【導讀】Wi-Fi 和 5G 是促進無人駕駛汽車發展的推動因素。頻譜干擾會對車輛駕駛和乘客安全造成不利影響，因此這些技術的協同工作和共存方式仍是個挑戰。本文討論支持車輛連接的技術，以及高選擇性濾波器解決方案如何應對 V2X 與 Wi-Fi 共存挑戰，以實現車輛通信。
Wi-Fi 和 5G 是促進無人駕駛汽車發展的推動因素。頻譜干擾會對車輛駕駛和乘客安全造成不利影響，因此這些技術的協同工作和共存方式仍是個挑戰。本文討論支持車輛連接的技術，以及高選擇性濾波器解決方案如何應對 V2X 與 Wi-Fi 共存挑戰，以實現車輛通信。
車輛連接的基礎
為了讓真正的無人駕駛汽車在無人干預的情況下導航，必須與其他車輛和周圍基礎設施持續實時共享所有類型的數據。
這將通過車對萬物 (V2X) 通信系統實現。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) 通信。
V2X 以 5.9GHz 專用短距離通信技術為基礎，適用于快速移動物體。即使在非視線條件下，它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出現危險狀況，從而減少潛在的汽車碰撞和傷亡事故。
此外，通過發出即將出現交通擁堵的警告并提供可選路線建議，V2X 可提高全球運輸效率，并減少二氧化碳排放量，同時還可以降低車輛維護需求。
由于 V2X 可以是 C-V2X（基于蜂窩技術的車對萬物），即采用蜂窩技術創建直接通信鏈路，也可以是 DSRC（專用短距通信），即以 IEEE 802.11p 標準為基礎，并且曾經是唯一可用的 V2X 技術，所以實現無人駕駛汽車的全部潛力比較復雜。
然而，不同汽車制造商和國家/地區支持一種或另一種標準，然而，可以使用相同頻譜來解決同一問題，且可以共存。
了解連接技術
為了更好地了解共存挑戰，我們必須了解車輛連接中涉及的技術及其功能（圖 1）。因為每種技術有其自己的特性，所以它們能夠交互且不會降低其他技術的性能。
圖 1：車輛連接技術
這些技術包括：
用于汽車安全的 V2X（DSRC 和 C-V2X）：V2X 將與車輛、路邊基礎設施和整體環境進行通信，以提高安全性，并創建一條自動駕駛路徑。
適用于車輛 OEM 服務的 4G/5G 云連接：4G/5G 連接應用可包括遠程診斷和監控汽車運行、進行空中軟件更新、執行遠程操作以及操控共享的自動駕駛車隊。
可帶來 4G/5G 云連接的車內體驗：駕駛員和乘客可以使用這種連接來享受全新的車內體驗，包括基于增強現實的導航、后座娛樂系統以及音樂流媒體服務等。
可提供優質車內體驗和汽車經銷商服務的 Wi-Fi：駕駛員和乘客可享受許多基于 Wi-Fi 的增強車內體驗。例如：整輛車的高效 Wi-Fi 連接可支持將超高清 (UHD) 視頻流傳輸至多個顯示屏，并支持兼容設備和無線備用攝像頭的屏幕鏡像。Wi-Fi 還可以支持汽車經銷商服務，實現自動登記、診斷數據傳輸和軟件更新。
Bluetooth?：駕駛員和乘客可通過藍牙播放高保真音樂，還可以享受一些實用服務，如將智能手機用作遙控鑰匙。
SDARS（衛星數字音頻廣播服務）：通過與基于衛星的無線電服務相連接，無論車輛使用者在哪里，都可以連接到喜愛的無線電廣播。
5G 和 LTE 的共存挑戰
通過了解各種技術的功能/優勢，我們可以更好地了解共存挑戰，尤其是與 5G 和 LTE 的兼容性。
5G（第五代蜂窩技術）可提高數據速率，減少延遲并提高無線服務的靈活性。5G 頻譜分為 6 GHz 以下頻譜和毫米波。
Wi-Fi 在 2.4GHz、5.2GHz 和 5.6GHz 頻譜下運行，且 2.4GHz Wi-Fi 必須與 LTE B40 和 B41 頻段共存。5GHz Wi-Fi 的數據速率高于 2.4GHz，這是因為 5GHz 頻段的帶寬更大，可以將更多信道捆綁在一起。這意味著射頻工程師必須使用正確的濾波器產品（即在相鄰頻段中具有足夠衰減性能，實現好的接收靈敏度），從而充分利用更寬的頻段。
圖 2：V2X 與 5GHz Wi-Fi 共存
當自動駕駛汽車中的乘客使用 5.6GHz 熱點時，5.6GHz Wi-Fi 與 V2X（圖 2）的共存就成為另一個挑戰。實現可靠 V2X 無線電鏈路的唯一方式就是確保相對低的接收器靈敏度劣化。只有使用在 5.6GHz Wi-Fi 提供足夠帶外衰減的適當濾波器解決方案，才有可能實現這一目標（圖 3 和圖 4）。
高性能濾波解決方案——為什么 LTCC 不足夠
越來越多的功能陣列增加了汽車中不同無線電的數量，如今，一輛汽車擁有多達 5 個無線電（即 V2X、4G/5G、Wi-Fi、藍牙、SDARS）。這意味著多個無線電收發器彼此靠近，在不同頻段中運行。如果一個 RF 鏈的發射功率超過附近接收器接收的信號功率水平，則會產生接收器靈敏度問題。
共存濾波器有助于減少這些 “干擾信號” 產生的干擾，從而避免接收器靈敏度問題和不符合法規的問題。然而，并非所有聲稱具有共存功能的濾波器都適合該應用。例如：圖 3 比較了 B47 體聲波 (BAW) 濾波器和低溫共燒陶瓷 (LTCC) 寬帶濾波器的性能和系統影響。
圖 3：QPQ2200Q 與 LTCC 進行比較：寬頻性能。
……如今，一輛汽車擁有多達 5 個無線電……
LTCC 只能過濾寬帶頻率。B47 BAW 濾波器具有與 LTCC 濾波器類似的插入損耗，但具有較高的 5GHz UNII 1-3 頻段抑制性能。B47 BAW 濾波器可在 Tx/Rx 路徑中取代 LTCC 濾波器，或只放置在 Rx 側。圖 4 說明了LTCC 濾波器如何不抑制 UNI-3 頻段，以及如何對 UNII-2 和 UNI-1 頻段提供較差的抑制度。
圖 4：QPQ2200Q 與 LTCC 進行比較：B47 BAW 濾波器可抑制 5GHz UNII 1-3 頻段
接下來，我們從系統和實現角度來比較 LTCC 與 B47 V2X 共存濾波器。圖 5 比較了實現 1,000 米 V2X 鏈路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天線隔離。左圖顯示的 V2X 系統（TCU + 有源天線）在 Tx 路徑上只有一個 LTCC 濾波器，此時要求大于 80dB 的天線隔離，這在實踐中可能比較難以實現。右圖顯示的 V2X 系統在 TCU 中有一個 B47 V2X 共存濾波器，實現 1,000 米 V2X 鏈路，只需要 15dB 天線隔離的有源天線。如果設計/系統工程師能夠實現超過 20dB 的天線隔離，那么他們可能只需要在有源天線中安裝一個 V2X 共存濾波器。除了車內 Wi-Fi，在決定濾波器解決方案時還需要考慮另一個使用案例，即車輛是否具有新引入的 Wi-Fi 功能。也就是說，天線隔離由乘客使用的手機 Wi-Fi 熱點決定。
圖 5：實現可靠 V2X 鏈路所需的 V2X 和 Wi-Fi 天線隔離：QPQ2200Q B47 與 LTCC 進行比較。
Qorvo 的濾波器產品采用已獲專利的 BAW 技術，經過優化可滿足復雜的選擇性要求，標準頻率范圍為 1.5GHz 至 6GHz。例如：Qorvo QPQ2200Q 濾波器是全球首款解決自動駕駛汽車中 V2X 和 5.6GHz Wi-Fi 共存問題的濾波器。另一個示例是 Qorvo QPQ2254Q 2.4GHz Wi-Fi 濾波器，其設計支持 Wi-Fi 2.4G 與 LTE B40 和 B41 同時共存。這些濾波器的尺寸比陶瓷濾波器更小，從而提高了設計靈活性。
然而，即使是 BAW 帶通濾波器也不能完全解決 V2X 環境中的共存問題。我們還必須考慮陷波濾波器所發揮的重要作用。上文討論的帶通濾波器可提供足夠的帶外抑制，而 Qorvo 的 QPQ2230Q 陷波濾波器可 “消除” 5GHz Wi-Fi 路徑在 V2X 的 Rx 頻段產生的噪聲，從而防止 Rx 頻段噪聲耦合到 V2X 系統中，導致靈敏度劣化問題，如系統計算器（圖 6）中所示。圖 7 顯示，如果 5GHz Wi-Fi 路徑上未使用陷波濾波器，V2X 接收器中會出現高達 18dB 的靈敏度劣化，而采用 BAW 技術優勢且精心設計的陷波濾波器，其靈敏度劣化幾乎為零。
圖 6：5GHz 路徑上帶有 V2X 陷波濾波器 (QPQ2230Q) 的 Wi-Fi 前端。
圖 7：使用和不使用 QPQ2230Q 陷波濾波器時的 Rx 頻段噪聲和靈敏度劣化。
另一個需要高度重視的關鍵挑戰就是，V2X 需要與電子收費 (ETC) 共存。此時的問題在于，ETC 頻譜（歐洲為 5795-5815MHz，中國為 5790-5800MHz UL，5830-5840MHz DL）過于接近 V2X 頻譜（北美和歐洲為 5855-5925MHz，中國為 5905-5925MHz），如圖 8 中所示。
圖 8：全球 ETC 頻譜與 V2X 共存。
解決這個問題的一種方法就是在 V2X 路徑上使用設計合理的濾波器來剔除 ETC 頻譜。讓我們來了解一下歐洲的情況。圖 9 比較了在 V2X FEM 輸入端使用和不使用陷波濾波器的頻譜泄露。左圖顯示 PA 輸出端的頻譜泄露無法通過 ETC 規格要求 (-65dBm/MHz)，因此 V2X 無法與 ETC 共存，除非在 ETC 無線電中，或者通過一些軟件規避的方法解決了這個問題。右圖顯示，如果在 V2X 無線電中插入了精心設計的陷波濾波器，則 V2X 可以與 ETC 共存。
圖 9：歐洲：頻譜泄露模板進行比較— 使用和不使用 ETC 陷波濾波器。
現在，我們來看看中國的頻譜狀況（圖 10）。從左圖中我們可以看出，ETC 無法與 V2X 共存，除非在 ETC 無線電中解決了這個問題。右圖顯示了在 V2X 無線電中使用精心設計的濾波器時，符合 ETC 規格要求 (-65dBm/MHz) 且裕量充足。
圖 10：中國：頻譜發射屏蔽進行比較— 使用和不使用 ETC 陷波濾波器。
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)。最大限度減少插入損耗需要高 Q 值，而高 k2 支持更寬的帶寬。諧振器層面的技術進步有助于改善插入損耗和選擇性性能，使帶寬更寬的濾波器產品可以在高達 6GHz 的頻率條件下運行。
結論
高 Q 帶通濾波器和陷波器組合可為自動駕駛汽車設計中的共存挑戰提供最完整的解決方案。根據上面討論的數據，LTCC 濾波器并不是真正的共存濾波器，在 Wi-Fi 和 V2X 彼此相鄰的獨特汽車環境中根本不起作用。
通過使用先進的 BAW 帶通濾波器和陷波濾波器解決方案，可實現車聯網頻譜上所有技術的無縫共存，從而確保我們日益壯大的移動世界更加安全可靠，更具有生活樂趣。
（來源： Qorvo半導體，作者 Ali Bawangaonwala, Qorvo 高級營銷經理）
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