引言

1）車輛互聯基礎知識

為了讓真正的自動駕駛汽車能夠在沒有人工干預的情況下導航，所有類型的數據都必須與其它車輛及周圍的基礎設施連續且實時地共享。

這將通過車聯萬物（V2X）通信系統來實現。V2X包括車對車（V2V）、車對基礎設施（V2I）、車對網絡（V2N）和車對行人（V2P）等多個層面的通信。

V2X基于5.9 GHz專用短距通信，專為快速移動的物體而設計。即使在非視線條件下，也可以建立可靠的無線電鏈路。這種可信鏈路使駕駛員能夠意識到前方的危險，從而減少潛在的汽車碰撞、死亡和傷害。

此外，V2X能夠預警即將發生的交通擁堵并建議替代路線，以此提升全球運輸效率并減少CO2排放，并帶來減少車輛維護的額外收益。

實現自主汽車的全部潛力相對復雜，因為V2X既可以是采用蜂窩技術創建直接通信鏈路的C-V2X（蜂窩車聯網），也可以是基于IEEE 802.11p標準的DSRC（專用短程通信），后者還曾一度是唯一可用的V2X技術。

不同的汽車制造商和國家/地區都在支持一種或另一種標準，但是都利用相同的頻譜來解決相同的問題，并且各標準間可以共存。

圖1. 車輛互聯技術

雙頻Wi-Fi 2.4G/5G

GPS/GNSS/北斗

4G/5G蜂窩連接

娛樂中心

攝像頭

eCall/OnStar

SiriusXM電臺

V2X（C-V2X和DSRC）

維護用蜂窩無線電系統

遠程無鑰匙進入

胎壓監測

2）了解連接技術

為了更好地理解實現信號共存的挑戰，我們必須研究與車輛連接性有關的技術及其功能（圖1）。 因為每種技術都有自身的特點，它們必須在不降低其它技術性能的情況下進行互動。

這些技術包括：

●   用于汽車安全的V2X（DSRC、C-V2X）： V2X將同車輛、路邊基礎設施以及整個環境進行通信，以提高安全性并為自動駕駛開辟道路。

●   面向車輛OEM服務的4G/5G云連接： 用于4G/5G連接的應用程序可以包括遠程診斷和監控汽車運行情況、進行空中下載軟件更新、執行遠程操作，以及操作共享自動駕駛車隊。

●   用于行車體驗的4G/5G云連接： 駕駛員和乘客都能夠使用這種連接來享受全新行車體驗，涵蓋從基于增強現實的導航，到后座娛樂與音樂流媒體服務。

●   打造卓越車內體驗和汽車經銷商服務的Wi-Fi： 駕駛員和乘客可以享受許多基于Wi-Fi的增強型車內體驗。例如，整個車輛的有效Wi-Fi連接可以支持將超高清（ultra-HD）視頻流傳輸至多個顯示器，并獲得兼容設備及無線倒車攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi還可以支持汽車經銷商服務，從而實現自動檢入、診斷數據傳輸和軟件更新。

●   藍牙： 駕駛員和乘客可通過藍牙傳輸高保真音樂，并從一些實用服務中受益，例如將智能手機用作遙控鑰匙。

●   SDARS（衛星數字音頻無線電服務）：借助與基于衛星的無線服務的連接，無論身在何處，車輛乘員都可以收聽到自己鐘愛的無線廣播節目。

圖2 V2X與5 GHz Wi-Fi共存

1   5G和LTE的共存挑戰

基于對各種技術功能/優勢的理解，我們可以更好地應對共存挑戰——特別是與5G和LTE的兼容性。

5G，即第五代蜂窩技術，可以提高數據速率，減少等待時間并增強無線服務的靈活性。5G頻譜分為Sub-6 GHz和毫米波。

Wi-Fi工作在2.4 GHz、5.2 GHz和5.6 GHz頻譜，并且2.4 GHz Wi-Fi必須與LTE B40和B41頻段共存。憑借更大的帶寬，能夠在5 GHz頻段中將更多信道捆綁在一起 ，因而5 GHz Wi-Fi可以獲得比2.4 GHz更高的數據速率。這意味著無線電設計師必須使用正確的濾波器產品——在相鄰頻段具備足夠的衰減以提供良好的接收器靈敏度——以充分利用更寬頻段所帶來的全部優勢。

當自動駕駛汽車中的乘客使用5.6 GHz熱點時會出現新的挑戰，即5.6 GHz Wi-Fi與V2X的共存問題（圖2）。擁有可靠V2X無線電鏈路的唯一方法是確保接收器的靈敏度降幅相對較低。這只有通過適當的濾波器方案才能實現，此類解決方案可為5.6 GHz Wi-Fi提供足夠的帶外衰減（圖3及圖4）。

圖3 QPQ2200Q與LTCC的比較：寬帶性能

2   高性能濾波——為何LTCC還不夠

越來越多的功能增加了汽車中不同無線電設備的數量，如今的1輛車上有多達5種無線電設備（即V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍牙、SDARS）。這意味著多個無線電收發器在彼此十分接近的不同頻段中工作。如果1個RF鏈的發射功率超過到達附近接收器信號的功率水平，則可能導致接收器靈敏度問題。

共存濾波器有助于減少這些“攻擊信號”帶來的干擾，其不僅會引發接收器靈敏度問題，還會導致不合規。但是，并非所有聲稱具有共存功能的過濾器都適合該工作。例如，圖3中的曲線比較了B47體聲波（BAW）濾波器和低溫共燒陶瓷（LTCC）寬帶濾波器的性能及系統影響。

頻率/MHz

LTCC僅過濾寬帶頻率。B47 BAW濾波器提供了與LTCC濾波器相似的插損，但還帶來了對5 GHz UNII 1-3頻段的高抑制性能。B47 BAW濾波器可以代替Tx/Rx路徑上的LTCC濾波器，也可以僅放置在Rx端。圖4顯示了LTCC濾波器如何對UNI-3頻段不產生抑制，以及在UNII-2和UNI-1頻段產生不良抑制。

圖4 QPQ2200Q與LTCC的比較：B47 BAW濾波器對5GHz UNII 1-3頻段的抑制

頻率/MHz

接下來，讓我們從系統和實現的角度來比較LTCC和B47 V2X共存過濾器。圖5比較了創建1 000 m V2X鏈路所需的V2X-Wi-Fi天線隔離。左圖顯示了一個V2X系統（TCU+有源天線），在發送路徑上只有1個LTCC濾波器，需要大于80 dB的天線隔離，這在實際應用中可能很難實現。右圖顯示了1個V2X系統，TCU中的B47 V2X共存濾波器和有源天線僅需15 dB的天線隔離度便可獲得1 000 m的V2X鏈路。如果設計/系統工程師能夠達到20 dB以上的天線隔離，他們可能只需要在有源天線中安裝1個V2X共存濾波器。除了車內Wi-Fi，在選擇濾波解決方案時還需要考慮另一個用例，即汽車是否具有內置Wi-Fi功能。也就是說，此時天線的隔離度由用手機建立Wi-Fi熱點的乘客決定。

圖5 V2X——實現可靠V2X鏈路所需的Wi-Fi天線隔離：QPQ2200Q B47 vs. LTCC

不采用BAW，Wi-Fi會創建IM3和壓縮

基于Rx IMD3和壓縮估算鏈路距離

鏈路距離（米）

天線耦合（dB）

壓縮（dB）

鏈路距離（米）

壓縮（dB）

無B47 BAW

LTCC濾波器需要Wi-Fi和V2X間大于80dB的天線隔離才能獲得1000米的鏈路

采用兩個BAW，可最大化鏈路距離

基于Rx IMD3和壓縮估算鏈路距離

鏈路距離（米）

天線耦合（dB）

壓縮（dB）

鏈路距離（米）

壓縮（dB）

在TCU和補償器中使用B47 BAW

如將B47 BAW放置于天線端口，則可移除LTCC

Qorvo的濾波器產品采用BAW專利技術；該技術經過優化以可滿足復雜的選擇性要求，標準封裝覆蓋從(1.5~6) GHz的范圍。例如，Qorvo QPQ2200Q濾波器為世界首款解決自動駕駛車輛V2X與5.6 GHz Wi-Fi間共存的濾波器。另一個示例是Qorvo QPQ2254Q 2.4 GHz Wi-Fi濾波器，設計用于實現與LTE B40和B41的共存。此類濾波器占板面積小于陶瓷濾波器，從而增加了設計靈活性。

然而，即使BAW帶通濾波器也不是解決V2X環境中共存問題的完整解決方案，我們還必須考慮陷波濾波器的重要作用。盡管上文所討論的帶通濾波器提供了足夠的帶外抑制性能，但Qorvo QPQ230Q陷波濾波器在5 GHz Wi-Fi路徑上的V2X頻段中對Rx頻段噪聲進行“陷波”處理，以防止Rx頻段噪聲耦合回V2X系統，并引起靈敏度下降，如系統計算器所示（圖6）。圖7表明，如果在5 GHz Wi-Fi路徑上不使用陷波濾波器，則V2X接收器將有高達18 dB的靈敏度降幅；相比之下，基于BAW技術優勢精心設計的陷波濾波器可達成幾乎為零的靈敏度降幅。

圖6 在5 GHz路徑上具有V2X陷波（QPQ2230Q）的Wi-Fi前端

可選專用BT天線

圖7 在有無QPQ2230Q陷波濾波器的不同情況下，Rx頻段的噪聲和靈敏度降幅

無陷波濾波器

V2X陷波抑制

外部寬帶噪聲引起信道中的靈敏度下降

-177.99信號

OOB干擾器

壓縮

靈敏度，dBm：

靈敏度降幅，dB

無抑制，靈敏度降幅約18dB

陷波濾波器，抑制能力30dB

V2X陷波抑制

外部寬帶噪聲引起信道中的靈敏度下降

-177.99信號

OOB干擾器

壓縮

靈敏度，dBm：

靈敏度降幅，dB

在30dB抑制下，靈敏度降幅幾乎為0dB

V2X需要與電子自動收費系統（ETC）共存，這是另一個需要特別注意的關鍵挑戰。其問題在于，ETC頻譜（歐洲為5 795~5 815 MHz，中國為5 790~5 800 MHz UL和5 830~5 840 MHz DL）太接近V2X頻譜（北美及歐洲為5 855~5 925 MHz，中國為5 905~5 925 MHz），如圖8所示。

圖8 全球ETC頻譜與V2X共存

ETC歐洲 20MHz

ETC中國UL 10MHz

ETC中國DL 10MHz

V2X北美及歐洲 70MHz

V2X中國 20MHz

解決此問題的1種方法是在V2X路徑上使用經過適當設計的濾波器對ETC頻譜進行陷波處理。讓我們看下歐洲的情況；圖9顯示了在V2X FEM輸入端使用和不使用陷波濾波器的頻譜發射掩碼比較。左圖中，PA輸出端發射的頻譜無法達到-65dBm/MHz的ETC規范要求。因此，除非在ETC無線電中或通過某些軟件緩解手段對其進行處理，否則V2X無法與ETC共存。如右圖所示，如果在V2X無線電中插入設計良好的陷波濾波器，則V2X可以與ETC共存。

圖9 歐洲：頻譜發射掩碼的比較——使用和不使用ETC陷波濾波器的情況

無濾波器

頻譜功率，dBm/100 kHz

頻率（MHz）

Tx驅動-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益30.2 dB

在PA輸入端使用陷波濾波器

頻譜功率，dBm/100 kHz

頻率（MHz）

Tx驅動-3.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益27.7 dB

現在，讓我們看看中國的頻譜狀況（圖10）。同樣，如左圖所示，除非在ETC無線電中解決這一問題，否則ETC無法與V2X共存。如果在V2X無線電中使用設計良好的濾波器，則符合-65 dBm/MHz的ETC規范裕度，如右圖所示。

表征高性能濾波器產品的兩個參數是諧振器質量，即品質因數（Q）和耦合因數（k2）。高Q是最小化插損的必要條件，而高k2則帶來更寬的帶寬。諧振器層面的技術進步有助于改善插損和高選擇性性能，在最高6 GHz的頻率下實現帶寬更寬的濾波器產品。

圖10 中國：頻譜發射掩碼的比較——使用和不使用ETC陷波濾波器的情況

無濾波器

頻率（MHz）

頻譜功率，dBm/100 kHz

Tx驅動-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益29.7 dB

在PA輸入端使用陷波濾波器

頻率（MHz）

頻譜功率，dBm/100 kHz

Tx驅動-0.5 dBm

噪音-145 dB m/Hz

（已標準化為Pout）

總增益29.7 dB

3 結論

高Q帶通和陷波濾波器的結合為自動駕駛汽車設計中的共存挑戰打造了最完整的解決方案。根據上文中所討論的數據，LTCC濾波器并不是真正的共存濾波器，在Wi-Fi和V2X相鄰的特殊行車環境中無法發揮作用。

作者簡介： Ali Bawangaonwal，營銷主管，擁有電氣工程背景，以及在技術領域近20年的行業經驗。獲得美國布拉德利大學（Bradley University）電子工程碩士學位和伊隆大學（Elon University）戰略MBA學位。作為RF前端半導體領域公認的專家，目前在5GAA作為Qorvo公司代表。

參考文獻：

[1] Qorvo RF濾波器產品[R/OL].

[2] 車聯網傻瓜書[R/OL].Qorvor.

[3] Qorvo BAW濾波器產品[R/OL].

（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第8期。）