将TS-ITS100射频测试系统用于V2X汽车

只有对环境和交通状况有准确的了解，自动驾驶汽车才能安全地在道路上行驶。各种各样的传感器和相机已经提供了其中的一些信息。通过使用无线技术连接车辆来提供附加信息。为了确保即使在较差的传输条件下也能接收到与安全相关的数据消息，发射器和接收器必须遵守最低标准。可以使用射频测试来验证遵守情况。

由于许多发明，道路安全稳步提高。几十年来，安全带和安全气囊等机械系统以及防抱死制动系统 （ABS） 或电子稳定程序 （ESP） 等电子安全设备减少了事故数量及其后果。然而，在过去几年中，涉及事故的人数并没有进一步显着减少。根据德国联邦统计局的数据，这个数字每年保持在 390，000 左右。

为了进一步显着减少事故数量，需要新技术。通过车辆之间的无线信息交换（车对车 （V2V） 通信）以及与交通基础设施和所有交通参与者（车对一切 （V2X） 通信），可以在关键交通情况发生之前检测到它们）。例如，所有通过十字路口的车辆都可以交换有关速度和方向的信息。这使得检测潜在碰撞、发出适当警告和自主启动早期对策成为可能。

然而，这种情况只有在车辆之间存在可靠的无线信息交换时才能成为现实，即使在传输条件差且没有视线的情况下也是如此。如果遗漏了一条信息，那么一辆或多辆汽车将无法准确了解实际情况，可能会产生致命的后果。

可能的干扰

无线通信系统会受到不同类型的干扰的影响。其中许多统称为衰落。这包括由散射、衍射、折射和反射等物理效应引起的阴影和干扰，它们会导致信号的多径传播（图 1）。换言之，同一信号的多个版本在不同时间在天线处接收到，并且具有不同的信号电平和干扰。接收天线上各个信号的叠加会使接收到的信号失真、衰减甚至抵消。

【图1 | 由于没有视线路径的多径传播而导致的衰落示例。］

交通参与者也在不断移动，这为衰落场景增加了时间变化。车辆内的所有接收器都面临着不断变化的条件和信号质量。安全关键型应用必须在这些条件下可靠运行。如果接收器无法处理随时间变化的衰落，那么它将无法在天线处检测和处理接收到的信号。强编码和专用协议无法弥补接收信号的损失。安全相关信息丢失。这可能会带来相当大的安全风险，尤其是当驾驶员开始依赖 V2X 系统的警告并且不期望它会失败时。

测试物理传输

为了最大限度地降低因传输条件差而导致的安全风险，通信系统的车载单元 （OBU） 和路边单元 （RSU） 中的射频发射器和接收器必须具有某些特性。想要将 V2X 组件集成到他们的系统中的开发人员和用户可以使用射频测试来验证这些要求。开放系统互连 （OSI） 模型的两个最低层会影响这些测试，因为它们负责数据消息的物理传输（图 2）：

【图2 | 开放系统互连 （OSI） 模型的物理层和逻辑链路控制层对于 V2X 组件的射频测试至关重要，因为它们负责数据消息的物理传输。］

物理层（第 1 层）负责通过传输介质对数据进行物理传输。在 V2X 通信的情况下，数据通过空中接口无线传输。该层使用特定的调制模式、载波频率和比特率。通常还要考虑传输数据的信道的质量。

数据链路层（第 2 层）由两部分组成：介质访问控制 （MAC） 层和逻辑链路控制 （LLC） 层。MAC 层管理多个用户对传输介质的访问（这与 RF 测量有关）。LLC 层处理协议级别的错误检测和纠正等任务。

相反，协议级别的测试（即从 LLC 层到应用层（第 7 层））不适合验证 RF 特性。这些测试检查在 LLC 层中从接收信号生成的比特流是否得到正确处理。接收天线处的射频信号被忽略。因此，协议级别的所有测试都依赖于一个重要的先决条件：车辆天线已接收到带有消息的信号并将其转换为比特流。比特流包含比特错误是可以接受的，但只能使用信道编码来纠正。对于比特流的无差错处理，消息必须准确地出现在应用层中，因为它是在 OBU 天线上接收到的。这会触发其他操作，

因此，OBU 中的 RF 模块（即 MAC 层和物理层）必须满足有关功率和频率精度以及数据包错误率 （PER） 的某些最低要求。此外，传输的信号不得干扰相邻频率的任何传输技术。这些特性只能通过射频测试来验证，协议测试无法验证，因为传输信号中的任何干扰都会通过 OBU 的射频模块传导到接收器。

但是如何测试射频模块的要求呢？以及如何确保实际接收到传输的消息？对移动通信行业的研究表明，三种不同类型的射频测试用于验证和认证智能手机：

监管测试检查发射信号在其他频率中引起的干扰，以确保它保持在指定的限制范围内。通常，国家监管机构会指定这些限制，并且遵守具有法律约束力。这些类型的规范已经可用于 V2X 单元。

一致性测试确定智能手机是否符合其用于传输的技术的射频规范。例如，智能手机不得超过指定的最大 PER 或最大发射功率。单独的测试规范通常描述如何执行和评估这些测试。

一些移动通信提供商要求进行比此处描述的更严格或额外的测试，以通过提供更好的传输质量和更好的网络可靠性来从竞争中脱颖而出。移动设备必须满足这些特殊要求才能被允许进入网络。

有线无线电

汽车行业在实验室、测试场地甚至公共道路上测试汽车零部件和电子控制单元 （ECU）。对于无线通信，这相当于现场测试，为射频测试提供了一个真实的环境。然而，诸如天气之类的其他影响可能会不可预测地改变无线电链路的射频特性。测试设置和测试顺序取决于所涉及的车辆和天线位置，并且通常只能通过相当大的努力才能更改。

这对于测试仍处于开发阶段的新设备是不切实际的。相反，需要的是允许在实验室进行实际测试的替代方案。在无线通信中，传导测试代表了现场测试的替代方案。测试系统模拟传输通道，而电缆取代了实际的无线电链路。这些类型的 RF 测试可以在每个原型以及每次更改软件或硬件时执行。这具有许多优点，可以使开发更快、成本更低并减少错误：

测试可以在任何时间以低成本进行。

测试条件在任何时候都有明确的定义，并且可以随时更改而不受外部影响。

当在相同条件下执行时，明确定义的测试序列会产生可比较的结果。

可重现和可比较的结果有助于调试。

参数可以很容易地修改。这与例如在现场测试中修改衰落轮廓所需的大量努力形成对比。

多个测试可以组合成测试序列，然后自动执行。这使得进行长期测试以研究原型的可靠性成为可能。

某些 RF 测试，例如误差矢量幅度 （EVM） 或接收器 （RX） 灵敏度测试，仅作为传导测试才有意义。在现场测试中，不受控制的噪声和来自外部源的干扰会导致测量结果失真。

根据选择的场景，信道仿真准确地模拟了无线电链路的物理属性。今天的信号发生器还可以实时模拟特殊的 V2X 衰落曲线。

现场测试仍然有意义，特别是对于天线测量（例如，确定天线特性或波束成形测试）。尽管进行的测试不能完全取代现场测试，但通道模拟可以简化测试，轻松且经济高效地支持实验室开发。

检测射频问题

为了能够比较 V2X 单元的各种硬件和软件版本的测试结果，必须明确定义所有测试程序。因此，一些国家为 V2X 系统定义了测试规范，其中包括四类测试用例（图 3 和图 4）：

【图3 | 射频发射测试规范包括带内和带外测试。］

【图4 | 射频接收测试规范包括带内和带外测试。］

TX 带内：该组中的测试用例测试发射机 （TX） 特性，例如最大和最小发射功率、频率精度和调制精度。

TX 带外：允许频带之外的不需要的发射功率不得干扰其他技术。因此，TX 带外测试用例测量此发射功率并将其与允许的限制进行比较。

RX 带内：此类别测试接收器 （RX），例如通过测量接收信号仍可解码的最低接收功率或通过测量衰落性能。图 5 显示了 R&S SMW200A 矢量信号发生器的屏幕截图，其中配置了 V2X 衰落配置文件。

RX 带外：专门的测试用例测量 OBU 或 RSU 是否在发射器关闭时无意发射其他频段的发射功率。

【图5 | 罗德与施瓦茨 SMW 信号发生器显示了 V2X 在 5.9 GHz 的衰落曲线。］

V2X 的各种插头测试表明，TX 带外和衰落测试对于许多被测设备来说尤其成问题（图 6）。但是，可以通过使用适当的测试仪器在开发阶段检测到这些 RF 问题。RX 测试可以使用能够生成 V2X 信号的信号发生器来执行。信号分析仪涵盖了 TX 测试用例。根据分析仪的动态范围，需要 V2X 信号滤波器来覆盖带外测量的宽频率范围。

【图6 | TX 带外测试：802.11p 单元的发射功率（蓝线）多点超过允许限值（红线）。5855 MHz 和 5925 MHz 之间的频率范围为欧洲和美国的 V2X 保留］

目前，各种无线技术正在讨论用于实现 V2X 通信，特别是 WLAN 802.11p、LTE 和 5G，这些技术将在几年后推出。无论使用哪种技术，罗德与施瓦茨等测试和测量设备制造商都已经提供了 V2X 所需的测试解决方案。例如，基于广泛分布的 LTE 技术的解决方案可以使用 TS8980 射频测试系统系列进行测试。可用的测试会根据每个 LTE 开发不断更新，使其也适用于 V2X。

例如，对于 802.11p，TS-ITS100 射频测试系统包含完整的全球 802.11p 测试用例包，用于：

欧洲 5.9 GHz （ETSI EN 302 571）

美国 5.9 GHz （IEEE 802.11-2012）

日本，760 MHz（TELEC T257 和 ARIB STD-T109）

对于带外测试，测试系统允许进行高达 18 GHz 的测量，并且可以根据不同地区的需要接受各种滤波器。系统硬件已设置为处理分集和多输入多输出 （MIMO）。802.11p 测试提出了一个特殊的挑战，因为没有定义到 802.11p 单元的统一接口。为了为测试用例配置单元，测试软件必须使用单独的命令对每个单元进行寻址。测试系统已经包含许多单元的插件，以允许完全自动化测试。

概括

交通参与者之间的无线、自动化通信将继续发展，以改善道路安全。必须在每种环境和每种交通情况下可靠、快速地传输安全关键信息。仅协议测试是不够的，因为它们不能测试传输信号到达接收器的环境。只有射频测试才能确保 OBU 和 RSU 满足最低物理要求，从而挽救生命。

审核编辑：郭婷