汽車射頻通信系統(tǒng)詳解

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(wèi)星廣播、兩臺GPS接收機(jī)和蜂窩射頻。在乘客座位，還可 能有藍(lán)牙；另外，以后還會增加用于車輛與車輛和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間通信的DSRC(專用短程通信，5.9GHz)，也可能還有防碰撞雷達(dá)，不過這通常是一個 單獨(dú)系統(tǒng)。

用于所有這些設(shè)備的大多數(shù)電子電路都位于“中控臺”——司機(jī)和前排乘客間那塊安裝屏幕和主控旋鈕的區(qū)域。衛(wèi)星廣播、GPS、AM/FM收音機(jī)和蜂窩信號都是從外部到達(dá)車內(nèi)，并且必須由天線來捕捉這些信號，然后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(shè)備制造商)在開發(fā)包含多個天線和電路板的多功能模塊(內(nèi)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于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(fēng)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，噪聲系數(shù)1dB——黑線)、XM衛(wèi)星廣播天線和低噪聲放大器(黃褐色電纜)、以及蜂窩天線(藍(lán)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(nèi)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(huán)使這些連接器分開。整個同 軸電纜長度可達(dá)20英尺或以上。一般情況，該電纜類似RG-174。對于2.4GHz的衛(wèi)星接收機(jī)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。電纜與安裝硬件共用一個安裝孔，安裝孔的直徑在20mm左右。因為目前如此多的車輛都采用在車頂安裝模塊的設(shè)計，所以，車頂上的這個孔成為任何進(jìn)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(wǎng)絡(luò)，以允許更短的天線也能與射頻饋路實現(xiàn)阻抗匹配，這些設(shè)計是完全針對特定車輛平臺的。圖2是用于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，帶安裝在后擋風(fēng)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(jù)車輛和特征，這些信號和用戶界面的整體架構(gòu)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(gòu)。

在這種拓?fù)渲?，從車頂天線模塊到車內(nèi)中控臺會需約60英尺同軸電纜，在天線附近采用FAKRA連接器，在接收器的后部，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，并已經(jīng)發(fā)展成汽車內(nèi)射頻連接的標(biāo)準(zhǔn)。該連接器外殼具有多種顏色，根據(jù)用途這些顏色業(yè)已標(biāo)準(zhǔn)化。例如：藍(lán)色是GPS；咖喱黃色是衛(wèi)星廣播。每種顏色都有獨(dú)特卡銷，所以不會出現(xiàn)錯誤連接。

這些汽車通信系統(tǒng)中 的大部分組件是由所謂的一級(Tier 1)供應(yīng)商設(shè)計和制造并提供給OEM的。我與Ayman Duzdar博士進(jìn)行了交談，博士是Laird Technologies(萊爾德科技)的信息通信事業(yè)部全球工程總監(jiān)，萊爾德是領(lǐng)先的一級通信方案提供商，它為美國和歐洲市場提供服務(wù)。Duzdar博 士同意與我分享了一些我們可能幾年后才會看到的進(jìn)展。萊爾德已經(jīng)在開發(fā)用于預(yù)計于2015至2019年上市的車型的設(shè)計，現(xiàn)在研發(fā)的新技術(shù)可能不會出現(xiàn)在 近幾年面世的量產(chǎn)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(gòu)。

圖4：未來的連接的汽車的一種可能架構(gòu)。WiFi、GPS和4G接收機(jī)都被移至車頂模塊，然后通過以太網(wǎng)電纜連接到主機(jī)。

萊爾德信息通信事業(yè)部負(fù)責(zé)M2M業(yè)務(wù)的部門主管Jim Ciccarelli告訴我，他們也將DSRC納入規(guī)劃，DSRC將在車輛(車輛與車輛，或V2V)之間，以及車輛與固定基礎(chǔ)設(shè)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。

由于車頂是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(xiàn)從車頂天線到車內(nèi)主機(jī)的信號饋送，則損耗可高達(dá)18dB，而眼下約為10dB，這使得新架構(gòu) 更有優(yōu)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(nèi)所用的同軸電纜和RF連接器的數(shù)量。

萊爾德已開發(fā)出包含3G、WiFi(2.4GHz和5.8GHz頻段)、藍(lán)牙和GPS接收器/收發(fā)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(lán)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上的其它部分用于藍(lán)牙和WiFi。注意：機(jī)殼是壓鑄的，可用作電子電路的屏蔽盒，機(jī)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(nèi)容的能力；支持WiFi為蜂窩連接“分擔(dān)”的可能性；在駕駛時，為后座乘客提供無線 數(shù)據(jù)功能的前景。想象一下，在未來幾年，車內(nèi)后座上的你家公子/公主能使用平板電腦連接到你的私人熱點(diǎn)，并使用4G聯(lián)網(wǎng)通信。