서 수행됩니다.

2. CA와 DSDA

CA(캐리어 어그리게이션)를 사용하면 모바일 네트워크 사업자가 많은 개별 LTE 캐리어를 결합하여 대역폭과 비트 전송률을 높일 수 있습니다.캐리어 집적(Carrier Aggregation) 기술은 사용 가능한 스펙트럼의 여러 LTE 구성 캐리어(CC)를 결합하는 데 사용됩니다.

● 더 넓은 연속 또는 비연속 대역 내 또는 대역 간 대역폭 신호 블록 지원

● 업링크, 다운링크 또는 양방향에서 네트워크 성능 향상

● 최대 데이터 속도를 1GB/초(Gbps) 최대 로드 속도로 높입니다.

● 단편화된 스펙트럼 할당을 활용하기 위해 네트워크의 전체 용량을 늘립니다.

CC(Component Carrier)는 일반적으로 한 명의 사용자에게 할당되는 LTE 채널입니다. 이는 RF 설계자에게 심각한 과제입니다. 자동차에서 CA는 기가비트급 LTE 연결을 제공할 것입니다. 이러한 속도를 달성하기 위해 차량 내 모뎀은 고급 디지털 신호 처리(256 QAM) 및 4x4 MIMO를 사용하여 많은 4캐리어 집합을 지원합니다.

MIMO는 송신기와 수신기 모두에서 다중 안테나를 사용하는 무선 통신용 안테나 기술입니다. 통신 회로의 각 끝에 있는 안테나는 오류를 최소화하고 데이터 속도를 최적화하기 위해 함께 그룹화됩니다.

자동차의 CA 과제는 다음과 같습니다.

● 다운링크 감도: 많은 CA 애플리케이션에는 RF 필터, 듀플렉서 또는 복잡한 멀티플렉서를 사용하는 아키텍처가 필요합니다. 이러한 RF 필터는 다양한 TX 및 RX 경로 간의 격리를 보장하여 시스템 감도를 달성하는 데 도움이 됩니다. 더 복잡한 필터링(예: 멀티플렉서)을 사용하여 더 많은 주파수 대역이 시스템에 추가됨에 따라 설계자는 다양한 주파수 대역이 함께 작동하는지 확인해야 합니다.

● 고조파 생성: 고조파는 PA, 듀플렉서 및 스위치와 같은 비선형 구성 요소에 의해 생성됩니다. 설계자는 성능 저하 없이 전기 고조파가 완화되도록 설계 시 신중하게 절충해야 합니다.

● 둔감화: 고조파 및 TX 누출로 인해 시스템 감도가 감소하는데, 이를 둔감화라고 합니다. 둔감화는 종종 동일한 무선 장비에서 생성되는 잡음원으로 인한 감도 감소입니다. 이로 인해 수신기 성능이 저하되어 대상 신호를 올바르게 감지할 수 없게 됩니다. 높은 스위치 절연 및 필터 감쇠는 신호 경로 간의 간섭을 크게 줄일 수 있습니다.

DSDA 기술은 두 개의 활성 CC에서 두 개의 독립적인 트랜시버와 안테나 경로를 사용합니다. 이를 통해 OEM은 특정 계약 운송업체 서비스를 활용하는 동시에 소유자가 선호하는 운송업체를 추가할 수 있습니다. 통신업체를 통해 자동차 소유자는 홈 데이터 요금제에 자동차를 추가하고 혜택을 누릴 수 있습니다. 단점은 DSDA가 시스템 전력 소비를 증가시켜 열 발생을 증가시키고 RFFE 복잡성도 증가시킨다는 것입니다. 열 발생을 줄이려면 설계자는 선형적이고 효율적인 RFFE 모듈을 사용해야 합니다.

CA와 마찬가지로 DSDA도 시스템 및 자동차 제조업체의 설계 목표를 달성하기 위해 안정적인 저드리프트 필터링이 필요합니다. CC 수가 증가함에 따라 개별 대역 필터와 복잡한 멀티플렉서의 중요성도 커집니다.