汽車行駛中的連接：射頻通信

今天的乘用車，特別是在美國，已成為行駛通信中心。一款典型的通用汽車（GM）包括AM、FM、衛(wèi)星廣播、兩臺(tái)GPS接收機(jī)和蜂窩射頻。在乘客座位，還可能有藍(lán)牙；另外，以后還會(huì)增加用于車輛與車輛和車輛與基礎(chǔ)設(shè)施間通信的DSRC（專用短程通信，5.9GHz），也可能還有防碰撞雷達(dá)，不過這通常是一個(gè)單獨(dú)系統(tǒng)。

用于所有這些設(shè)備的大多數(shù)電子電路都位于“中控臺(tái)”—司機(jī)和前排乘客間那塊安裝屏幕和主控旋鈕的區(qū)域。衛(wèi)星廣播、GPS、AM/FM收音機(jī)和蜂窩信號(hào)都是從外部到達(dá)車內(nèi)，并且必須由天線來捕捉這些信號(hào)，然后通過電纜耦合到電子電路。為不使汽車滿布天線（這與警車不同），OEM（原始設(shè)備制造商）在開發(fā)包含多個(gè)天線和電路板的多功能模塊（內(nèi)含100多個(gè)器部件）。圖1是個(gè)新近的例子。

圖1:左圖為通用的一款用于2011年款車型的“鯊魚鰭”天線。右圖為安裝在2013款GMC Yukon車上的鯊魚鰭天線。該天線模塊安裝在擋風(fēng)玻璃的正上方。（資料來源：通用汽車）

圖1中的模塊包括GPS天線和低噪聲放大器（增益>25dB,噪聲系數(shù)1dB--黑線）、XM衛(wèi)星廣播天線和低噪聲放大器（黃褐色電纜）、以及蜂窩天線（藍(lán)線）。三條端接特殊SMB連接器的同軸電纜安固在一個(gè)殼體上以簡(jiǎn)化安裝。3插頭連接器與車輛內(nèi)部的電纜組件配固在一起，它具有鎖定功能，以防止振動(dòng)和溫度循環(huán)使這些連接器分開。整個(gè)同軸電纜長(zhǎng)度可達(dá)20英尺或以上。一般情況，該電纜類似RG-174。對(duì)于2.4GHz的衛(wèi)星接收機(jī)和1.575GHZ的GPS天線，它會(huì)引入不小損耗。

在模塊中心，你可以看到一個(gè)頭螺栓和一個(gè)紅色夾子，它們是用來將模塊固定在車頂上的。電纜與安裝硬件共用一個(gè)安裝孔，安裝孔的直徑在20mm左右。因?yàn)槟壳叭绱硕嗟能囕v都采用在車頂安裝模塊的設(shè)計(jì)，所以，車頂上的這個(gè)孔成為任何進(jìn)出車輛通信的“緊俏”要道。

還有整合了“短FM”天線的模塊。它們包括特殊的匹配網(wǎng)絡(luò)，以允許更短的天線也能與射頻饋路實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這些設(shè)計(jì)是完全針對(duì)特定車輛平臺(tái)的。圖2是用于2013年款雪佛蘭科魯茲的此類模塊的例子。

圖2:2013款雪佛蘭科魯茲RS-010，帶安裝在后擋風(fēng)玻璃（離玻璃很近）上方的短FM天線模塊。（資料來源：通用汽車）

根據(jù)車輛和特征，這些信號(hào)和用戶界面的整體架構(gòu)可能與圖3類似。

圖3: 在2013左右上市的乘用車中，典型的車載通信架構(gòu)。

在這種拓?fù)渲?，從車頂天線模塊到車內(nèi)中控臺(tái)會(huì)需約60英尺同軸電纜，在天線附近采用FAKRA連接器，在接收器的后部，會(huì)有更多連接器。順便提示下：FAKRA連接器是SMB連接器的特殊版本，并已經(jīng)發(fā)展成汽車內(nèi)射頻連接的標(biāo)準(zhǔn)。該連接器外殼具有多種顏色，根據(jù)用途這些顏色業(yè)已標(biāo)準(zhǔn)化。例如：藍(lán)色是GPS；咖喱黃色是衛(wèi)星廣播。每種顏色都有獨(dú)特卡銷，所以不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤連接。

這些汽車通信系統(tǒng)中的大部分組件是由所謂的一級(jí)（Tier 1）供應(yīng)商設(shè)計(jì)和制造并提供給OEM的。我與Ayman Duzdar博士進(jìn)行了交談，博士是Laird Technologies（萊爾德科技）的信息通信事業(yè)部全球工程總監(jiān)，萊爾德是領(lǐng)先的一級(jí)通信方案提供商，它為美國和歐洲市場(chǎng)提供服務(wù)。Duzdar博士同意與我分享了一些我們可能幾年后才會(huì)看到的進(jìn)展。萊爾德已經(jīng)在開發(fā)用于預(yù)計(jì)于2015至2019年上市的車型的設(shè)計(jì)，現(xiàn)在研發(fā)的新技術(shù)可能不會(huì)出現(xiàn)在近幾年面世的量產(chǎn)車上。Duzdar博士解釋說，他們正在探索如何減少同軸電纜的用量，且同時(shí)增加連接功能，以使車頂安裝單元更加模塊化。圖4是種可能的建構(gòu)。

圖4:未來的連接的汽車的一種可能架構(gòu)。WiFi、GPS和4G接收機(jī)都被移至車頂模塊，然后通過以太網(wǎng)電纜連接到主機(jī)。

萊爾德信息通信事業(yè)部負(fù)責(zé)M2M業(yè)務(wù)的部門主管Jim Ciccarelli告訴我，他們也將DSRC納入規(guī)劃，DSRC將在車輛（車輛與車輛，或V2V）之間，以及車輛與固定基礎(chǔ)設(shè)施（V2I）之間使用射頻通信，以增加諸如防撞、路由、提供實(shí)時(shí)交通信息等安全特性。

由于車頂是V2V的理想位置，因此，需在模塊中增加另一個(gè)天線和射頻。DSRC將利用約5.9GHz的射頻頻譜，若使用同軸電纜實(shí)現(xiàn)從車頂天線到車內(nèi)主機(jī)的信號(hào)饋送，則損耗可高達(dá)18dB，而眼下約為10dB，這使得新架構(gòu)更有優(yōu)勢(shì)。比較圖3和圖4可以看到：中控臺(tái)的電子電路可以更簡(jiǎn)單，且可顯著減少車內(nèi)所用的同軸電纜和RF連接器的數(shù)量。

萊爾德已開發(fā)出包含3G、WiFi（2.4GHz和5.8GHz頻段）、藍(lán)牙和GPS接收器/收發(fā)器的工作原型模塊。未來的迭代將移至4G/LTE、甚或DSRC。圖5是新模塊示例。

圖5:萊爾德科技未來的連接模塊原型。右上方是GPS貼片天線，它整合了蜂窩/WiFi/藍(lán)牙天線組合組件。PCB（反過來顯示背面）上的左邊部分是3G模塊；PCB上的其它部分用于藍(lán)牙和WiFi.注意：機(jī)殼是壓鑄的，可用作電子電路的屏蔽盒，機(jī)殼還具有可改善隔離的隔腔。　　

雖然這是個(gè)早期例子，但Duzdar博士談到了：使用WiFi下載娛樂內(nèi)容的能力；支持WiFi為蜂窩連接“分擔(dān)”的可能性；在駕駛時(shí)，為后座乘客提供無線數(shù)據(jù)功能的前景。想象一下，在未來幾年，車內(nèi)后座上的你家公子/公主能使用平板電腦連接到你的私人熱點(diǎn)，并使用4G聯(lián)網(wǎng)通信。