圖1: 連接性賦能智慧出行

交通運輸行業正在經歷根本性的變革，它欣然迎接可持續性和智能出行的概念，愈加關注消費者和全社會的需求、習慣與偏好（見圖1）。

新技術已然催生了第一波移動服務的浪潮，而無所不在的無線連接則在其中發揮著關鍵性作用。如今我們司空見慣的拼車和網約車等流行服務即得益于智能手機和其他移動互聯網連接設備的廣泛應用。

新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和V2X 以及其他連接系統正在助力移動服務范圍的進一步擴大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎設施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現車內的高質量視頻與音頻娛樂內容訪問，讓乘客體驗更加舒適。

在參考文獻【1】和【2】中，我們探討了 RF CMOS 技術和RF-SOI 優化襯底不斷發展以提供高性能射頻(RF) 和毫米波前端(RFFE)，為新興應用要求的可靠性和穩健性奠定了基礎。本文將對 RF-SOI 技術在智能出行中的作用提供詳細的分析。

在此，我們尤其關注輕型乘用車，因為連接概念可以由此外推至商用和實用型車輛。

本文第 2節將介紹汽車網聯化的一般概念以及它所依賴的系統和網絡協議。第 3至 6節著重描述確保實現可持續、可靠和穩健的汽車網聯化所需的多種射頻技術模塊。第 7 節則概述了最快被采用的車載免提系統之一：UWB。最后在第 8 節給出結論，總結了汽車網聯化如何依賴于眾多射頻技術與技巧，以及這些技術中的大多數是如何得益于我們在 CMOS 領域和 RF-SOI 前端（RFEE）發展中積淀多年的豐富專業知識。

1.網聯汽車

如參考文獻【3】、【4】以及圖2中所示，網聯汽車依賴于多個系統和網絡，這些系統和網絡提供如下的功能：

1. 連接到云- 遠程信息處理（Telematics）

● 通過蜂窩網絡和衛星4G LTE、5G、Wi-Fi 等標準

2.連接到駕駛員/乘客- 信息娛樂（Infotainment）

● 通過Wi-Fi、Bluetooth?等標準

3. 連接到環境 – 車聯萬物（VehicletoEverything,V2X）

● 通過專用短程通信(DSRC)、蜂窩車聯網(C-V2X)、超寬帶(UWB) 等標準

a b c

圖2：車輛與(a) 云、(b) 駕駛員/乘客和(c) 周圍環境的連接

就硬件方面而言，全車無線連接需要多個天線與射頻前端(RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學的發展，集成在車身面板中的共形天線也越來越常見。但無論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產生的法拉第靜電屏蔽效應。此外，為了盡量減少可能損害發送/接收信息完整性的損耗和干擾，原始設備制造商(OEM) 們大都選擇將射頻前端也放置在盡可能靠近天線的位置，如圖 5所示。

圖3. (a) 鯊魚鰭和(b) 保形面板車載天線及相應射頻前端

下面，我們將詳細探討每種連接系統的特點及其射頻前端的獨特性。

2.遠程信息處理系統

圖4. 遠程信息處理控制單元(TCU) ，或稱遠程信息處理盒(T-BOX)

與所有無線設備一樣，網聯汽車依賴多個射頻 IC 和射頻模塊來實現可靠的無線連接。大多數此類元件都包含在一個“盒子”中，通常稱為遠程信息處理盒（T-BOX），也稱為遠程信息處理控制單元（TCU）。如圖4 所示，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數據存儲、處理與傳輸的功能模塊。在這些模塊中，網絡接入設備（NAD）中又包含了確保蜂窩網絡（4G LTE 或5G）通信可靠與穩健所需的所有電路，而圖5 提到的射頻前端即涵蓋在這其中，這也是本節重點關注的內容。

圖5： 網絡接入設備(NAD) 蜂窩射頻前端和首選襯底材料

汽車型號及其可選功能通常針對不同的區域進行商品化，汽車 NAD 也需根據區域的不同遵守蜂窩連接條例與規則。如圖6 所示，3.5GHz 左右的中頻已成為全球最常用的蜂窩網絡頻譜；因此，許多NAD 提供商和用戶均選擇 C 頻段作為射頻前端工作的特許頻段也就不足為奇了。

C 頻段在覆蓋范圍與帶寬、以及數據速率之間進行了良好的平衡（見第 6節）。更重要的是，采用該頻段的NAD 彼此之間干擾最小，同時又能與其他連接系統（例如Wi-Fi 和C-V2X）共存；因此，射頻前端的線性度成為設計的關鍵要素。

圖6. 部分國家在 S 頻段和C 頻段的頻譜分配

如參考文獻【1】和【2】中所述，干擾可能出現在射頻前端無源器件（傳輸線、電感等）或有源電路（晶體管、二極管等）的任一點。而采用富陷阱的 RF-SOI 優化襯底來構建大部分的射頻前端電路，無論干擾發生在何處，都將被最小化。如圖7 所示，TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時，頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段；而 RF-SOI 優化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。

圖7. 得益于射頻前端的高線性度，RF-SOI 可最大限度地減少干擾

如圖8 所示，采用富陷阱的RF-SOI 襯底（例如Soitec 的iFEM-SOI 和RFeSI 產品）可以最小化射頻信號的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比，這種改善非常顯著；我們用共面波導(CPW) 來表現典型的非線性射頻信號特性。

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圖8：(a) RFeSI 襯底上的共面波導（CPW）以及(b) 在不同RF-SOI 襯底上測得的二次和三次諧波

模塊化是NAD 設計的另一個關鍵要素，它提供的靈活性可用于滿足不同區域市場的需求。而將發射、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優勢，因為它們可以快速更換，以適應車輛所在的銷售區域，并滿足區域法規和當地客戶的偏好。

如圖5 所示，RF-SOI 為射頻前端模塊(RF FEM) 提供了無可比擬的集成靈活度，這有助于將高性能低噪聲放大器(LNA)、開關和功率放大器(PA) 集成到單個芯片中，或集成到與濾波器和其他支持功能相關的高附加值多技術模塊中。

人們常常誤以為，集成了大型電池的汽車也必定能夠滿足電力需求大的系統。然而事實遠非如此，現代汽車對功效的要求與旗艦智能手機或其他任何現代便攜式無線設備一樣的高。現代汽車需要容納越來越多的傳感器、MCU 和其他電子系統，這些系統的功耗必須得到最有效的優化。

NAD 設計人員應密切關注射頻前端的電流消耗、功耗和整體功效。最小化射頻前端插入損耗和整體射頻鏈路預算是設計人員必須完成的任務。而高能效NAD 的射頻前端以熱量形式消耗的功率更少，因此可以極大地幫助確保整體NAD 高可靠的運行。

為了最大限度地降低超長連接器造成的損耗，NAD（也即它所屬的TCU）通常位于離天線不遠的位置，因而也暴露于車身所處的大溫度變化條件之下。而且眾所周知，集成PA 的模塊工作溫度可能會上升至 85°C 以上。這兩個因素的疊加會對汽車射頻前端可靠穩健的運作帶來嚴峻挑戰，在設計早期，就應審慎考慮以避免這些問題。

在寬溫度變化條件之下（見參考文獻【7】），提供穩定線性性能的RF-SOI 襯底具備明顯的優勢。它有助于確保溫升不會顯著增加射頻前端的非線性度、影響NAD 功能和/或干擾相鄰的無線系統。這也是基于 RF-SOI 襯底的射頻前端與其他汽車射頻前端之間最主要的區別。

隨溫度變化的低線性漂移特性（RFeSIxT）是Soitec 的RFeSI 系列產品中添加的一項新功能（見參考文獻 【8】）。如圖9(b) 所示，RFeSIxT 在超過85°C 的溫度下也能提供穩定的線性性能，同時還保持所有其他RFeSI 襯底的優勢（見參考文獻 【1】）。與之相比，圖9(a) 顯示的Soitec RFeSI（不具備RFeSIxT 功能）線性行為則隨溫度變化，因此更適用于消費級產品。

圖9： RFeSI 富陷阱 RF-SOI 系列產品隨溫度變化的線性性能：(a)不具有和(b)具有RFeSIxT隨溫度變化的低線性漂移特性

為汽車駕駛員和乘客提供安全性對所有的汽車系統都至關重要，其中也包括遠程信息處理系統。RFIC 是汽車應急呼叫系統的重要組成部分，我們將在下節對其進行詳細討論。

2.1應急與支持系統

汽車無線應急系統的關鍵組成之一是在發生事故時向應急響應團隊（救護車、消防員等）提供關鍵信息的系統。關鍵信息包括車輛定位（例如GNSS 坐標）、事故發生時間、汽車/乘客的狀況（應急呼叫的原因）和車輛識別，以及其他任何有助于在提供急救支持時能夠節省關鍵時間的信息（見圖 10）。

圖10: 應急與支持連接系統

不同的地域和移動運營商有不同的策略來提供應急連接。這類服務通常由私有運營商提供（見參考文獻【9】、【10】）；但在歐盟(EU) ，則由所有歐盟國家均可訪問的公共車輛應急呼叫（eCall）響應服務提供（見參考文獻【11】）。自2018 年3 月31 日起，歐盟銷售的所有新車都強制性要求安裝 eCall 系統。按照歐盟的規定，所有新車中的eCall 系統都必須具備以下功能：

● 能夠在碰撞中和碰撞后自動運行，無需汽車電池

● 能夠承受從-40°C 到+105°C 的極端溫度

●提供8 至10 分鐘的電話連接，電池壽命長達 10 年

● 通過蜂窩網絡提供緊急服務回撥，時長達到 60 分鐘

● 符合國際標準化組織(ISO) 的 26262 汽車安全完整性等級(ASIL) A 標準。

在發生事故的時候，無論車輛處于何種狀態，若要確保需傳輸的數據能夠找到通向工作TCU 天線的路徑，并聯系到應急響應小組，這不是一件容易的事，它要求射頻開關異常穩健。應急呼叫射頻開關應能夠在兼容蜂窩網絡的功率（達幾百毫瓦）下進行熱切換，并符合ASIL A 標準（見參考文獻【12】）。而 RF-SOI 技術是助力設計滿足這兩個要求的最常用的開關技術（見參考文獻【13】）。

如果NAD 集成了eCall 系統，則NAD 本身也應通過ASIL 認證。因此，部分制造商會選擇將eCall 系統置于NAD 之外，這樣仍然可以通過汽車消費級認證，但又降低與認證相關的設計復雜性與成本。此時，基于RF-SOI 襯底的CMOS 技術發揮了重要作用，它推動了模塊化的TCU 設計，有助于實現靈活的TCU + eCall 設計，如圖11(a) 所示。而且如前所述，RF-SOI 是eCall 開關不同拓撲的首選技術，如圖11(b) 所示。

圖11：TCU (a) 安全認證分區示例和(b) (c) 集成在RF-SOI 中的不同應急開關拓撲

如果要在提供應急服務的同時還提供常規服務（例如固件更新），汽車OEM 有時會與移動網絡運營商（MNO）合作（見參考文獻【14】），但這讓車主對他們的蜂窩網絡運營商幾乎沒有選擇權。為了給車主提供更多選擇移動運營商的靈活性，部分汽車OEM 采取了雙卡雙待(DSDA) 的系統方法（見參考文獻【15】），2.2節中會詳細討論。

2.2 DSDA 雙卡雙待

用戶識別模塊，即 SIM 卡，用于存儲國際移動用戶識別碼(IMSI) 和任何蜂窩網絡用戶獨有的其他數據。它是將設備連接到蜂窩網絡的必需元件。

顧名思義，DSDA 配置依賴兩張SIM 卡，并且需要兩個單獨的收發器，以及與之關聯的RFFE 發送器(Tx) 和接收器(Rx)，以便連接兩個現有運營商。采用 DSDA 系統，汽車OEM 可以繼續依賴其合作伙伴運營商，同時也為車主提供了靈活性。車主可以同時使用他們自己想用的運營商，并受益于家庭數據套餐等個性化服務。

然而，使用兩個RF 路徑雖具備一定的優勢，但同時也增加了NAD 功耗和RFFE 的復雜性。因此，線性度和相關的功耗效率成為DSDA 系統的關鍵設計考量因素。上文已提到，RF-SOI 具備明顯的線性優勢，并有助于降低NAD RFFE 的功耗。而且，借助NAD 的模塊化，我們更可以設想出一種替代方法，例如采用 2x2 MIMO 分集架構，取代之前圖5 中描述的4x4 分集架構，從而選擇性地降低蜂窩（4G LTE 或5G）DSDA NAD 的功耗與復雜性，如圖12 所示。

圖12: 具有 2x2MIMO分集架構的 DSDANAD

3.信息娛樂系統

圖13：(a) 移動信息娛樂系統以及(b) 憑借RF-SOI 實現的連接標準共存

汽車用戶常常認為，車就是家的延伸，他們已經開始期待在車上享有與家中相同的連接水平。車載信息娛樂系統（Infotainment）通常依賴Wi-Fi 和藍牙協議來提供對應用的訪問，例如高清音頻和視頻、互聯網瀏覽等(見圖13(a))。

而通過 5G 連接的 NAD，汽車用戶能夠訪問全新的寬帶頻道，并享有它所具有的數千兆比特的數據速率與低延遲。

在火車和公共汽車等公共交通工具中，乘客也開始期待在通勤時可以有高數據速率的連接。5G 毫米波（mmW）連接無疑是一個很好的選擇，但考慮到復雜的通信環境，它同時也頗具挑戰。在參考文獻【16】中，作者即展示了如何通過軟件控制、機器學習和人工智能(AI) 以及適當的5G 毫米波蜂窩網絡基礎設施來實現每秒數千兆比特的數據速率。

5G 毫米波大規模MIMO 天線陣列系統(AAS) 中眾多的RFFE 推動了高性價比的大集成水平，也鞏固了RF-SOI 作為5G 賦能技術的地位。圖14(a) 顯示了在RF-SOI 雙極化（水平H 和垂直V）毫米波前端上的全集成CMOS，它具有開關、PA、LNA、移相器、可變增益放大器(VGA)，同時支持控制、偏置、內存及電源組合等功能（見參考文獻【17】）。

圖14：(a) RF-SOI 中的毫米波前端 IC 集成為實現(b) 更高的功率放大器(PA) 功率附加效率(PAE) 提供了更簡便的途徑

5G 毫米波 PA 寬帶調制帶寬要求線性度非常高的節能技術。簡而言之，這種PA 的設計及其集成被認為是5G 毫米波射頻前端設計中最具挑戰性的任務之一。

圖14(b) 中的數據來自參考文獻【18】，它展示了采用不同技術提供的移動應用所需的典型毫米波前端PA 飽和功率(Psat) 水平；根據AAS 的輻射元件數量不同，Psat 從10 到 20dBm 以上不等。更重要的是，該圖突顯了RF-SOI 憑借其集成能力能夠提供更簡便的支持功能集成途徑，從而助力實現最高的功效，并最大限度地延長電池壽命（見參考文獻【17】）。

另一方面，FD-SOI（見參考文獻【3】）還為更多的數字和模擬混合信號內容集成提供了極為有效且高效的途徑。它常被用于收發器(TRX) 與射頻前端的集成，但會犧牲一些Psat 以減小占板面積。如圖14(b) 所示，氮化鉀（見參考文獻【3】）等第三代半導體在Psat 水平約為30dBm 或更高時表現出極佳的性能。

由于車艙內需要共存的Wi-Fi 連接設備越來越多，需求也愈加多樣化，通過Wi-Fi 熱點在車內分配寬帶接入資源也變得越來越困難。

如參考文獻【2】中所描述，采用RF-SOI 技術設計的 Wi-Fi 6 和Wi-Fi 6E 兼容系統，更擅長為大量的連接設備提供設備所需的數據有效負載，同時還具有出色的功耗。而且，RF-SOI 所具有的線性度有助于確保蜂窩網絡和Wi-Fi 系統共存，同時還不會產生有害干擾（如圖13(b)所示）。

但要注意，車載信息娛樂系統需要通過AECQ 認證，而供應鏈供應商則需要通過IATF 16949 認證（見參考文獻【19】）。

4.V2X 車連萬物

通過前兩節的描述可以得知，遠程信息處理系統和信息娛樂系統可以通過蜂窩網絡為車輛提供連接。不僅如此，V2X 系統還可以使用蜂窩網絡作為中介(V2N) 將車輛間接連接到其他任何對象；或者，無需中介，通過不同類型的鏈路提供直接連接：

● 車輛到車輛（V2V），如用于避免碰撞

● 車輛到基礎設施（V2I），如用于動態控制交通信號

● 車輛到行人（V2P），如向行人和其他易受傷害的道路使用者提供警報信號

V2X 目前采用了兩個專用標準：專用短程通信（DSRC）和蜂窩車聯萬物（C-V2X），并在特許智能交通系統(ITS) 頻段5.9GHz 附近運行。

專用短程通信(DSRC) （即IEEE 802.11p）是Wi-Fi 協議的一個專用版本。該版本消除了設備之間對任何中間系統的需求，因而實現了低延遲通信。與此同時，與蜂窩系統不同，DSRC 具備自我管理功能，還可以通過4G LTE 和/或5G 提供蜂窩網絡訪問。

蜂窩車聯萬物(C-V2X) 由專為蜂窩通信開發協議的 3GPP 定義。與DSRC 不同，C-V2X 使用蜂窩協議，因此我們有理由相信，將車輛集成到由5G 新無線電支持的新興垂直領域中，C-V2X 有潛力發揮更加積極的作用（見參考文獻【20】）。

車輛安全是V2X 系統的一個目標應用，因此也需要符合ISO26262 標準（見參考文獻【13】）。在文獻【21】中，作者得出的結論是，V2X 處理以及與外部系統的接口都需要達到ASIL B級別；而一旦V2X 可以影響車輛控制，則其余V2X 功能均需要達到ASIL A 級別。

第一種方法是將V2X 系統集成到TCU 中，并將其中一部分 RFFE 集成到TCU 的NAD 中，這種方法具有明顯的成本與節能優勢。例如，具有集成GNSS 接收器的TCU 蜂窩調制解調器可用于V2X 的定位功能。通過使用射頻路由開關，連接NAD 的天線可用作V2X 5.9GHz ITS 信號的輻射路徑。這些優勢雖頗具吸引力，但設計人員仍然要考慮，一旦NAD 集成V2X 系統，則NAD 本身也應根據ISO26262 認證標準獲得ASIL-B 或ASIL-A 認證。

鑒于包含了蜂窩、遠程信息處理和信息娛樂系統的 NAD 頗具復雜性，通過ISO26262 認證將非常具有挑戰性，而且會增加汽車消費級產品的成本。

圖15: 車聯萬物（V2X）系統

大多數汽車高級駕駛輔助系統(ADAS) 和TCU OEM 都采用包含兩個獨立子系統的模塊化方法：一個汽車消費級子系統和一個通過ISO26262 認證的子系統，如圖11(a) 所示。采用兩個獨立但互補的復雜系統會給功耗指標帶來極大的壓力，因此兩個子系統都應具備高度優化的功耗。如前所述，RF-SOI 具有的顯著優勢可以幫助最大限度地降低射頻前端中的損耗，從而降低功耗。

除了連接性之外，被稱為車聯網(IoV) 的新功能也越來越多地被采用來提升車輛的舒適性和安全性。其中，最為常見的是免提接入系統。

5.免提接入系統

汽車免提接入通常使用三種連接標準：藍牙(BT)、超寬帶(UWB) 和近場通信(NFC)。

智能手機中被廣泛采用的藍牙技術，如今也成為許多銷售車輛中免提接入設備的標配。但是，盡管藍牙無鑰匙接入中使用了加密協議，它仍然很容易受到射頻干擾和中間人攻擊（見參考文獻【22】）。

為了應對可能出現的攻擊，很多汽車OEM 開始采用超寬帶技術（UWB）作為比藍牙 （BT）更安全的替代方案。UWB 技術采用的短時域脈沖可以實現精確的飛行時間(ToF) 和到達角(AoA) 測量（見參考文獻【23】）。結合使用ToF 和AoA能夠以更高精度確定發射器的位置。例如，只有當用戶走向車輛并靠近它時，才能解鎖車門。
隨著 UWB 在智能手機和密鑰卡中越來越多的應用，不難相信，這項技術終將取代藍牙來實現無鑰匙接入。不過，由于 UWB 感知范圍較小，當距離車輛超過10 米時，藍牙仍可作為追蹤用戶的一個補充系統來使用。

如果密鑰卡或智能手機電池耗盡，還可以使用NFC 備用系統。只要無源/ULP（超低功耗）NFC 鑰匙與車體某個部分（例如要打開的門）中的有源讀取器保持緊密接觸，即可授予車輛用戶接入權限。

圖16: 汽車免提接入系統

現在成功的 UWB 生態系統可以通過 SoC 以及射頻前端得到實現。為最大限度降低插入損耗并確保高隔離度，射頻前端可采用基于 RF-SOI 的 RF開關。在配備了UWB 的智能手機等高性能設備中，低噪聲放大器(LNA) 也可以與射頻前端中的開關集成在一起（見參考文獻【24】），以最大限度地降低損耗，從而提高靈敏度。

6.車聯網的射頻挑戰與解決方案總結

鑒于全球和地區安全法規是推動更高車輛連接性的關鍵驅動因素之一，毫無疑問，未來幾年我們將持續看到蜂窩、V2X 和其他互補連接系統更多地應用于汽車當中。

目前仍有一些汽車供應鏈參與者認為，連接性對任務關鍵型安全應用來說是不可靠的；但隨著5G 增強功能（例如低延遲）的出現，這種看法正在改變。而且，隨著5G 的不斷部署以及運營商網絡的密集化，更大的帶寬、更高的數據速率和更佳的覆蓋范圍也指日可待。再加上用于連接管理和前瞻性覆蓋的新軟件、新硬件不斷出現，以及 MNO 和 OEM 提供的新功能，諸如雙卡雙待等多 SIM卡 解決方案，這些都必將強力推動乘用車和實用車采用更高的連接性。

得益于過去幾十年中積累的大量IP 組合與專有技術（見參考文獻 【1】、【2】），基于 RF-SOI 優化襯底的CMOS 現在已是一項成熟且可靠的技術。下表總結了本文討論過的一些汽車RFIC 需求，以及Soitec RF-SOI 優化襯底如何滿足這些要求。

7.結論

智能手機為人們提供了越來越多的服務。隨著汽車逐漸發展成為主要的連接設備，它們有能力提供更多新的服務，為整個移動生態系統創造巨大的價值。為實現其巨大潛力，汽車連接依賴眾多的連接協議和能夠共存但互不干擾的頻段。

而且，隨著用戶和政府不斷推動使用更環保的車輛，所有汽車系統的功耗都需要被優化，包括連接系統在內。

安全也是用戶和政府關注的主要問題，V2X 必然會在全球范圍內得到廣泛的采用，這進一步推動了多連接協議共存和延長電池壽命的需求。

綜上所述，我們需要了解汽車行業的穩健性和可靠性要求，并選擇一種能夠應對所有這些挑戰的連接技術，同時保證供應并提供完善的發展路線圖來滿足當前和未來的需求，這一點非常重要。

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