Обмен технологиями

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

Идея о том, чтобы транспортные средства обменивались информацией и сотрудничали друг с другом, чтобы сделать транспорт более безопасным, экологичным и увлекательным, очень привлекательна. Различные технологии, связанные с этой концепцией, известные под общим названием «совместные интеллектуальные транспортные системы» (C-ITS), обещают уменьшить заторы на дорогах, снизить воздействие транспорта на окружающую среду и значительно сократить количество дорожно-транспортных происшествий со смертельным исходом.

В этой главе я расскажу о подключенных автомобилях и их данных, возможностях и вариантах использования, а также о радиочастотных полупроводниках в подключенных автомобилях.

Подключенные автомобили и данные

Автомобили превращаются из автономных объектов, используемых в основном для транспортировки, в современные конечные точки, подключенные к Интернету, часто способные к двусторонней связи. Новые потоки данных, генерируемые современными подключенными автомобилями, стимулируют инновационные бизнес-модели, такие как страхование на основе пробега, обеспечивая новые впечатления от поездки в автомобиле и закладывая основу для достижений в автомобильных технологиях, таких как автономное вождение и связь V2V.

Существует два основных подхода к реализации подключенных беспилотных автомобилей будущего. Одна технология основана на стандарте IEEE 802.11p, а другая использует C-V2X в сотовой инфраструктуре. Как эти два подхода смешиваются и соединяются друг с другом. В конце концов, все они будут подключены к инфраструктурным сетям LTE/5G, просто разными способами.

С внедрением различных средств связи количество электронных систем связи внутри автомобилей значительно увеличилось. Как показано на рисунке 3-4, внутри автомобиля имеется несколько цепей и антенн радиочастотного интерфейса (RFFE), таких как Wi-Fi, сотовая связь, Bluetooth и т. д. Кроме того, некоторые стандарты, отмеченные на рисунке 3-4, имеют более одного или двух путей прохождения сигнала.

Многие из этих радиочастотных цепей способствуют созданию новых интеллектуальных автомобильных систем.

Во-первых, эта система интеллектуально собирает данные с датчиков, камер и подключений в автомобиле для предоставления важных данных и услуг. Радиочастотные компоненты, такие как усилители, переключатели, фильтры и высокоинтегрированные модули, добавляют важные функциональные возможности автомобильным системам обработки и связи. По мере перехода на более автоматизированные автомобили эти системы и их функции станут более сложными.

Кроме того, новые радиочастотные цепи, такие как миллиметровые волны (mmWave), будут мигрировать в автомобили, обеспечивая в три раза большую точность и скорость передачи данных по сравнению с нынешними системами. Это позволяет дизайнерам реализовывать более интеллектуальные средства связи и датчиков в автомобиле, помогая автомобилям обнаруживать и избегать других автомобилей, пешеходов, объектов и устройств.

Подобно тому, как развитие рынка сотовых технологий переживало взлеты и падения, будущая трансформация автомобильного рынка не будет гладкой. Клиенты будут влиять на дизайн автомобилей, регулирующие органы будут контролировать и влиять на форму технологии, а мир, связанный с LTE/5G, вокруг автомобилей будет продолжать развиваться. Инженеры-проектировщики радиочастотных устройств должны сбалансировать производительность и возможности своих приложений, чтобы удовлетворить требования рынка.

Сегодняшние смартфоны обладают большей вычислительной мощностью, чем даже у НАСА, когда оно отправило двух астронавтов на Луну в 1969 году. Что нам делать со всей этой вычислительной мощью, имеющейся в нашем распоряжении, конечно же, для сетевых коммуникаций?

Современные автомобили обладают большей вычислительной мощностью и технологическими совершенствами, чем смартфоны. Поэтому помехи между различными технологиями и радиочастотными сигналами в современных транспортных средствах являются постоянной проблемой для инженеров-конструкторов.

Чтобы обеспечить сосуществование всех этих технологий, модуль RFFE должен сочетать в себе возможности точной фильтрации, производительность и эффективность усилителя мощности, чтобы они могли работать вместе. Кроме того, эти компоненты должны быть способны работать в суровых условиях окружающей среды, чтобы соответствовать строгим автомобильным стандартам качества. В конечном итоге системные требования технологий CA и DSDA создали дополнительные проблемы.

Это требует от нас сначала понять ключевые параметры производительности, связанные с RF. Понятно, что ключевые проблемы с параметрами производительности, связанные с РЧ, включают чувствительность приемника, линейность, избирательность, а также выделение тепла и стабильность.

1. Чувствительность приемника

Чувствительность приемника показывает, насколько слабый входной сигнал может успешно принять приемник. Чем меньший уровень мощности способен принять приемник, тем выше чувствительность приемника. Чувствительность приемника обычно определяется как небольшой входной сигнал, необходимый для создания заданного отношения сигнал/шум (SNR) на выходном порту приемника.

Чувствительность приемника (RX) является одной из ключевых характеристик любого радиоприемника в беспроводной связи. Чувствительность приемника отражает его способность улавливать сигналы низкого уровня. Поскольку уровень сигнала обратно пропорционален расстоянию передачи, система с низкой чувствительностью означает хорошую дальность приема. Другими словами, более высокая чувствительность приемника означает большую дальность действия.

Чувствительность приемника определяется как небольшой входной сигнал, необходимый для создания заданного выходного сигнала с требуемым соотношением сигнал/шум (SNR). Он рассчитывается путем умножения минимального теплового шума на коэффициент шума RX (NF) и желаемое малое отношение сигнал/шум. Меньший коэффициент шума означает лучшую производительность.

В автомобилестроении множество факторов может привести к более высокому коэффициенту шума, чем в других приложениях, или создать дополнительные проблемы с соотношением шум/шум. Эти проблемы включают в себя:

● В некоторых автомобильных приложениях очень длинные коаксиальные ВЧ-кабели могут привести к увеличению коэффициента шума и потерям сигнала.

● Экстремальные температуры или температурный дрейф в ВЧ-кабелях и компонентах могут привести к увеличению коэффициента шума, влияя на производительность RFFE-устройств.

Чтобы снизить коэффициент шума, вызванный потерями в длинных кабелях, разработчики используют малошумящие усилители (LNA) и стараются разместить RFFE ближе к антенне. Это уменьшает длину кабеля, тем самым увеличивая коэффициент шума системы, и снижает вносимые потери в кабеле.

Высокодобротные радиочастотные фильтры с низкими потерями помогают уменьшить влияние температурного дрейфа. Они также помогают снизить вносимые потери бюджета канала и помехи в соседних диапазонах.

Высокое значение добротности или добротность указывает на то, что резонатор теряет низкое соотношение энергии к запасенной энергии. Юбка полосы задерживания высокодобротного ВЧ-фильтра уже и круче.

Еще одним соображением при проектировании является диапазон частот. На более высоких частотах получить низкий коэффициент шума сложнее. Поскольку автомобили продолжают мигрировать на более высокие частотные диапазоны, такие как сотовые сети и Wi-Fi, соблюдение требований по коэффициенту шума становится все сложнее. Эта тенденция вряд ли изменится, и мы ожидаем, что диапазон частот постепенно расширится до диапазона миллиметровых волн, например, до 28 ГГц или 34 ГГц. Таким образом, коэффициент шума будет по-прежнему оставаться проблемой для автомобильных систем.

2. Линейность

Линейность усилителя мощности описывает способность усилителя усилить сигнал без искажений. Этот термин относится к основной задаче радиочастотного усилителя, которая заключается в увеличении уровня мощности входного сигнала без изменения его содержания.

Линейность имеет решающее значение для систем, которые используют любой механизм частотной модуляции для кодирования информации об изменениях амплитуды сигнала. В телекоммуникациях и обработке сигналов частотная модуляция кодирует информацию в несущей волне путем изменения мгновенной частоты волны. Эти механизмы модуляции варьируются от амплитудной модуляции (AM) до комплексной квадратурной амплитудной модуляции (QAM), используемой для Wi-Fi. Механизм модуляции зависит от способности приемника обнаруживать различия в амплитуде и фазе сигнала. Чтобы сохранить изменения амплитуды и фазы сигнала, необходимо использовать линейный усилитель мощности. Если передаваемый сигнал искажен, приемнику трудно восстановить информацию, закодированную в амплитудной части модуляции. Затухание сигнала может отрицательно повлиять на дальность действия и скорость передачи данных системы.

Принятый сигнал может включать в себя нежелательные внеполосные сигналы большой амплитуды. Эти нежелательные сигналы могут вызвать искажения в приемнике, уменьшая соотношение сигнал/шум полезного сигнала, влияя на дальность действия и пропускную способность данных. Для подавления этих сигналов и снижения требований к линейности можно использовать фильтры. Таким образом, использование полосового фильтра снижает требования к линейности для внеполосных мешающих сигналов.

Нелинейные внешние системы усиления звука могут производить регенерацию спектра, которая может создавать помехи соседним каналам. Регенерация спектра является важным механизмом искажения в нелинейных устройствах, таких как усилители мощности в беспроводных приложениях. Повышенные требования к уровню мощности, температуре и бюджету канала связи могут вызвать проблемы с линейностью. Использование краевых фильтров помогает уменьшить нелинейные искажения, вызванные помехами от пользователей соседних каналов. Кроме того, фильтр сосуществования на приемной стороне RFFE также может уменьшить помехи сигнала и помочь улучшить соотношение сигнал/шум в полосе приемника.

3. Селективность

Избирательность — это мера способности радиоприемника реагировать только на настроенный сигнал, отвергая при этом другие сигналы на аналогичной частоте, например другую передачу на соседнем канале.

Автомобильные системы беспроводной связи могут подвергаться воздействию различных помех. Инженеры-проектировщики автомобильных радиочастот должны учитывать как внутренние, так и внешние радиочастотные сигналы, окружающие радиоприемник.

Фильтры могут ослаблять нежелательные сигналы, позволяя при этом полезным сигналам проходить с небольшими потерями, тем самым улучшая избирательность приемника. Они также помогают уменьшить помехи в соседних диапазонах. Поскольку среднее количество полос частот и радиоприемников в автомобиле увеличивается, а количество стандартов увеличивается, использование передовых технологий фильтрации, таких как фильтры объемных акустических волн с низким дрейфом, может помочь инженерам решить проблемы помех.

Снижение тепловыделения также является еще одним фактором при разработке беспроводных RFFE для автомобильных систем. Используйте методы высокодобротной радиочастотной фильтрации, чтобы уменьшить влияние тепла на вносимые потери. Как показано на рисунке 4-1, использование технологии высокодобротной фильтрации с низким дрейфом может помочь уменьшить помехи во время теплового дрейфа. Фильтры с низким дрейфом имеют низкий температурный коэффициент частоты (TCF), что помогает снизить вносимые потери, уменьшить помехи в соседних каналах и уменьшить ограничения бюджета канала.

“”

4. Нагрев и стабильность

Температурные отклонения в автомобилях могут быть очень большими. Автомобильные стрессовые условия варьируются от –40°C до 150°C. Поэтому инженеры-конструкторы и поставщики автомобилей должны проверять и тестировать компоненты и системы в таких экстремальных условиях (см. Рисунок 4-2).

“”

При проектировании систем инженеры часто идут на компромисс между линейностью, выходной мощностью и эффективностью. Нагрев ухудшает общие характеристики системы, такие как пропускная способность, диапазон сигнала и подавление помех. Поэтому важно спроектировать систему с использованием компонентов RFFE, снижающих тепло. Использование оптимизированных усилителей мощности с высокой линейностью или входных модулей снижает общее выделение тепла.

Еще одним важным фактором, влияющим на количество выделяемого тепла в автомобиле, являются потери в кабеле. Потери в кабеле увеличивают бюджет канала, а это означает, что передающий (TX) RFFE PA должен компенсировать это увеличением выходной мощности, чтобы уменьшить потери. По мере увеличения выходной мощности тепло, выделяемое системой, увеличивается, а энергоэффективность снижается.

Узнайте о других проблемах автомобильной радиочастотной связи

В автомобильных радиочастотных системах, помимо параметров производительности, необходимо учитывать две важные темы:

Разрабатывайте компоненты, соответствующие строгим стандартам автомобильного качества Совета автомобильной электроники (AEC).

Соответствует системным требованиям для технологий агрегации несущих (CA) и DSDA.

1. Подключитесь к стандартам IATF и AEC.

По мере развития автомобильных технологий в сторону более совершенных систем помощи водителю и автономных транспортных средств риски будут возрастать. Автомобильная промышленность разработала строгие стандарты качества для производства и тестирования компонентов, чтобы гарантировать, что все более сложные радиочастотные компоненты не будут работать со сбоями после их внедрения в электронные системы.

На протяжении всего процесса производства и испытаний производители автомобильной промышленности должны соблюдать определенные отраслевые стандарты. К трем ключевым критериям относятся:

●Международная группа по продвижению автомобильной промышленности (IATF) 16949: Этот стандарт системы менеджмента качества для автомобильной промышленности используется во всем мире. Автопроизводители обычно считают, что производители компонентов, занимающиеся сборкой и тестированием компонентов, должны быть аккредитованы в соответствии со стандартом IATF 16949.

● Совет по автомобильной электронике (AEC) Q100: определяет стандартные тесты для активных компонентов, таких как переключатели и усилители мощности.

● AEC-Q200: определяет стандартное тестирование пассивного оборудования, такого как радиочастотные фильтры, используемые в сетях Wi-Fi и сотовой связи.

Некоторые тесты ограничены автомобильной промышленностью, например, тестирование частоты ранних отказов (ELFR), для которого требуется, чтобы несколько образцов (каждый из которых содержал 800 компонентов) подвергались воздействию окружающей среды с температурой не менее 125 °C, а также циклическое циклическое изменение мощности и температуры (PTC). Последнее испытание требует воздействия на образец чередующихся циклов высоких и низких температур в диапазоне от –40°C и ниже до 125°C.

Другие испытания проводятся в более суровых условиях или большими партиями, чтобы обеспечить лучшую статистическую основу для определения надежности производственных компонентов.

2. СА и ДСДА

Агрегация несущих (CA) позволяет операторам мобильных сетей объединять вместе множество отдельных операторов LTE для увеличения пропускной способности и скорости передачи данных.Технология агрегации несущих используется для объединения нескольких компонентных несущих LTE (CC) доступного спектра для

● Поддержка более широких смежных или несмежных блоков сигналов внутри или между диапазонами полосы пропускания.

● Повышение производительности сети в восходящем, нисходящем или двунаправленном каналах.

● Увеличьте пиковую скорость передачи данных до 1 ГБ/с (Гбит/с) при пиковой скорости нагрузки.

● Увеличить общую пропускную способность сети, чтобы воспользоваться преимуществами фрагментированного распределения спектра.

Компонентная несущая (CC) — это канал LTE, который обычно назначается одному пользователю. Это серьезный вызов для разработчиков ВЧ. В автомобилях CA обеспечит подключение LTE гигабитного класса. Для достижения этих скоростей автомобильный модем использует усовершенствованную цифровую обработку сигналов (256 QAM) и 4x4 MIMO, поддерживая множество агрегаций с 4 несущими.

MIMO — это антенная технология для беспроводной связи, в которой используется несколько антенн как на передатчике, так и на приемнике. Антенны на каждом конце цепи связи сгруппированы вместе, чтобы минимизировать ошибки и оптимизировать скорость передачи данных.

Проблемы CA в автомобилях включают в себя:

● Чувствительность нисходящей линии связи. Многие приложения CA требуют архитектуры, использующей радиочастотные фильтры, дуплексеры или сложные мультиплексоры. Эти радиочастотные фильтры помогают обеспечить изоляцию между различными путями передачи и приема, помогая достичь чувствительности системы. По мере того, как в систему добавляется больше полос частот с использованием более сложной фильтрации (например, мультиплексоров), разработчики должны гарантировать, что различные полосы частот работают вместе.

● Генерация гармоник. Гармоники генерируются нелинейными компонентами, такими как усилители мощности, дуплексеры и коммутаторы. Проектировщики должны тщательно искать компромиссы в своих проектах, чтобы гарантировать подавление электрических гармоник без ущерба для производительности.

● Десенсибилизация. Гармоники и утечки передачи приводят к снижению чувствительности системы, что называется десенсибилизацией. Десенсибилизация – это снижение чувствительности из-за источников шума, часто создаваемых одним и тем же радиооборудованием. Это приводит к ухудшению характеристик приемника, что препятствует правильному обнаружению сигналов цели. Высокая изоляция переключателя и ослабление фильтра могут значительно уменьшить помехи между путями прохождения сигнала.

Технология DSDA использует два независимых трансивера и антенные пути в двух активных CC. Это позволяет OEM-производителям воспользоваться услугами конкретных контрактных операторов связи, а владельцам - добавлять своих любимых операторов связи. Операторы связи позволяют владельцам автомобилей добавлять свои автомобили в домашний тарифный план и получать от него выгоду. Недостаток заключается в том, что DSDA увеличивает энергопотребление системы, тем самым увеличивая выделение тепла, а также увеличивает сложность RFFE. Чтобы снизить тепловыделение, проектировщики должны использовать линейные и эффективные модули RFFE.

Как и CA, DSDA также требует стабильной фильтрации с низким дрейфом для достижения целей системы и проектирования производителя автомобиля. По мере увеличения количества CC возрастает важность отдельных полосовых фильтров и сложных мультиплексоров.