Compartir tecnología

한어Русский языкEnglishFrançaisIndonesianSanskrit日本語DeutschPortuguêsΕλληνικάespañolItalianoSuomalainenLatina

La idea de que los vehículos compartan información y cooperen entre sí para hacer que el transporte sea más seguro, ecológico y divertido es muy atractiva. Las diversas tecnologías asociadas con este concepto, conocidas colectivamente como sistemas de transporte inteligentes colaborativos (C-ITS), prometen aliviar la congestión del tráfico, reducir el impacto ambiental del transporte y reducir significativamente el número de accidentes de tráfico fatales.

En este capítulo, exploraré los automóviles conectados y los datos de los automóviles, las oportunidades y casos de uso, y los semiconductores de RF en los automóviles conectados.

Coches conectados y datos

Los automóviles se están transformando de objetos independientes utilizados principalmente para el transporte a puntos finales avanzados conectados a Internet, a menudo capaces de comunicación bidireccional. Los nuevos flujos de datos generados por los automóviles conectados modernos impulsan modelos comerciales innovadores, como los seguros basados ​​en el kilometraje, lo que permite nuevas experiencias en el automóvil y sienta las bases para avances en tecnologías automotrices como la conducción autónoma y las comunicaciones V2V.

Hay dos enfoques principales para hacer realidad los coches autónomos y conectados del futuro. Una tecnología se basa en el estándar IEEE 802.11p y la otra aprovecha C-V2X en la infraestructura celular. Cómo se mezclan y conectan los dos enfoques. Con el tiempo, todos estarán conectados a redes de infraestructura LTE/5G, sólo que de diferentes maneras.

Con la introducción de diversas comunicaciones, los sistemas de comunicación electrónica en el interior de los automóviles han aumentado significativamente. Como se muestra en la Figura 3-4, hay múltiples cadenas y antenas de RF frontal (RFFE) dentro del automóvil, como Wi-Fi, celular, Bluetooth, etc. Además, algunos de los estándares que se indican en la Figura 3-4 tienen más de una o dos rutas de señal.

Muchas de estas cadenas de RF contribuyen a la inteligencia de los nuevos sistemas automotrices.

En primer lugar, este sistema recopila de forma inteligente datos de sensores, cámaras y conexiones dentro del vehículo para proporcionar datos y servicios importantes. Los componentes de RF, como amplificadores, interruptores, filtros y módulos altamente integrados, añaden una funcionalidad importante a los sistemas de comunicación y procesamiento de automóviles. A medida que avancemos hacia automóviles más automatizados, estos sistemas y sus funciones se volverán más complejos.

Además, nuevas cadenas de RF, como las de ondas milimétricas (mmWave), migrarán a los automóviles, proporcionando tres veces más precisión y velocidades de transmisión de datos que los sistemas actuales. Esto permite a los diseñadores implementar comunicaciones y sensores más inteligentes en los vehículos, ayudando a los automóviles a detectar y evitar otros automóviles, peatones, objetos y dispositivos.

Así como el desarrollo del mercado de la tecnología celular ha tenido sus altibajos, la transformación futura del mercado automotriz no será fácil. Los clientes influirán en el diseño de los automóviles, los reguladores controlarán e influirán en la forma de la tecnología, y el mundo conectado LTE/5G en torno a los automóviles seguirá avanzando. Los ingenieros de diseño de RF deben equilibrar el rendimiento y las oportunidades en sus aplicaciones para satisfacer las demandas del mercado.

Los teléfonos inteligentes de hoy tienen más potencia informática que la que tenía incluso la NASA cuando envió dos astronautas a la luna en 1969. ¿Qué hacemos con toda esta potencia informática bruta a nuestra disposición, por supuesto, para las comunicaciones en red?

Los automóviles modernos tienen más potencia informática y sofisticación tecnológica que los teléfonos inteligentes. Por lo tanto, la interferencia entre diferentes tecnologías y señales de RF en los vehículos modernos es un desafío constante para los ingenieros de diseño.

Para garantizar que todas estas tecnologías puedan coexistir, el módulo RFFE debe combinar capacidades de filtrado precisas, rendimiento de megafonía y eficiencia de megafonía para que puedan trabajar juntas. Además, estos componentes deben poder funcionar en condiciones ambientales adversas para cumplir con estrictos estándares de calidad automotriz. Con el tiempo, los requisitos del sistema de las tecnologías CA y DSDA presentaron desafíos adicionales.

Esto requiere que primero comprendamos los parámetros clave de rendimiento relacionados con la RF. Se entiende que los desafíos clave de los parámetros de rendimiento relacionados con la RF incluyen la sensibilidad, linealidad, selectividad y generación de calor y estabilidad del receptor.

1. Sensibilidad del receptor

La sensibilidad del receptor indica qué tan débil es la señal de entrada que el receptor puede recibir con éxito. Cuanto menor sea el nivel de potencia que el receptor puede recibir, mayor será su sensibilidad. La sensibilidad del receptor generalmente se define como la pequeña señal de entrada requerida para producir una relación señal-ruido (SNR) específica en el puerto de salida del receptor.

La sensibilidad del receptor (RX) es una de las especificaciones clave de cualquier receptor de radio en comunicaciones inalámbricas. La sensibilidad de un receptor representa su capacidad para captar señales de bajo nivel. Dado que el nivel de la señal es inversamente proporcional a la distancia de transmisión, un sistema con baja sensibilidad significa un buen rango de recepción. En otras palabras, una mayor sensibilidad del receptor equivale a un mayor alcance.

La sensibilidad del receptor se define como la pequeña señal de entrada necesaria para producir una señal de salida específica con la relación señal-ruido (SNR) requerida. Se calcula multiplicando el piso de ruido térmico por la figura de ruido RX (NF) y la pequeña SNR deseada. Una cifra de ruido más baja significa un mejor rendimiento.

En la automoción, una variedad de factores pueden dar como resultado una cifra de ruido más alta que en otras aplicaciones o crear desafíos SNR adicionales. Estos desafíos incluyen:

● En algunas aplicaciones automotrices, los cables coaxiales de RF muy largos pueden provocar un aumento de la figura de ruido y pérdida de señal.

● Las temperaturas extremas o la variación de temperatura en los cables y componentes de RF pueden provocar un aumento del nivel de ruido, lo que afecta el rendimiento de los dispositivos RFFE.

Para reducir la figura de ruido causada por las pérdidas en cables largos, los diseñadores utilizan amplificadores de bajo ruido (LNA) e intentan colocar el RFFE más cerca de la antena. Esto reduce la longitud del cable, aumentando así el NF del sistema y reduce la pérdida de inserción del cable.

Los filtros RF de alta calidad y baja pérdida ayudan a reducir los efectos de la variación de temperatura. También ayudan a reducir la pérdida de inserción del balance del enlace y la interferencia de la banda adyacente.

Un valor Q alto, o factor de calidad, indica que el resonador pierde una proporción baja de energía con respecto a la energía almacenada. El faldón de la banda de parada de un filtro de RF de alta calidad es más estrecho y empinado.

Otra consideración de diseño es el rango de frecuencia. A frecuencias más altas, es más difícil obtener un factor de ruido bajo. A medida que los automóviles continúan migrando a rangos de frecuencia más altos, como redes celulares y Wi-Fi, cumplir las especificaciones de ruido se vuelve más difícil. Es poco probable que esta tendencia cambie y nuestra expectativa es que el rango de frecuencia se expanda gradualmente al rango de mmWave, como 28 GHz o 34 GHz. Por lo tanto, la cifra de ruido seguirá siendo un desafío para los sistemas de los vehículos.

2. Linealidad

La linealidad del PA describe la capacidad del PA para amplificar una señal sin producir distorsión. Este término se refiere al trabajo principal de un amplificador de RF, que es aumentar el nivel de potencia de una señal de entrada sin cambiar el contenido de la señal.

La linealidad es fundamental para los sistemas que utilizan cualquier mecanismo de modulación de frecuencia para codificar información en cambios en la amplitud de la señal. En telecomunicaciones y procesamiento de señales, la modulación de frecuencia codifica información en una onda portadora cambiando la frecuencia instantánea de la onda. Estos mecanismos de modulación varían desde la modulación de amplitud (AM) hasta la compleja modulación de amplitud en cuadratura (QAM) utilizada para Wi-Fi. El mecanismo de modulación depende de la capacidad del receptor para detectar diferencias en la amplitud y fase de la señal. Para preservar los cambios de amplitud y fase en la señal, se debe utilizar un PA lineal. Si la señal transmitida está distorsionada, es difícil para el receptor recuperar la información codificada en la porción de amplitud de la modulación. La atenuación de la señal puede afectar negativamente el alcance y la velocidad de datos del sistema.

La señal recibida puede incluir señales fuera de banda no deseadas de gran amplitud. Estas señales no deseadas pueden causar distorsión en el receptor, reduciendo la relación señal-ruido de la señal deseada, afectando el alcance y el rendimiento de los datos. Se pueden utilizar filtros para suprimir estas señales y reducir los requisitos de linealidad. Por lo tanto, el uso de un filtro de paso de banda reduce los requisitos de linealidad para las señales de interferencia fuera de banda.

Los sistemas de PA frontales no lineales pueden producir una regeneración de espectro que puede interferir con los canales adyacentes. La regeneración del espectro es un mecanismo de distorsión importante en dispositivos no lineales como los PA en aplicaciones inalámbricas. Los mayores requisitos de nivel de potencia, temperatura y presupuesto de enlace pueden causar problemas de linealidad. El uso de filtros de borde de banda ayuda a reducir la distorsión no lineal causada por la interferencia de los usuarios de canales adyacentes. Además, el filtro de coexistencia en el extremo receptor RFFE también puede reducir la interferencia de la señal y ayudar a mejorar la relación señal-ruido de la banda del receptor.

3. Selectividad

La selectividad es una medida de la capacidad de un receptor de radio para responder sólo a una señal sintonizada, mientras rechaza otras señales en una frecuencia similar, como otra transmisión en un canal adyacente.

Los sistemas de comunicación inalámbrica para automóviles pueden verse afectados por una variedad de interferencias. Los ingenieros de diseño de RF automotrices deben considerar las señales de RF internas y externas que rodean el receptor de radio.

Los filtros pueden atenuar las señales no deseadas y al mismo tiempo permitir que las señales deseadas pasen con sólo una pequeña pérdida, mejorando así la selectividad del receptor. También ayudan a reducir la interferencia de bandas adyacentes. A medida que aumenta el número promedio de bandas de frecuencia y radios en un automóvil y aumenta el número de estándares, el uso de tecnologías de filtrado avanzadas, como filtros de ondas acústicas masivas de baja deriva, puede ayudar a los ingenieros a resolver los desafíos de interferencia.

La reducción de calor también es otra consideración en el diseño de RFFE inalámbrico para sistemas automotrices. Utilice técnicas de filtrado de RF de alta calidad para reducir el impacto del calor en la pérdida de inserción. Como se muestra en la Figura 4-1, el uso de tecnología de filtrado de baja deriva y alta calidad puede ayudar a reducir la interferencia durante la deriva térmica. Los filtros de baja deriva tienen un coeficiente de frecuencia de temperatura (TCF) bajo que ayuda a reducir la pérdida de inserción, reducir la interferencia del canal adyacente y reducir las limitaciones del presupuesto del enlace.

“”

4. Calentamiento y estabilidad

Las variaciones de temperatura en los coches pueden ser muy grandes. Las condiciones de estrés del automóvil varían de –40 °C a 150 °C. Por lo tanto, los ingenieros y proveedores de diseño automotriz deben validar y probar componentes y sistemas para estas condiciones extremas (consulte la Figura 4-2).

“”

En el diseño de sistemas, los ingenieros suelen hacer concesiones entre linealidad, potencia de salida y eficiencia. El calor degrada el rendimiento general del sistema, como el rendimiento, el rango de la señal y el rechazo de interferencias. Por lo tanto, es importante diseñar el sistema utilizando componentes RFFE que reduzcan el calor. El uso de amplificadores de potencia optimizados de alta linealidad o módulos frontales reduce la generación general de calor.

Otro factor importante que afecta la cantidad de calor generado en un automóvil es la pérdida de cables. Las pérdidas del cable aumentan el presupuesto del enlace, lo que significa que el RFFE PA de transmisión (TX) debe compensar aumentando la potencia de salida para reducir las pérdidas. A medida que aumenta la potencia de salida, aumenta el calor generado por el sistema y disminuye la eficiencia energética.

Conozca otros desafíos de RF para automóviles

En los sistemas de RF para automóviles, además de los parámetros de rendimiento, hay dos temas importantes a considerar:

Desarrolle componentes que cumplan con los estrictos estándares de calidad automotriz del Automotive Electronics Council (AEC).

Cumple con los requisitos del sistema para las tecnologías Carrier Aggregation (CA) y DSDA.

1. Conéctese con los estándares IATF y AEC

A medida que la tecnología automotriz evolucione hacia sistemas de asistencia al conductor y vehículos autónomos más avanzados, los riesgos aumentarán. La industria automotriz ha desarrollado estrictos estándares de calidad para la fabricación y prueba de componentes para garantizar que los componentes de RF cada vez más complejos no funcionen incorrectamente después de integrarlos en sistemas electrónicos.

Durante todo el proceso de fabricación y prueba, los fabricantes de la industria automotriz deben cumplir con estándares industriales específicos. Tres de los criterios clave incluyen:

●Grupo Internacional de Promoción Automotriz (IATF) 16949: Este estándar de sistema de gestión de calidad para la industria automotriz se utiliza en todo el mundo. Los fabricantes de automóviles generalmente creen que los fabricantes de fabricación, ensamblaje y pruebas de componentes deben estar acreditados según la norma IATF 16949.

● Consejo de Electrónica Automotriz (AEC) Q100: especifica pruebas estándar para componentes activos como interruptores y PA.

● AEC-Q200: Especifica las pruebas estándar de equipos pasivos, como filtros de RF utilizados en comunicaciones Wi-Fi y comunicaciones celulares.

Algunas pruebas se limitan a la industria automotriz, como las pruebas de tasa de falla temprana (ELFR), que requieren la exposición de múltiples muestras (cada una con 800 componentes) a un ambiente de al menos 125 °C, y los ciclos de energía y temperatura (PTC). Esta última prueba requiere que la muestra se exponga a ciclos alternos de alta y baja temperatura, con temperaturas que oscilan entre –40 °C y menos hasta 125 °C.

Otras pruebas se realizan en condiciones más duras o en lotes más grandes para proporcionar una mejor base estadística para determinar si los componentes de producción son confiables.

2. CA y DSDA

La agregación de operadores (CA) permite a los operadores de redes móviles combinar muchos operadores LTE individuales para aumentar el ancho de banda y las velocidades de bits.La tecnología de agregación de operadores se utiliza para combinar múltiples operadores de componentes (CC) LTE de espectro disponible para

● Admite bloques de señales de ancho de banda intrabanda o interbanda contiguos o no contiguos más amplios

● Mejorar el rendimiento de la red en enlace ascendente, descendente o bidireccional.

● Aumentar la velocidad máxima de datos a 1 GB/segundo (Gbps) de velocidad de carga máxima

● Aumentar la capacidad general de la red para aprovechar las asignaciones de espectro fragmentadas.

Un operador de componentes (CC) es un canal LTE generalmente asignado a un usuario. Este es un serio desafío para los diseñadores de RF. En los automóviles, CA proporcionará conectividad LTE de clase gigabit. Para lograr estas velocidades, el módem del vehículo utiliza procesamiento de señal digital avanzado (256 QAM) y MIMO 4x4, lo que admite muchas agregaciones de 4 portadoras.

MIMO es una tecnología de antena para comunicaciones inalámbricas que utiliza múltiples antenas tanto en el transmisor como en el receptor. Las antenas en cada extremo del circuito de comunicaciones están agrupadas para minimizar errores y optimizar las velocidades de datos.

Los desafíos de CA en los automóviles incluyen:

● Sensibilidad del enlace descendente: muchas aplicaciones de CA requieren una arquitectura que utilice filtros de RF, duplexores o multiplexores complejos. Estos filtros de RF ayudan a garantizar el aislamiento entre las distintas rutas de TX y RX, lo que ayuda a lograr la sensibilidad del sistema. A medida que se agregan más bandas de frecuencia al sistema, utilizando filtros más complejos (como multiplexores), los diseñadores deben asegurarse de que las distintas bandas de frecuencia funcionen juntas.

● Generación de armónicos: Los armónicos son generados por componentes no lineales, como PA, duplexores e interruptores. Los diseñadores deben hacer concesiones cuidadosamente en sus diseños para garantizar que se mitiguen los armónicos eléctricos sin comprometer el rendimiento.

● Desensibilización: Los armónicos y las fugas de TX hacen que la sensibilidad del sistema disminuya, lo que se denomina desensibilización. La desensibilización es una reducción de la sensibilidad debido a fuentes de ruido, a menudo generadas por el mismo equipo de radio. Esto da como resultado un rendimiento degradado del receptor, lo que impide la detección correcta de las señales del objetivo. El alto aislamiento del interruptor y la atenuación del filtro pueden reducir en gran medida la interferencia entre las rutas de la señal.

La tecnología DSDA utiliza dos transceptores y rutas de antena independientes en dos CC activos. Esto permite a los OEM aprovechar servicios de operadores contratados específicos y al mismo tiempo permitir a los propietarios agregar sus operadores favoritos. Los operadores permiten a los propietarios de automóviles agregar sus automóviles a un plan de datos residencial y beneficiarse de él. La desventaja es que DSDA aumenta el consumo de energía del sistema, aumentando así la generación de calor y también aumenta la complejidad de RFFE. Para reducir la generación de calor, los diseñadores deben utilizar módulos RFFE lineales y eficientes.

Al igual que CA, DSDA también requiere un filtrado estable y de baja deriva para lograr los objetivos de diseño del sistema y del fabricante del automóvil. A medida que aumenta el número de CC, también aumenta la importancia de los filtros de banda individuales y los multiplexores complejos.