車用無線連接有哪些技術？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式增長，根據統計和預測，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年產生大于10倍的出貨增長。

圖：對于電動汽車的統計和預測[1]

無線通訊產業在最近幾年同樣經歷快速發展，尤其作為新基建的4G、5G 通信系統，短短幾年在全球快速部署，幫助各行各業實現無線智能互聯，提高工作效率和成績。

由以上兩大行業作為市場和技術基礎，車聯網行業應運而生。

車聯網可以幫助汽車實現重要智能功能，根據資料統計[2]，車聯網可以分階段實現以下功能：

第一階段：智能化、娛樂化。 包括：上網、聽歌、視頻等（現階段）；

第二階段：輔助駕駛。 可以理解為應急剎車、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）。

在車聯網中，需要用到的最重要技術之一就是車載無線通訊技術。車用無線連接有哪些技術？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。

汽車無線通訊方案

用于汽車無線連接的通信技術主要有蜂窩網絡技術、無線局域網技術、全球導航衛星系統、V2X（車聯網）技術。以下將對這幾種不同技術展開討論。

蜂窩網絡（Cellular）技術

蜂窩網絡又稱移動網絡，由于構成網絡覆蓋的各通信基地臺的信號覆蓋呈六邊形，從而使整個網絡像一個蜂窩而得名。大家所熟悉的手機就是蜂窩網絡的典型終端設備。

從網絡系統和上層應用來看，汽車蜂窩網絡系統和手機蜂窩網絡系統是完全一樣的，也包括了2G、3G、4G、5G網絡。采用蜂窩網絡連接的汽車一般是采用蜂窩物聯網模塊，將汽車與蜂窩基站相連。

出于成本和整體產業鏈的成熟度的考慮，大多數中低端汽車會直接應用普通消費級物聯網模塊進行實現（射頻前端方案也套用消費級器件）。

? 無線局域網（WLAN）技術

車載WLAN主要是作為連接熱點來應用，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的應用，或許將來也會有Wi-Fi 6E，Wi-Fi7和802.11ad的應用。

全球導航衛星系統（GNSS）

GNSS的全稱是Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系統，是衛星導航系統的統稱，包含GPS、GLONASS、Galileo、Beidou等衛星導航技術。衛星導航技術也是一種無線通訊技術。

主要的GNSS技術及頻段劃分如下表所示，高精度的導航定位系統是車載系統尤其對于無人駕駛汽車是關鍵技術。

表：?GNSS系統及主要頻段劃分?

V2X車聯網

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、無線局域網技術以及全球導航衛星技術是汽車“借用”過來的無線通訊技術，那V2X就是專門為車聯網打造的通訊技術。

V2X是多種場景的統稱，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，經過幾十年發展，現在V2X有了更遠大的目標：實現無人駕駛。進入2020年后，各大市場都在評估或者部署相關系統。從5GAA（5G Automotive Association，5G汽車聯盟）給出的白皮書及各大市場的動作來看，2020年代是V2X大發展時代[2]。

V2X主要有兩大技術標準：分別是IEEE所倡導的DSRC和3GPP所倡導的C-V2X。目前應用中C-V2X有較大的技術和市場優勢，后面主要針對3GPP C-V2X系統做相關討論。

C-V2X及射頻前端方案

V2X及其兩大分支簡介

從現階段行業分布來看，V2X主要有兩大技術方向，分別為DSRC及C-V2X，這兩大方向主要是由技術傳承及市場潛力來導向的。

DSRC以歐洲市場為主，該系統是將IEEE802.11作為技術基礎，可以理解為和Wi-Fi是一個系統；C-V2X以中國和美國市場為主，該系統是將3GPP及其演進作為技術延申，可以理解為和LTE、NR是同一個系統，3GPP組織也在主導促成統一標準。

V2X的兩種系統簡介：

DSRC

DSRC被定義為IEEE 802.11p，將IEEE 802.11作為技術基礎，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技術的優勢在于可靠性高、傳輸實時性強，弱點在于通信距離優勢不明顯且只能在V2V工作模式下有優勢。因此，如果僅通過DSRC實現無人駕駛技術與車聯網通信，那么就需要針對路邊設施進行大規模經濟投入，而這將限制DSRC的商業化。

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、華為等設備商推出，3GPP協議針對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，車輛與基礎設施（V2I）、車輛與其他車輛（V2V）、車與人（V2P）之間需要通過將數據在基站上進行中轉來實現通信；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，具有顯著的性能優勢和市場前景，且現在已經演進到5G（NR）階段。

C-V2X頻譜資源及市場分布

由于C-V2X技術及產業近幾年剛剛起步，很多國家和市場都處于中立態度去評估發展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是用于特定業務，n47的頻率范圍和主要目標市場同B47是一致的。

現階段，中美兩大市場都明確了發展方向為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期望發展路標圖

結合如下圖C-V2X的Roadmap[2]，可以將C-V2X的設計規劃及商業應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

下圖為一些現在已經商用的V2X射頻前端方案：

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

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

圖：DSRC和C-V2X射頻前端方案

汽車電子及車規射頻前端芯片

汽車行業供應鏈層級 汽車行業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：汽車行業供應鏈層級

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

車規芯片特點及要求

由于工作環境和汽車系統高安全性的應用場景，車規級芯片需至少滿足以下要求：

高可靠性；

高安全性；

零故障率；

高量產一致性；

長供貨期（預期5~7年，甚至10年以上）；

長使用壽命（約15年）。

車規芯片設計、生產、認證標準

由于車規芯片的特殊應用要求，車規芯片設計、生產、及可靠性認證都需要參考特定標準。車規芯片設計、生產的主要規范如下表：

表：車規芯片設計、生產規范

有關AEC-Q認證

AEC-Q 系列認證是公認的車規元器件通用測試標準。克萊斯勒、福特和通用汽車為建立一套通用的零件資質及質量體系標準而設立了汽車電子協會（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公認的車規器件通用測試標準。芯片企業需以產品分類選擇對應的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。和射頻前端產品關系不大；

AEC-Q103：傳感器，如測試胎壓。和射頻前端產品關系不大；

AEC-Q104：MCM，和射頻前端產品關系密切，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認證涵蓋的內容是IC芯片。對于無線通訊及射頻前端行業來說，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。一般車規通訊模組的要求是Grade3，要求高的需要支持到Grade2。根據溝通及了解，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組關系不大之外，其余六類都和射頻前端器件強相關。

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，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

車規電子和消費電子的差異

車規電子和消費電子的差異如下：

車規器件特點：

最高優先級的要求：可靠性，穩定性，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：

最高優先級的要求：價格，供應，性能；

次高優先級的要求：功耗，兼容性，使用壽命，迭代能力，可靠性、穩定性等。 ?

一般在消費類電子應用中，尤其中低端產品，一切以成本優先，這與車規芯片有大的不同。在有些車載設備中，比如車載OBD等后裝組件，應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的成本和風險都是可控的，所以很多時候會采用消費級芯片進行設計。

Tier1和Tier2所關心的問題

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

在車規射頻前端芯片應用中，Tier1和Tier2重點關注的指標如下：

功能及規格：需要縱向（應用場景：2G/3G/4G/5G，C-V2X，DSRC，WLAN等）與橫向（實現方案：MMPA，TXM，PAMiD，L-FEM，PAMiF等）結合去考慮基本功能和規格，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/環境耐受要求；

質量認證：AEC-Qxxx（注重結果），IATF 16949 （注重整個過程，來源于ISO9001）；

使用壽命/質保周期：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；

服務支持：提供技術支持及客退分析支持；

車規射頻前端器件的供應鏈保證：Wafer，基板及輔助材料，封測廠等。

射頻前端芯片供應商所做的保障

為了滿足車規使用，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。車規射頻前端器件的應用和消費類射頻前端器件的應用基本是一致的，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，數據吞吐率和普通數據類設備（MBB產品）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。任何客退的發生都會增加很多成本，尤其前裝車載無線產品。如果發生客退情況，哪怕小概率（即使是1PPM），車廠都會追責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，芯片供應商都要投入巨大的人力資源和物力資源。由于汽車系統復雜，分析失效根因難度大。所以0PPM是最終目標。

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

不過，除海外部分高端車廠外，現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。

文章結語

“一切設備都將走向移動和互聯”，汽車作為最為常見的“移動”設備，未來一定會走向智能互聯。車聯網，未來可期。

射頻前端芯片技術將為汽車提供無線通訊技術，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過特殊的設計、嚴苛的驗證，才能達到車規級要求。