車用無線連接有哪些技術(shù)？車用射頻前端芯片有哪些特殊要求？

近年來，智能汽車市場整體爆發(fā)式增長，根據(jù)統(tǒng)計和預(yù)測，2020年全球電動汽車出貨量為310萬輛，到2030年將達到3,300萬輛，接下來10年產(chǎn)生大于10倍的出貨增長。

圖：對于電動汽車的統(tǒng)計和預(yù)測[1]

無線通訊產(chǎn)業(yè)在最近幾年同樣經(jīng)歷快速發(fā)展，尤其作為新基建的4G、5G通信系統(tǒng)，短短幾年在全球快速部署，幫助各行各業(yè)實現(xiàn)無線智能互聯(lián)，提高工作效率和成績。

由以上兩大行業(yè)作為市場和技術(shù)基礎(chǔ)，車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)運而生。

車聯(lián)網(wǎng)可以幫助汽車實現(xiàn)重要智能功能，根據(jù)資料統(tǒng)計[2]，車聯(lián)網(wǎng)可以分階段實現(xiàn)以下功能：

第一階段：智能化、娛樂化。 包括：上網(wǎng)、聽歌、視頻等（現(xiàn)階段）；

第二階段：輔助駕駛。 可以理解為應(yīng)急剎車、輔助停車等；

第三階段：特定場景無人駕駛。 比如在貨場使用無人駕駛，或者有固定路線的無人駕駛。考慮到安全因素，還未將無人駕駛技術(shù)在所有場景中全部實施；

第四階段：完全無人駕駛（最終目標）。

在車聯(lián)網(wǎng)中，需要用到的最重要技術(shù)之一就是車載無線通訊技術(shù)。車用無線連接有哪些技術(shù)？車用射頻前端芯片有哪些特殊要求？帶著以上問題，本文對車用射頻前端芯片做一個討論。

01

汽車無線通訊方案

用于汽車無線連接的通信技術(shù)主要有蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)、V2X（車聯(lián)網(wǎng)）技術(shù)。以下將對這幾種不同技術(shù)展開討論。

蜂窩網(wǎng)絡(luò)（Cellular）技術(shù)

蜂窩網(wǎng)絡(luò)又稱移動網(wǎng)絡(luò)，由于構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)覆蓋的各通信基地臺的信號覆蓋呈六邊形，從而使整個網(wǎng)絡(luò)像一個蜂窩而得名。大家所熟悉的手機就是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的典型終端設(shè)備。

從網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上層應(yīng)用來看，汽車蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和手機蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是完全一樣的，也包括了2G、3G、4G、5G網(wǎng)絡(luò)。采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接的汽車一般是采用蜂窩物聯(lián)網(wǎng)模塊，將汽車與蜂窩基站相連。

出于成本和整體產(chǎn)業(yè)鏈的成熟度的考慮，大多數(shù)中低端汽車會直接應(yīng)用普通消費級物聯(lián)網(wǎng)模塊進行實現(xiàn)（射頻前端方案也套用消費級器件）。

? 無線局域網(wǎng)（WLAN）技術(shù)

車載WLAN主要是作為連接熱點來應(yīng)用，和無線路由器及CPE功能一致。一般也包括2.4G和5G兩個頻段，同樣也包括IEEE 802.11b/g/a/n/ac/ax的應(yīng)用，或許將來也會有Wi-Fi 6E，Wi-Fi7和802.11ad的應(yīng)用。

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）

GNSS的全稱是Global Navigation Satellite System，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的統(tǒng)稱，包含GPS、GLONASS、Galileo、Beidou等衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)。衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)也是一種無線通訊技術(shù)。

主要的GNSS技術(shù)及頻段劃分如下表所示，高精度的導(dǎo)航定位系統(tǒng)是車載系統(tǒng)尤其對于無人駕駛汽車是關(guān)鍵技術(shù)。

表：?GNSS系統(tǒng)及主要頻段劃分?

V2X車聯(lián)網(wǎng)

V2X是Vehicle To Everything的縮寫，是指汽車與外部的所有信息連接。如果說，蜂窩通信技術(shù)、無線局域網(wǎng)技術(shù)以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星技術(shù)是汽車“借用”過來的無線通訊技術(shù)，那V2X就是專門為車聯(lián)網(wǎng)打造的通訊技術(shù)。

V2X是多種場景的統(tǒng)稱，包含比如V2I（Vehicle to infrastructure）、V2N（Vehicle to network）、V2V（Vehicle to vehicle）以及V2P（Vehicle to pedestrian）等。V2X概念最早于1970年被提出，目的是為了解決行車的安全問題，經(jīng)過幾十年發(fā)展，現(xiàn)在V2X有了更遠大的目標：實現(xiàn)無人駕駛。進入2020年后，各大市場都在評估或者部署相關(guān)系統(tǒng)。從5GAA（5G Automotive Association，5G汽車聯(lián)盟）給出的白皮書及各大市場的動作來看，2020年代是V2X大發(fā)展時代[2]。

V2X主要有兩大技術(shù)標準：分別是IEEE所倡導(dǎo)的DSRC和3GPP所倡導(dǎo)的C-V2X。目前應(yīng)用中C-V2X有較大的技術(shù)和市場優(yōu)勢，后面主要針對3GPP C-V2X系統(tǒng)做相關(guān)討論。

02

C-V2X及射頻前端方案

V2X及其兩大分支簡介

從現(xiàn)階段行業(yè)分布來看，V2X主要有兩大技術(shù)方向，分別為DSRC及C-V2X，這兩大方向主要是由技術(shù)傳承及市場潛力來導(dǎo)向的。

DSRC以歐洲市場為主，該系統(tǒng)是將IEEE802.11作為技術(shù)基礎(chǔ)，可以理解為和Wi-Fi是一個系統(tǒng)；C-V2X以中國和美國市場為主，該系統(tǒng)是將3GPP及其演進作為技術(shù)延申，可以理解為和LTE、NR是同一個系統(tǒng)，3GPP組織也在主導(dǎo)促成統(tǒng)一標準。

V2X的兩種系統(tǒng)簡介：

DSRC

DSRC被定義為IEEE 802.11p，將IEEE 802.11作為技術(shù)基礎(chǔ)，和Wi-Fi（IEEE 802.11 b/g/a/n/ac/ax）同出一脈，主要市場在歐洲及其它一些小國家，美國已于2020年底從DSRC切換到C-V2X發(fā)展方向。 DSRC最初由通用、福特、豐田、本田等車企推動，可支持車與車、車與路之間的直接通信，此后歐洲和日本等國家也都提出了各自的標準和專用頻段。

DSRC技術(shù)的優(yōu)勢在于可靠性高、傳輸實時性強，弱點在于通信距離優(yōu)勢不明顯且只能在V2V工作模式下有優(yōu)勢。因此，如果僅通過DSRC實現(xiàn)無人駕駛技術(shù)與車聯(lián)網(wǎng)通信，那么就需要針對路邊設(shè)施進行大規(guī)模經(jīng)濟投入，而這將限制DSRC的商業(yè)化。

C-V2X

C-V2X是基于 3GPP體系并進行延申，主要有中國、美國兩大市場。 C-V2X最初由大唐、華為等設(shè)備商推出，3GPP協(xié)議針對V2X的通信需求定義了兩種通信方式：集中式（Uu）與分布式（PC5）。

集中式也稱為蜂窩式（Cellular-based），需要基站作為控制中心，車輛與基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）、車輛與其他車輛（V2V）、車與人（V2P）之間需要通過將數(shù)據(jù)在基站上進行中轉(zhuǎn)來實現(xiàn)通信；分布式也稱為直通式，無需基站作為支撐，讓終端之間實現(xiàn)V2X通信。 C-V2X可以將直通模式和蜂窩模式融為一體，相較于DSRC，具有顯著的性能優(yōu)勢和市場前景，且現(xiàn)在已經(jīng)演進到5G（NR）階段。

C-V2X頻譜資源及市場分布

由于C-V2X技術(shù)及產(chǎn)業(yè)近幾年剛剛起步，很多國家和市場都處于中立態(tài)度去評估發(fā)展DSRC還是C-V2X，且頻譜劃分也沒有最終分配完成。

目前，3GPP 36系列（LTE）定義的C-V2X頻段只B47，B47主要是幾個大市場（中國、日本、美國等）分配的頻段，頻率范圍為5.855-5.925GHz。B46D雖然目前3GPP還未做定義，但是該頻段或許未來也會覆蓋全球大部分市場，B46D頻率范圍為5.725-5.825GHz；3GPP 38系列（NR）定義的C-V2X頻段為n38和n47，n38是用于特定業(yè)務(wù)，n47的頻率范圍和主要目標市場同B47是一致的。

現(xiàn)階段，中美兩大市場都明確了發(fā)展方向為C-V2X，具體頻譜資源暫定為：

USA：5.850-5.925GHz共30MHz頻譜資源，released in 2020 [3]

China：5.905-5.925GHz, released in Nov, 2018 [3]

Japan：5.850-5.925GHz [4]

注：Wi-Fi 6E的頻率范圍為：5.925-7.125GHz.

C-V2X期望發(fā)展路標圖

結(jié)合如下圖C-V2X的Roadmap[2]，可以將C-V2X的設(shè)計規(guī)劃及商業(yè)應(yīng)用分為以下四個主要階段：

階段一：直到2020年，市場起步；

階段二：到2022年，輔助駕駛；

階段三：到2025年，無人駕駛階段1（特定場景）；

階段四：2025年以后，無人駕駛階段2（完全無人駕駛）。

圖： 5GAA發(fā)展路標圖

C-V2X 終端平臺信息

4G C-V2X平臺

QCOM MDM9150 4G C-V2X platform, released in Sept, 2017, CS in 2H,2018；

Huawei Balong765 4.5G platform including C-V2X, released in Feb,2018；

Autotalks V2X platform；

5G C-V2X平臺

Huawei Balong5000 5G platform including C-V2X, released in Jan, 2019；

QCOM SA515M 5G platform including C-V2X, released in 2020；

MTK C-V2X platform, is not released yet.

V2X 典型射頻前端方案

下圖為一些現(xiàn)在已經(jīng)商用的V2X射頻前端方案：

SKYA21043（基于IEEE 802.11p）：支持DSRC系統(tǒng)，是Autotalks平臺的參考設(shè)計；

QPF1002Q（基于3GPP）：PA兩級增益，支持C-V2X系統(tǒng)，是QCOM 4G平臺MDM9150和5G平臺SA515M的參考設(shè)計。

圖：DSRC和C-V2X射頻前端方案

03

汽車電子及車規(guī)射頻前端芯片

汽車行業(yè)供應(yīng)鏈層級 汽車行業(yè)對上下游廠商的稱謂和消費電子市場有一些差異，一般稱為： ?

圖：汽車行業(yè)供應(yīng)鏈層級

需要說明的是：由于現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)鏈的橫向和縱向的大量擴展，很多廠商都同時擔(dān)任Tier1和Tier2的角色，如Gosuncn、Neoway等。和手機行業(yè)芯片供應(yīng)商直接對接OEM（vivo、OPPO、小米等）不同，在汽車行業(yè)射頻芯片供應(yīng)商一般很少接觸OEM，而是對接Tier1或者Tier2的通訊模組廠商。

車規(guī)芯片特點及要求

由于工作環(huán)境和汽車系統(tǒng)高安全性的應(yīng)用場景，車規(guī)級芯片需至少滿足以下要求：

高可靠性；

高安全性；

零故障率；

高量產(chǎn)一致性；

長供貨期（預(yù)期5~7年，甚至10年以上）；

長使用壽命（約15年）。

車規(guī)芯片設(shè)計、生產(chǎn)、認證標準

由于車規(guī)芯片的特殊應(yīng)用要求，車規(guī)芯片設(shè)計、生產(chǎn)、及可靠性認證都需要參考特定標準。車規(guī)芯片設(shè)計、生產(chǎn)的主要規(guī)范如下表：

表：車規(guī)芯片設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)范

有關(guān)AEC-Q認證

AEC-Q 系列認證是公認的車規(guī)元器件通用測試標準?？巳R斯勒、福特和通用汽車為建立一套通用的零件資質(zhì)及質(zhì)量體系標準而設(shè)立了汽車電子協(xié)會（AEC）。AEC-Q 系列認證雖然不是強制性的認證制度，但目前已成為整個汽車電子行業(yè)公認的車規(guī)器件通用測試標準。芯片企業(yè)需以產(chǎn)品分類選擇對應(yīng)的AEC-Q標準：

AEC-Q100：IC芯片，包含無線通訊平臺芯片組（AP/Modem/XCVR/PMIC …），射頻前端器件（PA/LNA/Switch…）等有源器件；

AEC-Q101：半導(dǎo)體分立器件，最常見就是二極管/MOS管等；

AEC-Q102：光電器件，如LED。和射頻前端產(chǎn)品關(guān)系不大；

AEC-Q103：傳感器，如測試胎壓。和射頻前端產(chǎn)品關(guān)系不大；

AEC-Q104：MCM，和射頻前端產(chǎn)品關(guān)系密切，如PAMiD/PAMiF/L-FEM等；

AEC-Q200：無源（passive，被動）器件，例如Filter/DPX/QPX等。

具體的操作指南文檔：

AEC-Q001 Guidelines for Part Average Testing

AEC-Q002 Guidelines for Statistical Yield Analysis

AEC-Q003 Guidelines for Characterizing the Electrical Performance

AEC-Q004 Zero Defects Guideline (DRAFT)

AEC-Q005 Pb-Free Requirements

SAE J1752/3 Integrated Circuits Radiated Emissions MeasurementProcedure

?AEC-Q100認證?

AEC-Q100文檔定義了AEC-Q100認證涵蓋的內(nèi)容是IC芯片。對于無線通訊及射頻前端行業(yè)來說，包含無線通訊平臺芯片組（AP/Modem/XCVR/PMIC …），PA/LNA/Switch等有源器件。

AEC-Q100文檔的最新版本：AEC-Q100 Ver. H 版本，release date：Sept 11, 2014。

AEC-Q100文檔H版本相較于G版本，重新定義了溫度范圍，包括以下四組。所有測試都是基于器件廠商提供的溫度范圍（From Datasheet）來進行測試的。一般車規(guī)通訊模組的要求是Grade3，要求高的需要支持到Grade2。根據(jù)溝通及了解，這幾個溫度范圍主要適用于以下場景，如下表。

表：AEC-Q100文檔規(guī)定的溫度范圍

?AEC-Q100 認證流程? ?

AEC-Q100認證包括A、B、C、D、E、F、G七大類，40多項測試，具體參考下圖。除了G組關(guān)系不大之外，其余六類都和射頻前端器件強相關(guān)。

由于篇幅有限，截取具有代表性的下圖做以說明，其中基本射頻指標是射頻前端器件的基礎(chǔ)，劃分到E組電氣特性中。G組是特殊封裝完整性測試，和射頻前端器件關(guān)系不大。詳細信息可以直接閱覽AEC-Q100原文。

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圖：AEC-Q100 認證流程

車規(guī)電子和消費電子的差異

車規(guī)電子和消費電子的差異如下：

車規(guī)器件特點：

最高優(yōu)先級的要求：可靠性，穩(wěn)定性，使用壽命，工作溫度。這幾項為重要要求，同時也是AEC-Q的主要約束；

次高優(yōu)先級的要求：靜電防護，冷熱沖擊，振動沖擊。

?消費器件特點：

最高優(yōu)先級的要求：價格，供應(yīng)，性能；

次高優(yōu)先級的要求：功耗，兼容性，使用壽命，迭代能力，可靠性、穩(wěn)定性等。 ?

一般在消費類電子應(yīng)用中，尤其中低端產(chǎn)品，一切以成本優(yōu)先，這與車規(guī)芯片有大的不同。在有些車載設(shè)備中，比如車載OBD等后裝組件，應(yīng)用場景和售后處理都類似于消費電子，廠家在售后處理中承擔(dān)的成本和風(fēng)險都是可控的，所以很多時候會采用消費級芯片進行設(shè)計。

Tier1和Tier2所關(guān)心的問題

對于前裝車載無線通訊產(chǎn)品，通常車輛拆裝人工成本比較高，所以產(chǎn)業(yè)鏈都在避免因為可靠性問題等導(dǎo)致客退及維修。對這類問題的關(guān)注及敏感導(dǎo)致汽車行業(yè)Tier1/2在器件選擇時非常謹慎，尤其對于射頻前端器件。在應(yīng)用中，一般每一顆器件發(fā)生失效情況都要給出理由充分的根本原因及解決方案。

在車規(guī)射頻前端芯片應(yīng)用中，Tier1和Tier2重點關(guān)注的指標如下：

功能及規(guī)格：需要縱向（應(yīng)用場景：2G/3G/4G/5G，C-V2X，DSRC，WLAN等）與橫向（實現(xiàn)方案：MMPA，TXM，PAMiD，L-FEM，PAMiF等）結(jié)合去考慮基本功能和規(guī)格，其中包括射頻性能；尺寸大小；工作溫度范圍等；

高可靠性：工作溫度 Grade2 : -40C ~ +105℃，Grade3 : -40C ~ +85℃，PPM/MTBF/FIT等要求，以及EMC/ESD/環(huán)境耐受要求；

質(zhì)量認證：AEC-Qxxx（注重結(jié)果），IATF 16949 （注重整個過程，來源于ISO9001）；

使用壽命/質(zhì)保周期：Tier1、Tier2和OEM車廠都希望保證這個時間（~15年）；

供貨周期：5~7年，有些甚至達到10~15年；

服務(wù)支持：提供技術(shù)支持及客退分析支持；

車規(guī)射頻前端器件的供應(yīng)鏈保證：Wafer，基板及輔助材料，封測廠等。

射頻前端芯片供應(yīng)商所做的保障

為了滿足車規(guī)使用，射頻前端芯片需要做到性能、可靠性等方面的保障，主要有：

性能保障： 完全按照3GPP要求射頻性能及可靠性，溫度范圍為 Grade2 : -40C to +105C ，Grade3 : -40C to +85C。 車規(guī)射頻前端器件的應(yīng)用和消費類射頻前端器件的應(yīng)用基本是一致的，這方面射頻前端芯片可以做到良好保障。對于中高端車型來說，數(shù)據(jù)吞吐率和普通數(shù)據(jù)類設(shè)備（MBB產(chǎn)品）要求是一致的，需要較高上下行吞吐率，速率要求要高于中高端手機。

可靠性保障： ?0PPM是最終目標。任何客退的發(fā)生都會增加很多成本，尤其前裝車載無線產(chǎn)品。如果發(fā)生客退情況，哪怕小概率（即使是1PPM），車廠都會追責(zé)到底且需要給出合理理由的分析過程及合理的整改措施。在這個過程中包括OEM、Tier1、Tier2，芯片供應(yīng)商都要投入巨大的人力資源和物力資源。由于汽車系統(tǒng)復(fù)雜，分析失效根因難度大。所以0PPM是最終目標。

車規(guī)級品質(zhì)保障： 理論上消費類射頻器件不能直接使用到車規(guī)終端產(chǎn)品上，車載產(chǎn)品需要滿足AEC-Q100等車規(guī)級認證。

不過，除海外部分高端車廠外，現(xiàn)在車廠對用于車載通訊模塊中的芯片并沒有AEC-Q100強制要求，但通訊模塊會做系列可靠性實驗。這在一定程度上降低了對芯片的要求。

04

文章結(jié)語

“一切設(shè)備都將走向移動和互聯(lián)”，汽車作為最為常見的“移動”設(shè)備，未來一定會走向智能互聯(lián)。車聯(lián)網(wǎng)，未來可期。

射頻前端芯片技術(shù)將為汽車提供無線通訊技術(shù)，保障汽車的智慧連接。不過由于汽車需求的特殊性，射頻前端芯片必須要經(jīng)過特殊的設(shè)計、嚴苛的驗證，才能達到車規(guī)級要求。

審核編輯：劉清