汽車射頻通信系統詳解

2020-11-22 電子產品世界

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201706/347532.htm

今天的乘用車，特別是在美國，已成為行駛通信中心。一款典型的通用汽車(GM)包括AM、FM、衛星廣播、兩臺GPS接收機和蜂窩射頻。在乘客座位，還可 能有藍牙；另外，以後還會增加用於車輛與車輛和車輛與基礎設施間通信的DSRC(專用短程通信，5.9GHz)，也可能還有防碰撞雷達，不過這通常是一個 單獨系統。

用於所有這些設備的大多數電子電路都位於「中控臺」——司機和前排乘客間那塊安裝屏幕和主控旋鈕的區域。衛星廣播、GPS、AM/FM收音機和蜂窩信號都是從外部到達車內，並且必須由天線來捕捉這些信號，然後通過電纜耦合到電子電路。為不使汽車滿布天線(這與警車不同)，OEM(原始設備製造商)在開發包含多個天線和電路板的多功能模塊(內含100多個器部件)。圖1是個新近的例子。


圖1：左圖為通用的一款用於2011年款車型的「鯊魚鰭」天線。右圖為安裝在2013款GMC Yukon車上的鯊魚鰭天線。該天線模塊安裝在擋風玻璃的正上方。（資料來源：通用汽車）

圖1中的模塊包括GPS天線和低噪聲放大器(增 益>25dB，噪聲係數1dB——黑線)、XM衛星廣播天線和低噪聲放大器(黃褐色電纜)、以及蜂窩天線(藍線)。三條端接特殊SMB連接 器的同軸電纜安固在一個殼體上以簡化安裝。3插頭連接器與車輛內部的電纜組件配固在一起，它具有鎖定功能，以防止振動和溫度循環使這些連接器分開。整個同 軸電纜長度可達20英尺或以上。一般情況，該電纜類似RG-174。對於2.4GHz的衛星接收機和1.575GHZ的GPS天線，它會引入不小損耗。

在模塊中心，你可以看到一個頭螺栓和一個紅色夾子，它們是用來將模塊固定在車頂上的。電纜與安裝硬體共用一個安裝孔，安裝孔的直徑在20mm左右。因為目前如此多的車輛都採用在車頂安裝模塊的設計，所以，車頂上的這個孔成為任何進出車輛通信的「緊俏」要道。

還有整合了「短FM」天線的模塊。它們包括特殊的匹配網絡，以允許更短的天線也能與射頻饋路實現阻抗匹配，這些設計是完全針對特定車輛平臺的。圖2是用於2013年款雪佛蘭科魯茲的此類模塊的例子。


圖2：2013款雪佛蘭科魯茲RS-010，帶安裝在後擋風玻璃(離玻璃很近)上方的短FM天線模塊。(資料來源：通用汽車)

根據車輛和特徵，這些信號和用戶界面的整體架構可能與圖3類似。


圖3: 在2013左右上市的乘用車中，典型的車載通信架構。

在這種拓撲中，從車頂天線模塊到車內中控臺會需約60英尺同軸電纜，在天線附近採用FAKRA連接器，在接收器的後部，會有更多連接器。順便提示下：FAKRA連接器是SMB連接器的特殊版本，並已經發展成汽車內射頻連接的標準。該連接器外殼具有多種顏色，根據用途這些顏色業已標準化。例如：藍色是GPS；咖喱黃色是衛星廣播。每種顏色都有獨特卡銷，所以不會出現錯誤連接。

這些汽車通信系統中 的大部分組件是由所謂的一級(Tier 1)供應商設計和製造並提供給OEM的。我與Ayman Duzdar博士進行了交談，博士是Laird Technologies(萊爾德科技)的信息通信事業部全球工程總監，萊爾德是領先的一級通信方案提供商，它為美國和歐洲市場提供服務。Duzdar博 士同意與我分享了一些我們可能幾年後才會看到的進展。萊爾德已經在開發用於預計於2015至2019年上市的車型的設計，現在研發的新技術可能不會出現在 近幾年面世的量產車上。Duzdar博士解釋說，他們正在探索如何減少同軸電纜的用量，且同時增加連接功能，以使車頂安裝單元更加模塊化。圖4是種可能的 建構。


圖4：未來的連接的汽車的一種可能架構。WiFi、GPS和4G接收機都被移至車頂模塊，然後通過乙太網電纜連接到主機。

萊爾德信息通信事業部負責M2M業務的部門主管Jim Ciccarelli告訴我，他們也將DSRC納入規劃，DSRC將在車輛(車輛與車輛，或V2V)之間，以及車輛與固定基礎設施(V2I)之間使用射頻通信，以增加諸如防撞、路由、提供實時交通信息等安全特性。

由於車頂是V2V的理想位置，因此，需在模塊中增加另一個天線和射頻。 DSRC將利用約5.9GHz的射頻頻譜，若使用同軸電纜實現從車頂天線到車內主機的信號饋送，則損耗可高達18dB，而眼下約為10dB，這使得新架構 更有優勢。比較圖3和圖4可以看到：中控臺的電子電路可以更簡單，且可顯著減少車內所用的同軸電纜和RF連接器的數量。

萊爾德已開發出包含3G、WiFi(2.4GHz和5.8GHz頻段)、藍牙和GPS接收器/收發器的工作原型模塊。未來的迭代將移至4G/LTE、甚或DSRC。圖5是新模塊示例。


圖 5：萊爾德科技未來的連接模塊原型。右上方是GPS貼片天線，它整合了蜂窩/WiFi/藍牙天線組合組件。PCB(反過來顯示背面)上的左邊部分是3G模 塊；PCB上的其它部分用於藍牙和WiFi。注意：機殼是壓鑄的，可用作電子電路的屏蔽盒，機殼還具有可改善隔離的隔腔。



雖然這是個早期例子，但Duzdar博士談到了：使用WiFi下載娛樂內容的能力；支持WiFi為蜂窩連接「分擔」的可能性；在駕駛時，為後座乘客提供無線 數據功能的前景。想像一下，在未來幾年，車內後座上的你家公子/公主能使用平板電腦連接到你的私人熱點，並使用4G聯網通信。

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