如何化解与 V2X 相关的频谱挑战

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。

图 9：欧洲：频谱泄露模板进行比较— 使用和不使用 ETC 陷波滤波器。

现在，我们来看看中国的频谱状况（图 10）。从左图中我们可以看出，ETC 无法与 V2X 共存，除非在 ETC 无线电中解决了这个问题。右图显示了在 V2X 无线电中使用精心设计的滤波器时，符合 ETC 规格要求 (-65dBm/MHz) 且裕量充足。

图 10：中国：频谱发射屏蔽进行比较— 使用和不使用 ETC 陷波滤波器。

表征高性能滤波器产品的两个参数是谐振器质量，即品质因数 (Q) 和耦合因数 (k2)。最大限度减少插入损耗需要高 Q 值，而高 k2 支持更宽的带宽。谐振器层面的技术进步有助于改善插入损耗和选择性性能，使带宽更宽的滤波器产品可以在高达 6GHz 的频率条件下运行。

结论

高 Q 带通滤波器和陷波器组合可为自动驾驶汽车设计中的共存挑战提供最完整的解决方案。根据上面讨论的数据，LTCC 滤波器并不是真正的共存滤波器，在 Wi-Fi 和 V2X 彼此相邻的独特汽车环境中根本不起作用。

通过使用先进的 BAW 带通滤波器和陷波滤波器解决方案，可实现车联网频谱上所有技术的无缝共存，从而确保我们日益壮大的移动世界更加安全可靠，更具有生活乐趣。