Compartilhamento de tecnologia

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A ideia de os veículos partilharem informações e cooperarem entre si para tornar o transporte mais seguro, mais ecológico e mais divertido é muito apelativa. As diversas tecnologias associadas a este conceito, conhecidas coletivamente como sistemas colaborativos de transporte inteligentes (C-ITS), prometem aliviar o congestionamento do tráfego, reduzir o impacto ambiental dos transportes e reduzir significativamente o número de acidentes de trânsito fatais.

Neste capítulo, explorarei carros conectados e dados de carros, oportunidades e casos de uso, além de semicondutores de RF em carros conectados.

Carros conectados e dados

Os carros estão se transformando de objetos autônomos usados ​​principalmente para transporte em terminais avançados conectados à Internet, muitas vezes capazes de comunicação bidirecional. Os novos fluxos de dados gerados pelos automóveis modernos conectados impulsionam modelos de negócio inovadores, como o seguro baseado na quilometragem, permitindo novas experiências no automóvel e estabelecendo as bases para avanços nas tecnologias automóveis, como a condução autónoma e as comunicações V2V.

Existem duas abordagens principais para concretizar os carros autônomos e conectados do futuro. Uma tecnologia é baseada no padrão IEEE 802.11p e a outra aproveita o C-V2X na infraestrutura celular. Como as duas abordagens se misturam e se conectam. Eventualmente, todos eles estarão conectados a redes de infraestrutura LTE/5G, apenas de maneiras diferentes.

Com a introdução de várias comunicações, os sistemas de comunicação eletrônica dentro dos carros aumentaram significativamente. Conforme mostrado na Figura 3-4, existem várias cadeias e antenas front-end de RF (RFFE) dentro do carro, como Wi-Fi, celular, Bluetooth, etc. Além disso, alguns dos padrões indicados na Figura 3-4 possuem mais de um ou dois caminhos de sinal.

Muitas dessas cadeias de RF contribuem para a nova inteligência do sistema automotivo.

Primeiro, este sistema coleta dados de forma inteligente de sensores, câmeras e conexões dentro do veículo para fornecer dados e serviços importantes. Componentes de RF, como amplificadores, interruptores, filtros e módulos altamente integrados, adicionam funcionalidades importantes aos sistemas de processamento e comunicação automotivos. À medida que avançamos para carros mais automatizados, estes sistemas e as suas funções tornar-se-ão mais complexos.

Além disso, novas cadeias de RF, como ondas milimétricas (mmWave), migrarão para os carros, proporcionando três vezes mais precisão e taxas de transmissão de dados dos sistemas atuais. Isso permite que os projetistas implementem comunicações e sensores mais inteligentes nos veículos, ajudando os carros a detectar e evitar outros carros, pedestres, objetos e dispositivos.

Tal como o desenvolvimento do mercado da tecnologia celular teve os seus altos e baixos, a futura transformação do mercado automóvel não será tranquila. Os clientes influenciarão o design dos automóveis, os reguladores controlarão e influenciarão a forma da tecnologia e o mundo conectado LTE/5G em torno dos automóveis continuará a avançar. Os engenheiros de projeto de RF devem equilibrar desempenho e oportunidade em suas aplicações para atender às demandas do mercado.

Os smartphones de hoje têm mais poder de computação do que a NASA tinha quando enviou dois astronautas à Lua em 1969. O que fazemos com todo esse poder computacional bruto à nossa disposição? Para comunicações em rede, é claro!

Os carros modernos têm mais poder computacional e sofisticação tecnológica do que os smartphones. Portanto, a interferência entre diferentes tecnologias e sinais de RF em veículos modernos é um desafio constante para os engenheiros de projeto.

Para garantir que todas essas tecnologias possam coexistir, o módulo RFFE precisa combinar capacidades de filtragem precisas, desempenho e eficiência do PA para que possam trabalhar juntos. Além disso, esses componentes devem ser capazes de operar em condições ambientais adversas para atender aos rígidos padrões de qualidade automotiva. Eventualmente, os requisitos de sistema das tecnologias CA e DSDA apresentaram desafios adicionais.

Isso exige que primeiro entendamos os principais parâmetros de desempenho relacionados à RF. Entende-se que os principais desafios dos parâmetros de desempenho relacionados à RF incluem sensibilidade do receptor, linearidade, seletividade e geração e estabilidade de calor.

1. Sensibilidade do receptor

A sensibilidade do receptor indica quão fraco é o sinal de entrada que o receptor pode receber com sucesso. Quanto menor o nível de potência que o receptor é capaz de receber, maior será a sensibilidade do receptor. A sensibilidade do receptor é geralmente definida como o pequeno sinal de entrada necessário para produzir uma relação sinal-ruído (SNR) especificada na porta de saída do receptor.

A sensibilidade do receptor (RX) é uma das principais especificações de qualquer receptor de rádio em comunicações sem fio. A sensibilidade de um receptor representa sua capacidade de captar sinais de baixo nível. Como o nível do sinal é inversamente proporcional à distância de transmissão, um sistema com baixa sensibilidade significa um bom alcance de recepção. Em outras palavras, maior sensibilidade do receptor equivale a maior alcance.

A sensibilidade do receptor é definida como o pequeno sinal de entrada necessário para produzir um sinal de saída especificado com a relação sinal-ruído (SNR) necessária. É calculado multiplicando o piso de ruído térmico pelo valor de ruído RX (NF) e o pequeno SNR desejado. Menor valor de ruído significa melhor desempenho.

No setor automotivo, vários fatores podem resultar em um valor de ruído mais alto do que em outras aplicações ou criar desafios adicionais de SNR. Esses desafios incluem:

● Em algumas aplicações automotivas, cabos coaxiais de RF muito longos podem resultar em aumento do ruído e perda de sinal.

● Temperaturas extremas ou desvios de temperatura em cabos e componentes de RF podem causar aumento dos valores de ruído, afetando o desempenho dos dispositivos RFFE.

Para reduzir o ruído causado por perdas em cabos longos, os projetistas usam amplificadores de baixo ruído (LNAs) e tentam colocar o RFFE mais próximo da antena. Isto reduz o comprimento do cabo, aumentando assim o NF do sistema e reduz a perda de inserção do cabo.

Filtros RF de alto Q e baixa perda ajudam a reduzir os efeitos do desvio de temperatura. Eles também ajudam a reduzir a perda de inserção no orçamento do link e a interferência na banda adjacente.

Um valor Q alto, ou fator de qualidade, indica que o ressonador perde uma baixa proporção de energia em relação à energia armazenada. A saia da banda de parada de um filtro RF de alto Q é mais estreita e mais íngreme.

Outra consideração de projeto é a faixa de frequência. Em frequências mais altas, é mais difícil obter um valor de baixo ruído. À medida que os carros continuam a migrar para faixas de frequência mais altas, como redes celulares e Wi-Fi, o cumprimento das especificações de ruído torna-se mais difícil. É improvável que esta tendência mude, e nossa expectativa é que a faixa de frequência se expanda gradualmente para a faixa mmWave, como 28 GHz ou 34 GHz. Portanto, o número de ruído continuará a ser um desafio para os sistemas dos veículos.

2. Linearidade

A linearidade do PA descreve a capacidade do PA de amplificar um sinal sem produzir distorção. Este termo refere-se à tarefa principal de um amplificador de RF, que é aumentar o nível de potência de um sinal de entrada sem alterar o conteúdo do sinal.

A linearidade é crítica para sistemas que utilizam qualquer mecanismo de modulação de frequência para codificar informações em mudanças na amplitude do sinal. Nas telecomunicações e no processamento de sinais, a modulação de frequência codifica informações em uma onda portadora, alterando a frequência instantânea da onda. Esses mecanismos de modulação variam desde a modulação de amplitude (AM) até a complexa modulação de amplitude em quadratura (QAM) usada para Wi-Fi. O mecanismo de modulação depende da capacidade do receptor de detectar diferenças na amplitude e fase do sinal. Para preservar as mudanças de amplitude e fase no sinal, um PA linear deve ser usado. Se o sinal transmitido estiver distorcido, será difícil para o receptor recuperar a informação codificada na porção de amplitude da modulação. A atenuação do sinal pode impactar negativamente o alcance e a taxa de dados do sistema.

O sinal recebido pode incluir sinais fora de banda indesejados de grande amplitude. Esses sinais indesejados podem causar distorção no receptor, reduzindo a relação sinal-ruído do sinal desejado, afetando o alcance e a taxa de transferência de dados. Filtros podem ser usados ​​para suprimir esses sinais e reduzir os requisitos de linearidade. Portanto, o uso de um filtro passa-banda reduz os requisitos de linearidade para sinais interferentes fora da banda.

Os sistemas PA front-end não lineares podem produzir regeneração de espectro que pode interferir nos canais adjacentes. A regeneração do espectro é um importante mecanismo de distorção em dispositivos não lineares, como PAs em aplicações sem fio. O aumento dos requisitos de nível de potência, temperatura e orçamento do link podem causar problemas de linearidade. O uso de filtros de borda de banda ajuda a reduzir a distorção não linear causada pela interferência de usuários de canais adjacentes. Além disso, o filtro de coexistência na extremidade receptora RFFE também pode reduzir a interferência do sinal e ajudar a melhorar a relação sinal-ruído da banda receptora.

3. Seletividade

A seletividade é uma medida da capacidade de um receptor de rádio de responder apenas a um sinal sintonizado, enquanto rejeita outros sinais em uma frequência semelhante, como outra transmissão em um canal adjacente.

Os sistemas automotivos de comunicação sem fio podem ser afetados por diversas interferências. Os engenheiros de projeto de RF automotivo devem considerar os sinais de RF internos e externos ao redor do receptor de rádio.

Os filtros podem atenuar sinais indesejados enquanto permitem que os sinais desejados passem com apenas uma pequena perda, melhorando assim a seletividade do receptor. Eles também ajudam a reduzir a interferência de banda adjacente. À medida que o número médio de bandas de frequência e rádios em um carro aumenta, e o número de padrões aumenta, o uso de tecnologias de filtro avançadas, como filtros de ondas acústicas em massa de baixo desvio, pode ajudar os engenheiros a resolver desafios de interferência.

A redução de calor também é outra consideração no projeto de RFFE sem fio para sistemas automotivos. Use técnicas de filtragem de RF de alto Q para reduzir o impacto do calor na perda de inserção. Conforme mostrado na Figura 4-1, o uso da tecnologia de filtragem de alto Q e baixo desvio pode ajudar a reduzir a interferência durante o desvio térmico. Os filtros de baixo desvio têm um coeficiente de frequência de baixa temperatura (TCF) que ajuda a reduzir a perda de inserção, reduzir a interferência do canal adjacente e reduzir as restrições de orçamento do link.

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4. Aquecimento e estabilidade

As variações de temperatura nos carros podem ser muito grandes. As condições de estresse automotivo variam de –40ºC a 150ºC. Portanto, os engenheiros e fornecedores de projetos automotivos devem validar e testar componentes e sistemas para essas condições extremas (ver Figura 4-2).

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No projeto de sistemas, os engenheiros costumam fazer escolhas entre linearidade, potência e eficiência. O calor degrada o desempenho geral do sistema, como rendimento, alcance do sinal e rejeição de interferência. Portanto, é importante projetar o sistema utilizando componentes RFFE que reduzam o calor. O uso de amplificadores de potência otimizados de alta linearidade ou módulos frontais reduz a geração geral de calor.

Outro fator importante que afeta a quantidade de calor gerada em um carro é a perda de cabos. As perdas no cabo aumentam o orçamento do link, o que significa que o RFFE PA de transmissão (TX) deve compensar aumentando a potência de saída para reduzir as perdas. À medida que a potência de saída aumenta, o calor gerado pelo sistema aumenta e a eficiência energética diminui.

Saiba mais sobre outros desafios de RF automotivos

Em sistemas de RF automotivos, além dos parâmetros de desempenho, há dois tópicos importantes a serem considerados:

Desenvolva componentes que atendam aos rigorosos padrões de qualidade automotiva do Automotive Electronics Council (AEC).

Atende aos requisitos de sistema para tecnologias Carrier Aggregation (CA) e DSDA.

1. Conecte-se com os padrões IATF e AEC

À medida que a tecnologia automóvel evolui para sistemas mais avançados de assistência ao condutor e veículos autónomos, os riscos aumentarão. A indústria automotiva desenvolveu padrões de qualidade rigorosos para fabricação e testes de componentes para garantir que componentes de RF cada vez mais complexos não funcionem mal depois de serem incorporados em sistemas eletrônicos.

Durante todo o processo de fabricação e testes, os fabricantes da indústria automotiva devem atender aos padrões específicos da indústria. Três dos critérios principais incluem:

●Grupo Internacional de Promoção Automotiva (IATF) 16949: Este padrão de sistema de gestão de qualidade para a indústria automotiva é usado em todo o mundo. As montadoras geralmente acreditam que os fabricantes de componentes, montagem e testes devem ser credenciados de acordo com a norma IATF 16949.

● Automotive Electronics Council (AEC) Q100: Especifica testes padrão para componentes ativos, como interruptores e PAs.

● AEC-Q200: Especifica o teste padrão de equipamentos passivos, como filtros de RF usados ​​em comunicações Wi-Fi e comunicações celulares.

Alguns testes são limitados à indústria automotiva, como o teste de taxa de falha precoce (ELFR), que exige que múltiplas amostras (cada uma contendo 800 componentes) sejam expostas a um ambiente de pelo menos 125°C, e ciclos de potência e temperatura (PTC). o teste Este último exige que a amostra seja exposta a ciclos alternados de alta e baixa temperatura, com temperaturas variando de –40°C e abaixo de 125°C.

Outros testes são realizados em condições mais adversas ou em lotes maiores para fornecer uma melhor base estatística para determinar se os componentes de produção são confiáveis.

2. CA e DSDA

A agregação de operadora (CA) permite que as operadoras de rede móvel combinem muitas operadoras LTE individuais para aumentar a largura de banda e as taxas de bits.A tecnologia de agregação de operadora é usada para combinar múltiplas portadoras componentes LTE (CCs) do espectro disponível para

● Suporta blocos de sinal de largura de banda intra-banda ou inter-banda contíguos ou não contíguos mais amplos

● Melhorar o desempenho da rede em uplink, downlink ou bidirecional

● Aumentar a taxa máxima de dados para 1 GB/segundo (Gbps) de velocidade de pico de carregamento

● Aumentar a capacidade global da rede para tirar partido das atribuições de espectro fragmentadas

Uma portadora componente (CC) é um canal LTE geralmente atribuído a um usuário. Este é um sério desafio para os projetistas de RF. Nos carros, a CA fornecerá conectividade LTE de classe gigabit. Para atingir essas velocidades, o modem do veículo utiliza processamento de sinal digital avançado (256 QAM) e MIMO 4x4, suportando muitas agregações de 4 portadoras.

MIMO é uma tecnologia de antena para comunicações sem fio que utiliza múltiplas antenas no transmissor e no receptor. As antenas em cada extremidade do circuito de comunicações são agrupadas para minimizar erros e otimizar as velocidades de dados.

Os desafios da CA em carros incluem:

● Sensibilidade de downlink: Muitas aplicações de CA exigem uma arquitetura que usa filtros de RF, duplexadores ou multiplexadores complexos. Esses filtros RF ajudam a garantir o isolamento entre os vários caminhos TX e RX, ajudando a atingir a sensibilidade do sistema. À medida que mais bandas de frequência são adicionadas ao sistema, usando filtragem mais complexa (como multiplexadores), os projetistas devem garantir que as diversas bandas de frequência funcionem juntas.

● Geração de harmônicos: Os harmônicos são gerados por componentes não lineares, como PAs, duplexadores e switches. Os projetistas devem fazer escolhas cuidadosas em seus projetos para garantir que os harmônicos elétricos sejam mitigados sem comprometer o desempenho.

● Dessensibilização: Vazamento de harmônicos e TX faz com que a sensibilidade do sistema diminua, o que é chamado de dessensibilização. A dessensibilização é uma redução na sensibilidade devido a fontes de ruído, muitas vezes geradas pelo mesmo equipamento de rádio. Isso resulta na degradação do desempenho do receptor, impedindo a detecção correta dos sinais alvo. O alto isolamento do interruptor e a atenuação do filtro podem reduzir bastante a interferência entre os caminhos do sinal.

A tecnologia DSDA usa dois transceptores independentes e caminhos de antena em dois CCs ativos. Isso permite que os OEMs aproveitem serviços específicos de operadoras contratadas e, ao mesmo tempo, permite que os proprietários adicionem suas operadoras favoritas. As operadoras permitem que os proprietários de automóveis adicionem seus carros a um plano de dados residencial e se beneficiem dele. A desvantagem é que o DSDA aumenta o consumo de energia do sistema, aumentando assim a geração de calor, e também aumenta a complexidade do RFFE. Para reduzir a geração de calor, os projetistas devem usar módulos RFFE lineares e eficientes.

Assim como o CA, o DSDA também requer filtragem estável e de baixo desvio para atingir os objetivos de design do sistema e do fabricante do carro. À medida que o número de CCs aumenta, aumenta também a importância de filtros de banda individuais e multiplexadores complexos.