行驶中的车联网:汽车射频通信

今天的乘用车,已成为行驶通信中心。


一款典型的汽车包括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)。


下图是个新近的例子。

左图为通用的一款“鲨鱼鳍”天线。右图为安装在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。


图中的模块包括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。


下图是用于雪佛兰科鲁兹的此类模块的例子。

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。


根据车辆和特征,这些信号和用户界面的整体架构可能与下图类似。

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。


下图是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的 建构。

WiFi、GPS和5G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。


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。


下图是新模块示例。

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/4G/5G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。


☆ END ☆

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