车用无线连接有哪些技术？车用射频前端芯片有哪些特殊要求？

近年来，智能汽车市场整体爆发式增长，根据统计和预测，2020年全球电动汽车出货量为310万辆，到2030年将达到3,300万辆，接下来10年产生大于10倍的出货增长。

图：对于电动汽车的统计和预测[1]

无线通讯产业在最近几年同样经历快速发展，尤其作为新基建的4G、5G通信系统，短短几年在全球快速部署，帮助各行各业实现无线智能互联，提高工作效率和成绩。

由以上两大行业作为市场和技术基础，车联网行业应运而生。

车联网可以帮助汽车实现重要智能功能，根据资料统计[2]，车联网可以分阶段实现以下功能：

第一阶段：智能化、娱乐化。 包括：上网、听歌、视频等（现阶段）；

第二阶段：辅助驾驶。 可以理解为应急刹车、辅助停车等；

第三阶段：特定场景无人驾驶。 比如在货场使用无人驾驶，或者有固定路线的无人驾驶。考虑到安全因素，还未将无人驾驶技术在所有场景中全部实施；

第四阶段：完全无人驾驶（最终目标）。

在车联网中，需要用到的最重要技术之一就是车载无线通讯技术。车用无线连接有哪些技术？车用射频前端芯片有哪些特殊要求？带着以上问题，本文对车用射频前端芯片做一个讨论。

01

汽车无线通讯方案

用于汽车无线连接的通信技术主要有蜂窝网络技术、无线局域网技术、全球导航卫星系统、V2X（车联网）技术。以下将对这几种不同技术展开讨论。

蜂窝网络（Cellular）技术

蜂窝网络又称移动网络，由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。大家所熟悉的手机就是蜂窝网络的典型终端设备。

从网络系统和上层应用来看，汽车蜂窝网络系统和手机蜂窝网络系统是完全一样的，也包括了2G、3G、4G、5G网络。采用蜂窝网络连接的汽车一般是采用蜂窝物联网模块，将汽车与蜂窝基站相连。

出于成本和整体产业链的成熟度的考虑，大多数中低端汽车会直接应用普通消费级物联网模块进行实现（射频前端方案也套用消费级器件）。

  无线局域网（WLAN）技术

车载WLAN主要是作为连接热点来应用，和无线路由器及CPE功能一致。一般也包括2.4G和5G两个频段，同样也包括IEEE 802.11b/g/a/n/ac/ax的应用，或许将来也会有Wi-Fi 6E，Wi-Fi7和802.11ad的应用。

全球导航卫星系统（GNSS）

GNSS的全称是Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统，是卫星导航系统的统称，包含GPS、GLONASS、Galileo、Beidou等卫星导航技术。卫星导航技术也是一种无线通讯技术。

主要的GNSS技术及频段划分如下表所示，高精度的导航定位系统是车载系统尤其对于无人驾驶汽车是关键技术。

表： GNSS系统及主要频段划分 

V2X车联网

V2X是Vehicle To Everything的缩写，是指汽车与外部的所有信息连接。如果说，蜂窝通信技术、无线局域网技术以及全球导航卫星技术是汽车“借用”过来的无线通讯技术，那V2X就是专门为车联网打造的通讯技术。

V2X是多种场景的统称，包含比如V2I（Vehicle to infrastructure）、V2N（Vehicle to network）、V2V（Vehicle to vehicle）以及V2P（Vehicle to pedestrian）等。V2X概念最早于1970年被提出，目的是为了解决行车的安全问题，经过几十年发展，现在V2X有了更远大的目标：实现无人驾驶。进入2020年后，各大市场都在评估或者部署相关系统。从5GAA（5G Automotive Association，5G汽车联盟）给出的白皮书及各大市场的动作来看，2020年代是V2X大发展时代[2]。

V2X主要有两大技术标准：分别是IEEE所倡导的DSRC和3GPP所倡导的C-V2X。目前应用中C-V2X有较大的技术和市场优势，后面主要针对3GPP C-V2X系统做相关讨论。

02

C-V2X及射频前端方案

V2X及其两大分支简介

从现阶段行业分布来看，V2X主要有两大技术方向，分别为DSRC及C-V2X，这两大方向主要是由技术传承及市场潜力来导向的。

DSRC以欧洲市场为主，该系统是将IEEE802.11作为技术基础，可以理解为和Wi-Fi是一个系统；C-V2X以中国和美国市场为主，该系统是将3GPP及其演进作为技术延申，可以理解为和LTE、NR是同一个系统，3GPP组织也在主导促成统一标准。

V2X的两种系统简介：

DSRC

DSRC被定义为IEEE 802.11p，将IEEE 802.11作为技术基础，和Wi-Fi（IEEE 802.11 b/g/a/n/ac/ax）同出一脉，主要市场在欧洲及其它一些小国家，美国已于2020年底从DSRC切换到C-V2X发展方向。 DSRC最初由通用、福特、丰田、本田等车企推动，可支持车与车、车与路之间的直接通信，此后欧洲和日本等国家也都提出了各自的标准和专用频段。

DSRC技术的优势在于可靠性高、传输实时性强，弱点在于通信距离优势不明显且只能在V2V工作模式下有优势。因此，如果仅通过DSRC实现无人驾驶技术与车联网通信，那么就需要针对路边设施进行大规模经济投入，而这将限制DSRC的商业化。

C-V2X

C-V2X是基于 3GPP体系并进行延申，主要有中国、美国两大市场。 C-V2X最初由大唐、华为等设备商推出，3GPP协议针对V2X的通信需求定义了两种通信方式：集中式（Uu）与分布式（PC5）。

集中式也称为蜂窝式（Cellular-based），需要基站作为控制中心，车辆与基础设施（V2I）、车辆与其他车辆（V2V）、车与人（V2P）之间需要通过将数据在基站上进行中转来实现通信；分布式也称为直通式，无需基站作为支撑，让终端之间实现V2X通信。 C-V2X可以将直通模式和蜂窝模式融为一体，相较于DSRC，具有显著的性能优势和市场前景，且现在已经演进到5G（NR）阶段。

C-V2X频谱资源及市场分布

由于C-V2X技术及产业近几年刚刚起步，很多国家和市场都处于中立态度去评估发展DSRC还是C-V2X，且频谱划分也没有最终分配完成。

目前，3GPP 36系列（LTE）定义的C-V2X频段只B47，B47主要是几个大市场（中国、日本、美国等）分配的频段，频率范围为5.855-5.925GHz。B46D虽然目前3GPP还未做定义，但是该频段或许未来也会覆盖全球大部分市场，B46D频率范围为5.725-5.825GHz；3GPP 38系列（NR）定义的C-V2X频段为n38和n47，n38是用于特定业务，n47的频率范围和主要目标市场同B47是一致的。

现阶段，中美两大市场都明确了发展方向为C-V2X，具体频谱资源暂定为：

USA：5.850-5.925GHz共30MHz频谱资源，released in 2020 [3]

China：5.905-5.925GHz, released in Nov, 2018 [3]

Japan：5.850-5.925GHz [4]

注：Wi-Fi 6E的频率范围为：5.925-7.125GHz.

C-V2X期望发展路标图

结合如下图C-V2X的Roadmap[2]，可以将C-V2X的设计规划及商业应用分为以下四个主要阶段：

阶段一：直到2020年，市场起步；

阶段二：到2022年，辅助驾驶；

阶段三：到2025年，无人驾驶阶段1（特定场景）；

阶段四：2025年以后，无人驾驶阶段2（完全无人驾驶）。

图： 5GAA发展路标图

C-V2X 终端平台信息

4G C-V2X平台

QCOM MDM9150 4G C-V2X platform, released in Sept, 2017, CS in 2H,2018；

Huawei Balong765 4.5G platform including C-V2X, released in Feb,2018；

Autotalks V2X platform；

5G C-V2X平台

Huawei Balong5000 5G platform including C-V2X, released in Jan, 2019；

QCOM SA515M 5G platform including C-V2X, released in 2020；

MTK C-V2X platform, is not released yet.

V2X 典型射频前端方案

下图为一些现在已经商用的V2X射频前端方案：

SKYA21043（基于IEEE 802.11p）：支持DSRC系统，是Autotalks平台的参考设计；

QPF1002Q（基于3GPP）：PA两级增益，支持C-V2X系统，是QCOM 4G平台MDM9150和5G平台SA515M的参考设计。

图：DSRC和C-V2X射频前端方案

03

汽车电子及车规射频前端芯片

汽车行业供应链层级 汽车行业对上下游厂商的称谓和消费电子市场有一些差异，一般称为：  

图：汽车行业供应链层级

需要说明的是：由于现在产业链的横向和纵向的大量扩展，很多厂商都同时担任Tier1和Tier2的角色，如Gosuncn、Neoway等。和手机行业芯片供应商直接对接OEM（vivo、OPPO、小米等）不同，在汽车行业射频芯片供应商一般很少接触OEM，而是对接Tier1或者Tier2的通讯模组厂商。

车规芯片特点及要求

由于工作环境和汽车系统高安全性的应用场景，车规级芯片需至少满足以下要求：

高可靠性；

高安全性；

零故障率；

高量产一致性；

长供货期（预期5~7年，甚至10年以上）；

长使用寿命（约15年）。

车规芯片设计、生产、认证标准

由于车规芯片的特殊应用要求，车规芯片设计、生产、及可靠性认证都需要参考特定标准。车规芯片设计、生产的主要规范如下表：

表：车规芯片设计、生产规范

有关AEC-Q认证

AEC-Q 系列认证是公认的车规元器件通用测试标准。克莱斯勒、福特和通用汽车为建立一套通用的零件资质及质量体系标准而设立了汽车电子协会（AEC）。AEC-Q 系列认证虽然不是强制性的认证制度，但目前已成为整个汽车电子行业公认的车规器件通用测试标准。芯片企业需以产品分类选择对应的AEC-Q标准：

AEC-Q100：IC芯片，包含无线通讯平台芯片组（AP/Modem/XCVR/PMIC …），射频前端器件（PA/LNA/Switch…）等有源器件；

AEC-Q101：半导体分立器件，最常见就是二极管/MOS管等；

AEC-Q102：光电器件，如LED。和射频前端产品关系不大；

AEC-Q103：传感器，如测试胎压。和射频前端产品关系不大；

AEC-Q104：MCM，和射频前端产品关系密切，如PAMiD/PAMiF/L-FEM等；

AEC-Q200：无源（passive，被动）器件，例如Filter/DPX/QPX等。

具体的操作指南文档：

AEC-Q001 Guidelines for Part Average Testing

AEC-Q002 Guidelines for Statistical Yield Analysis

AEC-Q003 Guidelines for Characterizing the Electrical Performance

AEC-Q004 Zero Defects Guideline (DRAFT)

AEC-Q005 Pb-Free Requirements

SAE J1752/3 Integrated Circuits Radiated Emissions MeasurementProcedure

 AEC-Q100认证 

AEC-Q100文档定义了AEC-Q100认证涵盖的内容是IC芯片。对于无线通讯及射频前端行业来说，包含无线通讯平台芯片组（AP/Modem/XCVR/PMIC …），PA/LNA/Switch等有源器件。

AEC-Q100文档的最新版本：AEC-Q100 Ver. H 版本，release date：Sept 11, 2014。

AEC-Q100文档H版本相较于G版本，重新定义了温度范围，包括以下四组。所有测试都是基于器件厂商提供的温度范围（From Datasheet）来进行测试的。一般车规通讯模组的要求是Grade3，要求高的需要支持到Grade2。根据沟通及了解，这几个温度范围主要适用于以下场景，如下表。

表：AEC-Q100文档规定的温度范围

 AEC-Q100 认证流程   

AEC-Q100认证包括A、B、C、D、E、F、G七大类，40多项测试，具体参考下图。除了G组关系不大之外，其余六类都和射频前端器件强相关。

由于篇幅有限，截取具有代表性的下图做以说明，其中基本射频指标是射频前端器件的基础，划分到E组电气特性中。G组是特殊封装完整性测试，和射频前端器件关系不大。详细信息可以直接阅览AEC-Q100原文。

                           

图：AEC-Q100 认证流程

车规电子和消费电子的差异

车规电子和消费电子的差异如下：

车规器件特点：

最高优先级的要求：可靠性，稳定性，使用寿命，工作温度。这几项为重要要求，同时也是AEC-Q的主要约束；

次高优先级的要求：静电防护，冷热冲击，振动冲击。

 消费器件特点：

最高优先级的要求：价格，供应，性能；

次高优先级的要求：功耗，兼容性，使用寿命，迭代能力，可靠性、稳定性等。  

一般在消费类电子应用中，尤其中低端产品，一切以成本优先，这与车规芯片有大的不同。在有些车载设备中，比如车载OBD等后装组件，应用场景和售后处理都类似于消费电子，厂家在售后处理中承担的成本和风险都是可控的，所以很多时候会采用消费级芯片进行设计。

Tier1和Tier2所关心的问题

对于前装车载无线通讯产品，通常车辆拆装人工成本比较高，所以产业链都在避免因为可靠性问题等导致客退及维修。对这类问题的关注及敏感导致汽车行业Tier1/2在器件选择时非常谨慎，尤其对于射频前端器件。在应用中，一般每一颗器件发生失效情况都要给出理由充分的根本原因及解决方案。

在车规射频前端芯片应用中，Tier1和Tier2重点关注的指标如下：

功能及规格：需要纵向（应用场景：2G/3G/4G/5G，C-V2X，DSRC，WLAN等）与横向（实现方案：MMPA，TXM，PAMiD，L-FEM，PAMiF等）结合去考虑基本功能和规格，其中包括射频性能；尺寸大小；工作温度范围等；

高可靠性：工作温度 Grade2 : -40C ~ +105℃，Grade3 : -40C ~ +85℃，PPM/MTBF/FIT等要求，以及EMC/ESD/环境耐受要求；

质量认证：AEC-Qxxx（注重结果），IATF 16949 （注重整个过程，来源于ISO9001）；

使用寿命/质保周期：Tier1、Tier2和OEM车厂都希望保证这个时间（~15年）；

供货周期：5~7年，有些甚至达到10~15年；

服务支持：提供技术支持及客退分析支持；

车规射频前端器件的供应链保证：Wafer，基板及辅助材料，封测厂等。

射频前端芯片供应商所做的保障

为了满足车规使用，射频前端芯片需要做到性能、可靠性等方面的保障，主要有：

性能保障： 完全按照3GPP要求射频性能及可靠性，温度范围为 Grade2 : -40C to +105C ，Grade3 : -40C to +85C。 车规射频前端器件的应用和消费类射频前端器件的应用基本是一致的，这方面射频前端芯片可以做到良好保障。对于中高端车型来说，数据吞吐率和普通数据类设备（MBB产品）要求是一致的，需要较高上下行吞吐率，速率要求要高于中高端手机。

可靠性保障：  0PPM是最终目标。任何客退的发生都会增加很多成本，尤其前装车载无线产品。如果发生客退情况，哪怕小概率（即使是1PPM），车厂都会追责到底且需要给出合理理由的分析过程及合理的整改措施。在这个过程中包括OEM、Tier1、Tier2，芯片供应商都要投入巨大的人力资源和物力资源。由于汽车系统复杂，分析失效根因难度大。所以0PPM是最终目标。

车规级品质保障： 理论上消费类射频器件不能直接使用到车规终端产品上，车载产品需要满足AEC-Q100等车规级认证。

不过，除海外部分高端车厂外，现在车厂对用于车载通讯模块中的芯片并没有AEC-Q100强制要求，但通讯模块会做系列可靠性实验。这在一定程度上降低了对芯片的要求。

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文章结语

“一切设备都将走向移动和互联”，汽车作为最为常见的“移动”设备，未来一定会走向智能互联。车联网，未来可期。

射频前端芯片技术将为汽车提供无线通讯技术，保障汽车的智慧连接。不过由于汽车需求的特殊性，射频前端芯片必须要经过特殊的设计、严苛的验证，才能达到车规级要求。

审核编辑：刘清