如何化解与V2X相关的频谱挑战

引言

1）车辆互联基础知识

为了让真正的自动驾驶汽车能够在没有人工干预的情况下导航，所有类型的数据都必须与其它车辆及周围的基础设施连续且实时地共享。

这将通过车联万物（V2X）通信系统来实现。V2X包括车对车（V2V）、车对基础设施（V2I）、车对网络（V2N）和车对行人（V2P）等多个层面的通信。

V2X基于5.9 GHz专用短距通信，专为快速移动的物体而设计。即使在非视线条件下，也可以建立可靠的无线电链路。这种可信链路使驾驶员能够意识到前方的危险，从而减少潜在的汽车碰撞、死亡和伤害。

此外，V2X能够预警即将发生的交通拥堵并建议替代路线，以此提升全球运输效率并减少CO2排放，并带来减少车辆维护的额外收益。

实现自主汽车的全部潜力相对复杂，因为V2X既可以是采用蜂窝技术创建直接通信链路的C-V2X（蜂窝车联网），也可以是基于IEEE 802.11p标准的DSRC（专用短程通信），后者还曾一度是唯一可用的V2X技术。

不同的汽车制造商和国家/地区都在支持一种或另一种标准，但是都利用相同的频谱来解决相同的问题，并且各标准间可以共存。

图1. 车辆互联技术

双频Wi-Fi 2.4G/5G

GPS/GNSS/北斗

4G/5G蜂窝连接

娱乐中心

摄像头

eCall/OnStar

SiriusXM电台

V2X（C-V2X和DSRC）

维护用蜂窝无线电系统

远程无钥匙进入

胎压监测

2）了解连接技术

为了更好地理解实现信号共存的挑战，我们必须研究与车辆连接性有关的技术及其功能（图1）。 因为每种技术都有自身的特点，它们必须在不降低其它技术性能的情况下进行互动。

这些技术包括：

●   用于汽车安全的V2X（DSRC、C-V2X）： V2X将同车辆、路边基础设施以及整个环境进行通信，以提高安全性并为自动驾驶开辟道路。

●   面向车辆OEM服务的4G/5G云连接： 用于4G/5G连接的应用程序可以包括远程诊断和监控汽车运行情况、进行空中下载软件更新、执行远程操作，以及操作共享自动驾驶车队。

●   用于行车体验的4G/5G云连接： 驾驶员和乘客都能够使用这种连接来享受全新行车体验，涵盖从基于增强现实的导航，到后座娱乐与音乐流媒体服务。

●   打造卓越车内体验和汽车经销商服务的Wi-Fi： 驾驶员和乘客可以享受许多基于Wi-Fi的增强型车内体验。例如，整个车辆的有效Wi-Fi连接可以支持将超高清（ultra-HD）视频流传输至多个显示器，并获得兼容设备及无线倒车摄像头的屏幕镜像。Wi-Fi还可以支持汽车经销商服务，从而实现自动检入、诊断数据传输和软件更新。

●   蓝牙： 驾驶员和乘客可通过蓝牙传输高保真音乐，并从一些实用服务中受益，例如将智能手机用作遥控钥匙。

●   SDARS（卫星数字音频无线电服务）：借助与基于卫星的无线服务的连接，无论身在何处，车辆乘员都可以收听到自己钟爱的无线广播节目。

图2 V2X与5 GHz Wi-Fi共存

1   5G和LTE的共存挑战

基于对各种技术功能/优势的理解，我们可以更好地应对共存挑战——特别是与5G和LTE的兼容性。

5G，即第五代蜂窝技术，可以提高数据速率，减少等待时间并增强无线服务的灵活性。5G频谱分为Sub-6 GHz和毫米波。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5.2 GHz和5.6 GHz频谱，并且2.4 GHz Wi-Fi必须与LTE B40和B41频段共存。凭借更大的带宽，能够在5 GHz频段中将更多信道捆绑在一起 ，因而5 GHz Wi-Fi可以获得比2.4 GHz更高的数据速率。这意味着无线电设计师必须使用正确的滤波器产品——在相邻频段具备足够的衰减以提供良好的接收器灵敏度——以充分利用更宽频段所带来的全部优势。

当自动驾驶汽车中的乘客使用5.6 GHz热点时会出现新的挑战，即5.6 GHz Wi-Fi与V2X的共存问题（图2）。拥有可靠V2X无线电链路的唯一方法是确保接收器的灵敏度降幅相对较低。这只有通过适当的滤波器方案才能实现，此类解决方案可为5.6 GHz Wi-Fi提供足够的带外衰减（图3及图4）。

图3 QPQ2200Q与LTCC的比较：宽带性能

2   高性能滤波——为何LTCC还不够

越来越多的功能增加了汽车中不同无线电设备的数量，如今的1辆车上有多达5种无线电设备（即V2X、4G/5G、Wi-Fi、蓝牙、SDARS）。这意味着多个无线电收发器在彼此十分接近的不同频段中工作。如果1个RF链的发射功率超过到达附近接收器信号的功率水平，则可能导致接收器灵敏度问题。

共存滤波器有助于减少这些“攻击信号”带来的干扰，其不仅会引发接收器灵敏度问题，还会导致不合规。但是，并非所有声称具有共存功能的过滤器都适合该工作。例如，图3中的曲线比较了B47体声波（BAW）滤波器和低温共烧陶瓷（LTCC）宽带滤波器的性能及系统影响。

频率/MHz

LTCC仅过滤宽带频率。B47 BAW滤波器提供了与LTCC滤波器相似的插损，但还带来了对5 GHz UNII 1-3频段的高抑制性能。B47 BAW滤波器可以代替Tx/Rx路径上的LTCC滤波器，也可以仅放置在Rx端。图4显示了LTCC滤波器如何对UNI-3频段不产生抑制，以及在UNII-2和UNI-1频段产生不良抑制。

图4 QPQ2200Q与LTCC的比较：B47 BAW滤波器对5GHz UNII 1-3频段的抑制

频率/MHz

接下来，让我们从系统和实现的角度来比较LTCC和B47 V2X共存过滤器。图5比较了创建1 000 m V2X链路所需的V2X-Wi-Fi天线隔离。左图显示了一个V2X系统（TCU+有源天线），在发送路径上只有1个LTCC滤波器，需要大于80 dB的天线隔离，这在实际应用中可能很难实现。右图显示了1个V2X系统，TCU中的B47 V2X共存滤波器和有源天线仅需15 dB的天线隔离度便可获得1 000 m的V2X链路。如果设计/系统工程师能够达到20 dB以上的天线隔离，他们可能只需要在有源天线中安装1个V2X共存滤波器。除了车内Wi-Fi，在选择滤波解决方案时还需要考虑另一个用例，即汽车是否具有内置Wi-Fi功能。也就是说，此时天线的隔离度由用手机建立Wi-Fi热点的乘客决定。

图5 V2X——实现可靠V2X链路所需的Wi-Fi天线隔离：QPQ2200Q B47 vs. LTCC

不采用BAW，Wi-Fi会创建IM3和压缩

基于Rx IMD3和压缩估算链路距离

链路距离（米）

天线耦合（dB）

压缩（dB）

链路距离（米）

压缩（dB）

无B47 BAW

LTCC滤波器需要Wi-Fi和V2X间大于80dB的天线隔离才能获得1000米的链路

采用两个BAW，可最大化链路距离

基于Rx IMD3和压缩估算链路距离

链路距离（米）

天线耦合（dB）

压缩（dB）

链路距离（米）

压缩（dB）

在TCU和补偿器中使用B47 BAW

如将B47 BAW放置于天线端口，则可移除LTCC

Qorvo的滤波器产品采用BAW专利技术；该技术经过优化以可满足复杂的选择性要求，标准封装覆盖从(1.5~6) GHz的范围。例如，Qorvo QPQ2200Q滤波器为世界首款解决自动驾驶车辆V2X与5.6 GHz Wi-Fi间共存的滤波器。另一个示例是Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi滤波器，设计用于实现与LTE B40和B41的共存。此类滤波器占板面积小于陶瓷滤波器，从而增加了设计灵活性。

然而，即使BAW带通滤波器也不是解决V2X环境中共存问题的完整解决方案，我们还必须考虑陷波滤波器的重要作用。尽管上文所讨论的带通滤波器提供了足够的带外抑制性能，但Qorvo QPQ230Q陷波滤波器在5 GHz Wi-Fi路径上的V2X频段中对Rx频段噪声进行“陷波”处理，以防止Rx频段噪声耦合回V2X系统，并引起灵敏度下降，如系统计算器所示（图6）。图7表明，如果在5 GHz Wi-Fi路径上不使用陷波滤波器，则V2X接收器将有高达18 dB的灵敏度降幅；相比之下，基于BAW技术优势精心设计的陷波滤波器可达成几乎为零的灵敏度降幅。

图6 在5 GHz路径上具有V2X陷波（QPQ2230Q）的Wi-Fi前端

可选专用BT天线

图7 在有无QPQ2230Q陷波滤波器的不同情况下，Rx频段的噪声和灵敏度降幅

无陷波滤波器

V2X陷波抑制

外部宽带噪声引起信道中的灵敏度下降

-177.99信号

OOB干扰器

压缩

灵敏度，dBm：

灵敏度降幅，dB

无抑制，灵敏度降幅约18dB

陷波滤波器，抑制能力30dB

V2X陷波抑制

外部宽带噪声引起信道中的灵敏度下降

-177.99信号

OOB干扰器

压缩

灵敏度，dBm：

灵敏度降幅，dB

在30dB抑制下，灵敏度降幅几乎为0dB

V2X需要与电子自动收费系统（ETC）共存，这是另一个需要特别注意的关键挑战。其问题在于，ETC频谱（欧洲为5 795~5 815 MHz，中国为5 790~5 800 MHz UL和5 830~5 840 MHz DL）太接近V2X频谱（北美及欧洲为5 855~5 925 MHz，中国为5 905~5 925 MHz），如图8所示。

图8 全球ETC频谱与V2X共存

ETC欧洲 20MHz

ETC中国UL 10MHz

ETC中国DL 10MHz

V2X北美及欧洲 70MHz

V2X中国 20MHz

解决此问题的1种方法是在V2X路径上使用经过适当设计的滤波器对ETC频谱进行陷波处理。让我们看下欧洲的情况；图9显示了在V2X FEM输入端使用和不使用陷波滤波器的频谱发射掩码比较。左图中，PA输出端发射的频谱无法达到-65dBm/MHz的ETC规范要求。因此，除非在ETC无线电中或通过某些软件缓解手段对其进行处理，否则V2X无法与ETC共存。如右图所示，如果在V2X无线电中插入设计良好的陷波滤波器，则V2X可以与ETC共存。

图9 欧洲：频谱发射掩码的比较——使用和不使用ETC陷波滤波器的情况

无滤波器

频谱功率，dBm/100 kHz

频率（MHz）

Tx驱动-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已标准化为Pout）

总增益30.2 dB

在PA输入端使用陷波滤波器

频谱功率，dBm/100 kHz

频率（MHz）

Tx驱动-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已标准化为Pout）

总增益27.7 dB

现在，让我们看看中国的频谱状况（图10）。同样，如左图所示，除非在ETC无线电中解决这一问题，否则ETC无法与V2X共存。如果在V2X无线电中使用设计良好的滤波器，则符合-65 dBm/MHz的ETC规范裕度，如右图所示。

表征高性能滤波器产品的两个参数是谐振器质量，即品质因数（Q）和耦合因数（k2）。高Q是最小化插损的必要条件，而高k2则带来更宽的带宽。谐振器层面的技术进步有助于改善插损和高选择性性能，在最高6 GHz的频率下实现带宽更宽的滤波器产品。

图10 中国：频谱发射掩码的比较——使用和不使用ETC陷波滤波器的情况

无滤波器

频率（MHz）

频谱功率，dBm/100 kHz

Tx驱动-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已标准化为Pout）

总增益29.7 dB

在PA输入端使用陷波滤波器

频率（MHz）

频谱功率，dBm/100 kHz

Tx驱动-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已标准化为Pout）

总增益29.7 dB

3 结论

高Q带通和陷波滤波器的结合为自动驾驶汽车设计中的共存挑战打造了最完整的解决方案。根据上文中所讨论的数据，LTCC滤波器并不是真正的共存滤波器，在Wi-Fi和V2X相邻的特殊行车环境中无法发挥作用。

作者简介： Ali Bawangaonwal，营销主管，拥有电气工程背景，以及在技术领域近20年的行业经验。获得美国布拉德利大学（Bradley University）电子工程硕士学位和伊隆大学（Elon University）战略MBA学位。作为RF前端半导体领域公认的专家，目前在5GAA作为Qorvo公司代表。

参考文献：

[1] Qorvo RF滤波器产品[R/OL].

[2] 车联网傻瓜书[R/OL].Qorvor.

[3] Qorvo BAW滤波器产品[R/OL].

（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第8期。）