如何化解与 V2X 相关的频谱挑战-电子发烧友网

本文作者 Ali Bawangaonwala,Qorvo 高级营销经理

Wi-Fi 和 5G 是促进无人驾驶汽车发展的推动因素。频谱干扰会对车辆驾驶和乘客安全造成不利影响，因此这些技术的协同工作和共存方式仍是个挑战。本文讨论支持车辆连接的技术，以及高选择性滤波器解决方案如何应对 V2X 与 Wi-Fi 共存挑战，以实现车辆通信。

车辆连接的基础

为了让真正的无人驾驶汽车在无人干预的情况下导航，必须与其他车辆和周围基础设施持续实时共享所有类型的数据。

这将通过车对万物 (V2X) 通信系统实现。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) 通信。

V2X 以 5.9GHz 专用短距离通信技术为基础，适用于快速移动物体。即使在非视线条件下，它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出现危险状况，从而减少潜在的汽车碰撞和伤亡事故。

此外，通过发出即将出现交通拥堵的警告并提供可选路线建议，V2X 可提高全球运输效率，并减少二氧化碳排放量，同时还可以降低车辆维护需求。

由于 V2X 可以是 C-V2X（基于蜂窝技术的车对万物），即采用蜂窝技术创建直接通信链路，也可以是 DSRC（专用短距通信），即以 IEEE 802.11p 标准为基础，并且曾经是唯一可用的 V2X 技术，所以实现无人驾驶汽车的全部潜力比较复杂。

然而，不同汽车制造商和国家/地区支持一种或另一种标准，然而，可以使用相同频谱来解决同一问题，且可以共存。

了解连接技术

为了更好地了解共存挑战，我们必须了解车辆连接中涉及的技术及其功能（图 1）。因为每种技术有其自己的特性，所以它们能够交互且不会降低其他技术的性能。

图 1：车辆连接技术

这些技术包括：

用于汽车安全的 V2X（DSRC 和 C-V2X）：V2X 将与车辆、路边基础设施和整体环境进行通信，以提高安全性，并创建一条自动驾驶路径。
适用于车辆 OEM 服务的 4G/5G 云连接：4G/5G 连接应用可包括远程诊断和监控汽车运行、进行空中软件更新、执行远程操作以及操控共享的自动驾驶车队。
可带来 4G/5G 云连接的车内体验：驾驶员和乘客可以使用这种连接来享受全新的车内体验，包括基于增强现实的导航、后座娱乐系统以及音乐流媒体服务等。
可提供优质车内体验和汽车经销商服务的 Wi-Fi：驾驶员和乘客可享受许多基于 Wi-Fi 的增强车内体验。例如：整辆车的高效 Wi-Fi 连接可支持将超高清 (UHD) 视频流传输至多个显示屏，并支持兼容设备和无线备用摄像头的屏幕镜像。Wi-Fi 还可以支持汽车经销商服务，实现自动登记、诊断数据传输和软件更新。
Bluetooth：驾驶员和乘客可通过蓝牙播放高保真音乐，还可以享受一些实用服务，如将智能手机用作遥控钥匙。
SDARS（卫星数字音频广播服务）：通过与基于卫星的无线电服务相连接，无论车辆使用者在哪里，都可以连接到喜爱的无线电广播。

5G 和 LTE 的共存挑战

通过了解各种技术的功能/优势，我们可以更好地了解共存挑战，尤其是与 5G 和 LTE 的兼容性。

5G（第五代蜂窝技术）可提高数据速率，减少延迟并提高无线服务的灵活性。5G 频谱分为 6 GHz 以下频谱和毫米波。

Wi-Fi 在 2.4GHz、5.2GHz 和 5.6GHz 频谱下运行，且 2.4GHz Wi-Fi 必须与 LTE B40 和 B41 频段共存。5GHz Wi-Fi 的数据速率高于 2.4GHz，这是因为 5GHz 频段的带宽更大，可以将更多信道捆绑在一起。这意味着射频工程师必须使用正确的滤波器产品（即在相邻频段中具有足够衰减性能，实现好的接收灵敏度），从而充分利用更宽的频段。

图 2：V2X 与 5GHz Wi-Fi 共存

当自动驾驶汽车中的乘客使用 5.6GHz 热点时，5.6GHz Wi-Fi 与 V2X（图 2）的共存就成为另一个挑战。实现可靠 V2X 无线电链路的唯一方式就是确保相对低的接收器灵敏度劣化。只有使用在 5.6GHz Wi-Fi 提供足够带外衰减的适当滤波器解决方案，才有可能实现这一目标（图 3 和图 4）。

高性能滤波解决方案——为什么 LTCC 不足够

越来越多的功能阵列增加了汽车中不同无线电的数量，如今，一辆汽车拥有多达 5 个无线电（即 V2X、4G/5G、Wi-Fi、蓝牙、SDARS）。这意味着多个无线电收发器彼此靠近，在不同频段中运行。如果一个 RF 链的发射功率超过附近接收器接收的信号功率水平，则会产生接收器灵敏度问题。

共存滤波器有助于减少这些 “干扰信号” 产生的干扰，从而避免接收器灵敏度问题和不符合法规的问题。然而，并非所有声称具有共存功能的滤波器都适合该应用。例如：图 3比较了 B47 体声波 (BAW) 滤波器和低温共烧陶瓷 (LTCC) 宽带滤波器的性能和系统影响。

图 3：QPQ2200Q 与 LTCC 进行比较：宽频性能。

……如今，一辆汽车拥有多达 5 个无线电……

LTCC 只能过滤宽带频率。B47 BAW 滤波器具有与 LTCC 滤波器类似的插入损耗，但具有较高的 5GHz UNII 1-3 频段抑制性能。B47 BAW 滤波器可在 Tx/Rx 路径中取代 LTCC 滤波器，或只放置在 Rx 侧。图 4 说明了LTCC 滤波器如何不抑制 UNI-3 频段，以及如何对 UNII-2 和 UNI-1 频段提供较差的抑制度。

图 4：QPQ2200Q 与 LTCC 进行比较：B47 BAW 滤波器可抑制 5GHz UNII 1-3 频段。

接下来，我们从系统和实现角度来比较 LTCC 与 B47 V2X 共存滤波器。图 5 比较了实现 1,000 米 V2X 链路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天线隔离。左图显示的 V2X 系统（TCU + 有源天线）在 Tx 路径上只有一个 LTCC 滤波器，此时要求大于 80dB 的天线隔离，这在实践中可能比较难以实现。右图显示的 V2X 系统在 TCU 中有一个 B47 V2X 共存滤波器，实现 1,000 米 V2X 链路，只需要 15dB 天线隔离的有源天线。如果设计/系统工程师能够实现超过 20dB 的天线隔离，那么他们可能只需要在有源天线中安装一个 V2X 共存滤波器。除了车内 Wi-Fi，在决定滤波器解决方案时还需要考虑另一个使用案例，即车辆是否具有新引入的 Wi-Fi 功能。也就是说，天线隔离由乘客使用的手机 Wi-Fi 热点决定。

图 5：实现可靠 V2X 链路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天线隔离：QPQ2200Q B47 与 LTCC 进行比较。

Qorvo 的滤波器产品采用已获专利的 BAW 技术，经过优化可满足复杂的选择性要求，标准频率范围为 1.5GHz 至 6GHz。例如：Qorvo QPQ2200Q 滤波器是全球首款解决自动驾驶汽车中 V2X 和 5.6GHz Wi-Fi 共存问题的滤波器。另一个示例是 Qorvo QPQ2254Q 2.4GHz Wi-Fi 滤波器，其设计支持 Wi-Fi 2.4G 与 LTE B40 和 B41 同时共存。这些滤波器的尺寸比陶瓷滤波器更小，从而提高了设计灵活性。

然而，即使是 BAW 带通滤波器也不能完全解决 V2X 环境中的共存问题。我们还必须考虑陷波滤波器所发挥的重要作用。上文讨论的带通滤波器可提供足够的带外抑制，而 Qorvo 的 QPQ2230Q 陷波滤波器可 “消除” 5GHz Wi-Fi 路径在 V2X 的 Rx 频段产生的噪声，从而防止 Rx 频段噪声耦合到 V2X 系统中，导致灵敏度劣化问题，如系统计算器（图 6）中所示。图 7 显示，如果 5GHz Wi-Fi 路径上未使用陷波滤波器，V2X 接收器中会出现高达 18dB 的灵敏度劣化，而采用 BAW 技术优势且精心设计的陷波滤波器，其灵敏度劣化几乎为零。

图 6：5GHz 路径上带有 V2X 陷波滤波器 (QPQ2230Q) 的 Wi-Fi 前端。

图 7：使用和不使用 QPQ2230Q 陷波滤波器时的 Rx 频段噪声和灵敏度劣化。

另一个需要高度重视的关键挑战就是，V2X 需要与电子收费 (ETC) 共存。此时的问题在于，ETC 频谱（欧洲为 5795-5815MHz，中国为 5790-5800MHz UL，5830-5840MHz DL）过于接近 V2X 频谱（北美和欧洲为 5855-5925MHz，中国为 5905-5925MHz），如图 8中所示。

图 8：全球 ETC 频谱与 V2X 共存。

解决这个问题的一种方法就是在 V2X 路径上使用设计合理的滤波器来剔除 ETC 频谱。让我们来了解一下欧洲的情况。图 9 比较了在 V2X FEM 输入端使用和不使用陷波滤波器的频谱泄露。左图显示 PA 输出端的频谱泄露无法通过 ETC 规格要求 (-65dBm/MHz)，因此 V2X 无法与 ETC 共存，除非在 ETC 无线电中，或者通过一些软件规避的方法解决了这个问题。右图显示，如果在 V2X 无线电中插入了精心设计的陷波滤波器，则 V2X 可以与 ETC 共存。