车联网射频器件面临的挑战

在本章中，我将探讨互联汽车及汽车数据、机遇和使用案例、以及车联网中的 RF半导体。

互联汽车和数据

汽车正从主要用于交通的独立对象转变为先进的互联网连接端点，通常能够进行双向通信。现代互联汽车生成的新数据流驱动了创新业务模式，例如按里程的保险，实现了全新的车内体验，为自动驾驶和 V2V 通信等汽车技术的进步奠定了基础。

实现未来的互联自动驾驶汽车有两种主要方法。一种技术基于 IEEE 802.11p 标准，另一种技术则利用蜂窝基础设施的C-V2X。图 3-1 显示两种方法如何相互混合和连接。最终，它们都要连接到 LTE/5G 基础设施网络，只是采用的方式不同。

随着各种通信的引入，汽车内部的电子通信系统已经大幅增加。如图 3-4 所示，汽车内部有多个 RF 前端 (RFFE) 链和天线，例如 Wi-Fi、蜂窝、蓝牙等。此外，图 3-4 中标注的某些标准有一个或两个以上的信号路径。

其中很多 RF 链为新汽车系统智能做出了贡献。

首先，这种系统智能收集来自传感器、摄像头、车载连接的数据，从而提供重要数据和服务。RF 元器件，例如放大器、开关、滤波器和高度集成模块，为汽车处理和通信系统添加了重要功能。随着我们升级到自动化程度更高的汽车，这些系统及其功能也将变得更为复杂。

此外，新的 RF 链，例如毫米波 (mmWave)，将迁移到汽车上，提供的精度和数据传输速率是当前系统的三倍。这使设计人员能够实现更智能的车载通信和感测，帮助汽车检测和避让其他汽车、行人、物体和设备。

正如蜂窝技术市场的发展过程跌宕起伏一样，汽车未来的转变市场也不会一帆风顺。客户将影响汽车设计，监管机构将控制和影响技术成形，汽车周围的 LTE/5G 互联世界将不断进步。RF 设计工程师必须在应用中实现性能和机遇的平衡，才能满足市场需求。

探索互联汽车的RF挑战和解决方案

今的智能手机拥有强大的计算能力，甚至超过了 NASA 1969 年将两名宇航员送上月球时拥有的全部计算能力。我们掌握的所有这些原始计算能力用来做什么呢?当然要用于网络通信！

现代汽车拥有比智能手机更高的计算能力和技术复杂性。因此，现代汽车中不同技术和 RF 信号之间的干扰是设计工程师始终都要面对的挑战。

为了确保所有这些技术能够共存，RFFE 模块需要兼具精确滤波功能、PA 性能和 PA 效率，这样才能让它们协同工作。此外，这些元件必须能够在恶劣的环境条件下运行，以遵守严格的汽车质量标准。最后，CA 和 DSDA 技术的系统要求带来了更多挑战。

这就要求我们要先了解RF相关的关键性能参数。据了解，与 RF 相关的关键性能参数挑战包括接收器灵敏度、线性度、选择性和发热和稳定性。

1、接收器灵敏度

接收器灵敏度表示接收器能够成功接收的最微弱的输入信号程度。接收器能够接收的功率级别越低，接收器的灵敏度就越高。接收器灵敏度通常定义为:在接收器的输出端口上产生指定信噪比 (SNR) 所需的最小输入信号。

接收器 (RX) 灵敏度是无线通信中的任何无线电接收器的关键规范之一。接收器的灵敏度代表它拾取低电平信号的能力。由于信号电平与传输距离成反比，因此低灵敏度的系统意味着接收范围最佳。换而言之，更高的接收器灵敏度等于更长的距离。

接收器灵敏度定义为:产生具有所需信噪比 (SNR) 的指定输出信号所需的最小输入信号。它的计算方法是:热噪声基底乘以 RX 噪声系数 (NF) 和所需的最小 SNR。更低的噪声系数意味着更出色的性能。

在汽车中，多种因素可能导致噪声系数高于其他应用，或者带来更多的 SNR 挑战。这些挑战包括:

● 在某些汽车应用中，很长的 RF 同轴电缆可能导致噪声系数和信号损耗增大。

● RF 电缆和元件中的极端温度或温度漂移可能导致噪声系数增大，影响 RFFE 器件的性能。

为了减小长电缆中的损耗导致的噪声系数，设计人员使用低噪声放大器 (LNA)，并试图将 RFFE 放置得更靠近天线。这样可以减小电缆长度，从而提高系统 NF，并减少电缆插入损耗。

高 Q 值、低损耗的 RF 滤波器有助于减少温度漂移的影响。它们还有助于减少链路预算插入损耗和相邻频段干扰。

高 Q 值(即品质因数)表示谐振器的能量损耗相对于存储能量的比率较低。高 Q 值 RF 滤波器的阻带裙边更狭窄、更陡峭。

另一个设计考虑因素是频率范围。在较高的频率下，获得低噪声系数更加困难。随着汽车继续向更高频率范围迁移，例如蜂窝网络和 Wi-Fi，达到噪声系数规范变得更加困难。这种趋势不太可能改变，我们的预期是频率范围将逐渐扩展到 mmWave 范围，例如 28GHz 或 34GHz。因此，噪声系数仍将是车载系统面临的一大挑战。

2、线性度

PA 线性度描述了 PA 在不产生失真的情况下放大信号的能力。这个术语指的是 RF 放大器的主要工作，即提高输入信号的功率水平，而不改变信号的内容。

对于使用任何频率调制机制来对信号幅度变化中的信息进行编码的系统而言，线性度至关重要。在电信和信号处理中，频率调制是通过改变波的瞬时频率，对载波中的信息进行编码。这些调制机制各不相同，从幅度调制 (AM) 到用于 Wi-Fi 的复杂正交幅度调制 (QAM)。调制机制取决于接收器识别信号幅度和相位的差异的能力。要保留信号中的幅度和相位变化，必须使用线性 PA。如果传输的信号失真，则接收器很难恢复在调制的幅度部分中编码的信息。信号衰减会对系统的范围和数据速率产生负面影响。

接收的信号可能包括不需要的大幅度带外信号。这些不需要的信号可能导致接收器中的失真，降低所需信号的信噪比，影响范围和数据吞吐量。可以使用滤波器来抑制这些信号，并降低线性度要求。因此，使用带通滤波器可降低针对带外干扰信号的线性度要求。

非线性前端 PA 系统会产生频谱再生，从而对相邻通道产生干扰。频谱再生是非线性器件(例如无线应用中的 PA)中的重要失真机制。功率水平要求、温度和链路预算增加都可能导致线性度问题。使用带缘滤波器有助于减小由于相邻信道用户干扰导致的非线性失真。此外，RFFE 接收端上的共存滤波器也可以减少信号干扰，帮助改进接收器频段信噪比。

3、选择性

选择性是无线电接收器仅响应经过调谐的信号、而拒绝频率相近的其他信号(例如相邻信道上的另一个广播)的性能的衡量指标。

汽车无线通信系统可能受到多种干扰影响。汽车 RF 设计工程师必须同时考虑到无线电接收器周围的内部和外部 RF 信号。

滤波器可以衰减不需要的信号，同时让需要的信号通过，而只产生最小的损耗，从而提高接收器选择性。它们还有助于减少相邻频段干扰。随着汽车中的频段和无线电的平均数量增加，以及标准的数量增加，利用低漂移体声波滤波器等高级滤波器技术可帮助工程师解决干扰难题。

在汽车系统的无线 RFFE 设计中，减少发热量也是另一个考虑因素。使用高 Q 值 RF 滤波技术可减少热量对插入损耗的影响。如图 4-1 所示，使用高 Q 值低漂移滤波技术有助于减少热漂移过程中的干扰。低漂移滤波器的频率温度系数 (TCF) 较低，有助于减少插入损耗，降低相邻信道干扰，并减少链路预算限制。

4、发热和稳定性

汽车中的温度漂移可能会非常大。汽车应力条件在 –40°C 至 150°C 之间变化。因此，汽车设计工程师和供应商必须针对这些极端条件来验证和测试元件和系统(请参见图 4-2)。

在系统设计中，工程师经常要在线性度、功率输出和效率之间进行权衡。热量会降低整个系统的性能，如吞吐量、信号范围和干扰抑制。因此，使用可减少热量的 RFFE 组件来设计系统非常重要。使用优化的高线性度功率放大器或前端模块可减少整体发热量。

影响汽车中的发热量的另一个重要因素是电缆损耗。电缆损耗导致链路预算增加，意味着发射 (TX) RFFE PA 必须通过提高输出功率来减少损耗，从而进行补偿。由于输出功率增加，系统发热量随之增加，能效也会降低。

了解其他汽车RF挑战

在汽车 RF 系统中，除了性能参数之外，还要考虑以下两个重要话题:

开发满足严格的汽车电子委员会 (AEC) 汽车质量标准的元件。

满足载波聚合 (CA) 和 DSDA 技术的系统要求。

1、接IATF和AEC标准

随着汽车技术朝着更先进的驾驶员辅助系统和自动驾驶汽车的方向发展，风险也将提高。汽车行业开发了严格的元件制造和测试质量标准，以确保日益复杂的 RF 元件在嵌入电子系统之后不会出现故障。

在整个制造和测试过程中，汽车行业制造商必须满足指定的行业标准。其中的三个关键标准包括:

● 国际汽车推动小组 (IATF) 16949:汽车行业的这项质量管理系统标准全球通用。汽车制造商通常均认为组件的制造、组装和测试厂商应该通过了 IATF 16949 标准认证。

● 汽车电子委员会 (AEC) Q100:规定了开关和 PA 等有源元件的标准测试。

● AEC-Q200:规定了 Wi-Fi 通信和蜂窝通信所用 RF 滤波器等无源设备的标准测试。

部分测试仅限于汽车行业，例如早期故障率 (ELFR) 测试以及功率和温度循环 (PTC) 测试，前者需要将多个样本(每个样本含 800 个元件) 置于至少 125°C 的环境中，后者则需要将样本置于高低温循环交替的环境，温度范围在 –40°C 及以下到 125 °C 之间。

在更恶劣的条件下或者以更大的批量来执行其他一些测试，以便提供更好的统计依据，来判断生产元件是否可靠。

2、CA和DSDA

载波聚合 (CA) 让移动网络运营商能够将很多单独的 LTE 载波组合在一起，以提高带宽和比特率。载波聚合技术用于将可用频谱的多个 LTE 分量载波 (CC) 合并起来，从而

● 支持更宽的连续或非连续的带内或带间带宽信号块

● 提高上行链路、下行链路或双向的网络性能

● 将峰值数据速率提高到 1 GB/秒 (Gbps) 峰值下载速度

● 提高网络的整体容量，以利用碎片化的频谱分配

分量载波 (CC) 是通常分配给一个用户的 LTE 信道。这对于 RF 设计人员来说是个严峻的挑战。在汽车中，CA 将提供千兆级的 LTE 连接。为了达到这些速度，车载调制解调器使用先进的数字信号处理 (256 QAM) 和 4x4 MIMO，支持最多 4 个载波聚合。

MIMO 是一种适用于无线通信的天线技术，在发射器和接收器上都使用多个天线。通信电路每端的天线都组合在一起，以最大程度减少错误，并且优化数据速度。

汽车中的 CA 挑战包括：

● 下行链路灵敏度:很多 CA 应用需要使用 RF 滤波器、双工器或复杂多路复用器的架构。这些 RF 滤波器有助于确保各个 TX 和 RX 路径之间的隔离，帮助实现系统灵敏度。随着更多频段添加到系统中，使用更加复杂的滤波(例如多路复用器)，设计人员必须确保各个频段协同工作。

● 谐波生成:谐波由非线性元件生成，如 PA、双工器和开关。设计人员在设计中必须谨慎地进行权衡，确保在电谐波消减时不会影响性能。

● 减敏:谐波和 TX 泄漏导致系统灵敏度降低，称为减敏。减敏是由于噪声源导致的灵敏度降低，这些噪声通常是由同一无线电设备产生的。这会导致接收器性能降低，妨碍目标信号的正确检测。高开关隔离和滤波器衰减可以最大程度地减小信号路径之间的干扰。

DSDA 技术在两个活跃 CC 中使用两个独立的收发器和天线路径。这使 OEM 能够利用特定的签约运营商服务，同时让车主能够添加自己喜爱的运营商。运营商让车主能够将汽车添加到家庭数据计划中并从中受益。缺点是 DSDA 会增加系统功耗，从而增加发热量，还会提高 RFFE 复杂性。为了减少发热量，设计人员必须使用线性和高效的 RFFE 模块。

与 CA 相同，DSDA 也需要稳定的低漂移滤波，以实现系统和汽车制造商的设计目标。随着 CC 数量增加，各个频段滤波器和复杂的多路复用器的重要性也随之提升。