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未来的连接的汽车的一种可能架构 集成WiFi、GPS和4G

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。
行驶中的连接:汽车射频通信(电子工程专辑)
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。
行驶中的连接:汽车射频通信(电子工程专辑)
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。
行驶中的连接:汽车射频通信(电子工程专辑)
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。
行驶中的连接:汽车射频通信(电子工程专辑)
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。
行驶中的连接:汽车射频通信(电子工程专辑)
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。

(责任编辑:ioter)

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