汽车射频通信系统详解

今天的乘用车，特别是在美国，已成为行驶通信中心。一款典型的通用汽车（GM）包括AM、FM、卫星广播、两台GPS接收机和蜂窝射频。在乘客座位，还可 能有蓝牙；另外，以后还会增加用于车辆与车辆和车辆与基础设施间通信的DSRC（专用短程通信，5.9GHz），也可能还有防碰撞雷达，不过这通常是一个 单独系统。
　　用于所有这些设备的大多数电子电路都位于“中控台”——司机和前排乘客间那块安装屏幕和主控旋钮的区域。卫星广播、GPS、AM/FM收音机和蜂窝信号都是从外部到达车内，并且必须由天线来捕捉这些信号，然后通过电缆耦合到电子电路。为不使汽车满布天线（这与警车不同），OEM（原始设备制造商）在开发包含多个天线和电路板的多功能模块（内含100多个器部件）。图1是个新近的例子。
　　
　　图1：左图为通用的一款用于2011年款车型的“鲨鱼鳍”天线。右图为安装在2013款GMC Yukon车上的鲨鱼鳍天线。该天线模块安装在挡风玻璃的正上方。（资料来源：通用汽车）
　　图1中的模块包括GPS天线和低噪声放大器（增 益》25dB，噪声系数《1dB——黑线）、XM卫星广播天线和低噪声放大器（黄褐色电缆）、以及蜂窝天线（蓝线）。三条端接特殊SMB连接 器的同轴电缆安固在一个壳体上以简化安装。3插头连接器与车辆内部的电缆组件配固在一起，它具有锁定功能，以防止振动和温度循环使这些连接器分开。整个同 轴电缆长度可达20英尺或以上。一般情况，该电缆类似RG-174。对于2.4GHz的卫星接收机和1.575GHZ的GPS天线，它会引入不小损耗。
　　在模块中心，你可以看到一个头螺栓和一个红色夹子，它们是用来将模块固定在车顶上的。电缆与安装硬件共用一个安装孔，安装孔的直径在20mm左右。因为目前如此多的车辆都采用在车顶安装模块的设计，所以，车顶上的这个孔成为任何进出车辆通信的“紧俏”要道。
　　还有整合了“短FM”天线的模块。它们包括特殊的匹配网络，以允许更短的天线也能与射频馈路实现阻抗匹配，这些设计是完全针对特定车辆平台的。图2是用于2013年款雪佛兰科鲁兹的此类模块的例子。
　　
　　图2：2013款雪佛兰科鲁兹RS-010，带安装在后挡风玻璃（离玻璃很近）上方的短FM天线模块。（资料来源：通用汽车）
　　根据车辆和特征，这些信号和用户界面的整体架构可能与图3类似。
　　
　　图3： 在2013左右上市的乘用车中，典型的车载通信架构。
　　在这种拓扑中，从车顶天线模块到车内中控台会需约60英尺同轴电缆，在天线附近采用FAKRA连接器，在接收器的后部，会有更多连接器。顺便提示下：FAKRA连接器是SMB连接器的特殊版本，并已经发展成汽车内射频连接的标准。该连接器外壳具有多种颜色，根据用途这些颜色业已标准化。例如：蓝色是GPS；咖喱黄色是卫星广播。每种颜色都有独特卡销，所以不会出现错误连接。
　　这些汽车通信系统中 的大部分组件是由所谓的一级（Tier 1）供应商设计和制造并提供给OEM的。我与Ayman Duzdar博士进行了交谈，博士是Laird Technologies（莱尔德科技）的信息通信事业部全球工程总监，莱尔德是领先的一级通信方案提供商，它为美国和欧洲市场提供服务。Duzdar博 士同意与我分享了一些我们可能几年后才会看到的进展。莱尔德已经在开发用于预计于2015至2019年上市的车型的设计，现在研发的新技术可能不会出现在 近几年面世的量产车上。Duzdar博士解释说，他们正在探索如何减少同轴电缆的用量，且同时增加连接功能，以使车顶安装单元更加模块化。图4是种可能的 建构。
　　
　　图4：未来的连接的汽车的一种可能架构。WiFi、GPS和4G接收机都被移至车顶模块，然后通过以太网电缆连接到主机。
　　莱尔德信息通信事业部负责M2M业务的部门主管Jim Ciccarelli告诉我，他们也将DSRC纳入规划，DSRC将在车辆（车辆与车辆，或V2V）之间，以及车辆与固定基础设施（V2I）之间使用射频通信，以增加诸如防撞、路由、提供实时交通信息等安全特性。
　　由于车顶是V2V的理想位置，因此，需在模块中增加另一个天线和射频。 DSRC将利用约5.9GHz的射频频谱，若使用同轴电缆实现从车顶天线到车内主机的信号馈送，则损耗可高达18dB，而眼下约为10dB，这使得新架构 更有优势。比较图3和图4可以看到：中控台的电子电路可以更简单，且可显著减少车内所用的同轴电缆和RF连接器的数量。
　　莱尔德已开发出包含3G、WiFi（2.4GHz和5.8GHz频段）、蓝牙和GPS接收器/收发器的工作原型模块。未来的迭代将移至4G/LTE、甚或DSRC。图5是新模块示例。
　
　　图 5：莱尔德科技未来的连接模块原型。右上方是GPS贴片天线，它整合了蜂窝/WiFi/蓝牙天线组合组件。PCB（反过来显示背面）上的左边部分是3G模 块；PCB上的其它部分用于蓝牙和WiFi。注意：机壳是压铸的，可用作电子电路的屏蔽盒，机壳还具有可改善隔离的隔腔。
　　
　　虽然这是个早期例子，但Duzdar博士谈到了：使用WiFi下载娱乐内容的能力；支持WiFi为蜂窝连接“分担”的可能性；在驾驶时，为后座乘客提供无线 数据功能的前景。想象一下，在未来几年，车内后座上的你家公子/公主能使用平板电脑连接到你的私人热点，并使用4G联网通信。