CN114421991A - 一种v2x有源天线电路及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种V2X有源天线电路及其控制方法,电路包括T‑BOX电路和天线电路;所述T‑BOX电路包括应用处理器、V2X模块、第一电源管理模块、第一射频收发器、第二射频收发器、低通滤波器、第一高通滤波器和第一功分器,所述天线电路包括微控制器、第二电源管理模块、第三射频收发器、第四射频收发器、步进衰减器、带通滤波器、单刀双掷开关、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、低通滤波器、第二高通滤波器和第二功分器。此种技术方案能够对V2X信号可调放大增益,可实现在天线端对V2X上行、下行信号进行同步与放大,补偿射频线束的损耗,增强V2X信号覆盖范围。同时,由于方案实现了单同轴线控制方案,降低了V2X天线的布线成本与布线难度。
Description
技术领域
本发明属于车联网技术领域,具体涉及一种V2X有源天线电路及其控制方法。
背景技术
所谓V2X,意为vehicle to everything,即车对外界的信息交换。车联网通过整合全球定位系统(GPS)导航技术、车对车交流技术、无线通信及远程感应技术奠定了新的汽车技术发展方向,实现手动驾驶和自动驾驶的兼容。
简单来说,搭配了该系统的车型,在自动驾驶模式下,能够通过对实时交通信息的分析,自动选择路况最佳的行驶路线,从而大大缓解交通堵塞。除此之外,通过使用车载传感器和摄像系统,还可以感知周围环境,做出迅速调整,从而实现“零交通事故”。例如,如果行人突然出现,可以自动减速至安全速度或停车。
然而,由于V2X使用了5.9GHz频点,在空间、线束上的损耗极大,并且受限于车体,影响了V2X的覆盖范围。在以往的三跨四跨测试中,车辆V2X实际的覆盖范围往往只有200~300m。V2X目前最常见的天线设计方案为双发双收方案。若V2X天线为无源天线,要求天线装配在车顶,射频线束为较短的超低损耗线材,以保持对车辆四周的覆盖,这对于汽车外形设计、成本都有很高的要求。另有设计方案,由于布置方案所限,必须使用较长射频线材连接,使用超低损耗线材成本太高,且效果不好,因此增加了类似GNSS天线方案类似的LNA放大器,单向放大V2X方案。但这样牺牲了V2X的上行信号,会产生覆盖死角,覆盖范围并不理想。因此,业界希望,能有对V2X上下行都进行放大的有源天线方案。
由于V2X是TDD方案,对V2X上下行信号都进行放大,需要令V2X天线与模块上行、下行同步切换,并且对上下行分别进行增益控制。如使用单独的控制信号线,由于其寄生电感电容,以及接口器件延迟,无法达到TDD发射与接收切换的同步时间要求。此外,由于车辆上所需的通讯距离,远远大于串口的可靠通讯距离。串口等通讯方案,也不能满足车载EMC的测试标准。因此,V2X双向有源天线,必须要有高可靠、低延迟、低成本的控制方案,本案由此产生。
发明内容
本发明的目的,在于提供一种V2X有源天线电路及其控制方法,能够对V2X信号可调放大增益,可实现在天线端对V2X上行、下行信号进行同步与放大,补偿射频线束损耗,增强V2X信号的覆盖范围。
为了达成上述目的,本发明的解决方案是:
一种V2X有源天线电路,包括T-BOX电路和天线电路;
所述T-BOX电路包括应用处理器、V2X模块、第一电源管理模块、第一射频收发器、第二射频收发器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一高通滤波器和第一功分器,其中,第一电源管理模块为T-BOX电路中的各模块提供电源;应用处理器有3个端口,一个端口连接V2X模块,一个端口依次经过第一射频收发器、第一低通滤波器连接至第一功分器,一个端口依次经过第二射频收发器、第二低通滤波器连接至第一功分器;V2X模块还通过第一高通滤波器连接至第一功分器;第一功分器耦合至射频线缆;
所述天线电路包括微控制器、第二电源管理模块、第三射频收发器、第四射频收发器、步进衰减器、单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二带通滤波器、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第二高通滤波器和第二功分器,其中,第二电源管理模块为天线电路中的各模块提供电源;微控制器有3个端口,一个端口依次经过第四射频收发器、第四低通滤波器连接至第二功分器,一个端口依次经过第三射频收发器、第三低通滤波器连接至第二功分器,一个端口连接步进衰减器;单刀双掷开关的切换端分别通过第一、第二带通滤波器连接V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的PA端和LNA端,单刀双掷开关的另一端依次经由步进衰减器、第二高通滤波器连接至第二功分器;第二功分器通过天线射频端口连接射频线缆。
上述应用处理器采用高通M515系列处理器。
上述第二电源管理模块的输入为射频线缆上的12V电压,输出为5V、3.3V及1.8V电压。
上述V2X模块连接应用处理器的USB端口。
上述第二射频收发器连接应用处理器的SPI接口。
上述第四射频收发器连接微控制器的SPI接口,步进衰减器连接微控制器的I2C接口。
如前所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,用于实现V2X上行/下行信号处理;
上行信号:V2X模块通过调制与上变频,产生5.9GHz射频信号,发送至第一高通滤波器,第一高通滤波器滤波后由第一功分器耦合至射频线缆,再到达天线射频端口,依次经过第二功分器、第二高通滤波器送入单刀双掷开关,经第一带通滤波器、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的PA端放大后,通过天线单元辐射出去;
下行信号:V2X天线接收到的下行射频信号经V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的LNA端放大后,再依次经第二带通滤波器、单刀双掷开关、步进衰减器、第二高通滤波器、第二功分器后耦合至射频线缆;再依次经过第一功分器、第一高频滤波器送入V2X模块,进行下变频、解调生成V2X远端报文数据。
如前所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,用于实现V2X上行/下行同步信号处理;
应用处理器产生同步信号,并控制V2X模块处于发射状态,第一射频收发器调制后通过第一低通滤波器耦合至射频线缆;传输至天线射频端口后,依次通过第二功分器、第三低通滤波器、第三射频收发器进行解调,解调出的同步信号分别发送给单刀双掷开关、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、微控制器,用于发送接收通路切换同步。
如前所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,用于实现V2X上行/下行衰减补偿;
在V2X发射状态时,应用处理器根据车载同轴线线损以及天线端PA输入信号大小要求,计算上行衰减补偿,然后将补偿值通过第二射频收发器进行调制与上变频,得到433MHz射频信号,再经过第二低通滤波器后耦合至射频线缆;传输至天线射频端口后,通过第二功分器、第四低通滤波器、第四射频收发器进行解调,再送至微控制器,微控制器为步进衰减器配置衰减值。
上述微控制器利用如下公式配置衰减值:
上行衰减值=V2X模块发射功率-同轴线损耗-天线端PA输入功率要求
下行衰减值=天线端LNA增益-同轴线损耗-V2X模块接收通路输入功率要求。
采用上述方案后,本发明可实现在天线端对V2X上行、下行信号进行同步与放大,补偿射频线束的损耗,增强V2X信号覆盖范围。同时,由于方案实现了单同轴线控制方案,降低了V2X天线的布线成本与布线难度。
附图说明
图1是本发明中T-BOX电路的架构图;
图2是本发明中天线电路的架构图;
图3是本发明中T-BOX电路的原理图;
图4是本发明中天线电路的原理图。
具体实施方式
以下将结合附图,对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。
本发明提供一种V2X有源天线电路,包括T-BOX电路和天线电路,下面分别介绍。
如图1所示,是本发明中T-BOX电路的系统架构图,主要包括应用处理器AP、V2X模块、电源管理模块、射频收发器A,射频收发器B、低通滤波器(LPF)、功分器和高通滤波器(HPF),各部分功能及特点介绍如下:
应用处理器AP,可采用高通M515系列处理器,用于V2X收发同步信号控制,发射与接收补偿使能,补偿值计算与发送,并控制电源的使能。
V2X模块,将AP通过USB接口传来的V2X消息包,调制与上变频成为V2X射频信号,并将接收到的V2X射频信号解调为V2X消息包,传给AP进行处理。
电源管理模块,用于为有源天线提供电源,通过扼流圈耦合至射频线缆。
射频收发器A,将V2X收发同步信号控制信号调制、变频至125MHz信号,并通过功分器耦合至射频线缆。
射频收发器B,将通过SPI接收到的发射与接收补偿使能、补偿值等信息,调制、变频至433MHz,并通过功分器耦合至射频线缆。
V2X的射频信号通过高通滤波器滤波后,通过功分器耦合至射频线缆。
如图2所示,是本发明中天线电路的系统架构图,主要包括:微控制器MCU,电源管理模块,射频收发器A,射频收发器B,可编程步进衰减器,单刀双掷开关(SPDT),V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC,低通滤波器(LPF),功分器,带通滤波器(BPF)和高通滤波器(HPF),各部分功能及特点介绍如下:
微控制器MCU,选择能够支持SPI接口、I2C接口的型号,用于将接收到的发射接收补偿使能信号以及补偿值,通过I2C接口配置步进衰减器;
电源管理模块,将射频线缆上的12V电压,转化为5V、3.3V及1.8V提供至各个单元。
射频收发器A,将接收到的125MHz信号下变频与解调,得到V2X收发同步信号,提供至单刀双掷开关、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、MCU等单元。
射频收发器B,将接收到的433MHz信号下变频与解调,得到发射、接收补偿使能信号以及补偿值。
可编程步进衰减器,用于提供合适的衰减值,避免天线端PA输入饱和,控制V2X设备的输出功率;同时,根据接收机接收信号电平调整接收通路衰减,避免接收机饱和。
V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC,可将上行信号进行功率放大,并将接收到的小信号进行低噪声放大。
本发明还提供一种前述V2X有源天线电路的控制方法,能够实现V2X上行/下行的传输信号、内部同步信号处理,以及衰减补偿控制等功能,具体流程说明如下:
1)V2X上行/下行信号处理流程
V2X的本地报文,经过调制与上变频,由V2X模块产生5.9GHz射频信号。经过高通滤波器滤波后,通过功分器耦合至同轴射频线缆上;到达天线射频端口,通过功分器、高通滤波器,进入单刀双掷开关,经过带通滤波器、功率放大器放大后,通过天线单元辐射出去。
V2X的下行射频信号,通过V2X天线接收,低噪声放大器放大,带通滤波器滤除干扰,再依次经单刀双掷开关、步进衰减器、高通滤波器、功分器,耦合至射频线缆。到达T-BOX射频端口,依次经过功分器、高频滤波器,回到V2X模块,再经下变频、解调,生成V2X远端报文数据。
2)V2X上行/下行同步信号处理流程
V2X为TDD时分双工,上下行信号需严格按照时序进行切换。在T-BOX端处于发射状态时,天线端必须切换到发射通路,并使用PA将上行信号放大。在T-BOX端处于接收状态时,天线端必须切换到接收通路,并使用LNA将下行信号放大。
同步信号由AP产生,同时控制V2X模块,当其电平为高时,T-BOX端处于发射状态,由射频收发器A进行调制,得到125MHz射频信号,经过低通滤波器后耦合至同轴射频线缆。传输至天线射频端口后,通过功分器、低通滤波器、射频收发器A进行解调。
同步信号分别发送给单刀双掷开关、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、MCU,用于发送接收通路切换同步。
3)V2X上行/下行衰减补偿控制流程
用于V2X上行/下行信号动态衰减补偿,当处于V2X发射状态时,AP根据车载同轴线线损以及天线端PA输入信号大小要求,进行上行衰减补偿计算,而后AP将补偿值通过SPI、发射补偿使能信号,通过射频收发器B进行调制与上变频,得到433MHz射频信号,经过低通滤波器后耦合至同轴射频线缆。传输至天线射频端口后,通过功分器、低通滤波器、射频收发器B进行解调。
MCU接收到衰减控制信号后,通过I2C为可编程步进衰减器配置合适的衰减值,衰减值计算方法如下:
上行衰减值=V2X模块发射功率(通常为23dBm)-同轴线损耗(不同车型需要标定)-天线端PA输入功率要求
下行衰减值=天线端LNA增益-同轴线损耗(不同车型需要标定)-V2X模块接收通路输入功率要求
作为本发明的一个具体实施例,如图3和图4所示,实现各功能的具体处理流程说明如下:
1、V2X上行/下行信号处理
车辆实时信息,包含车速、车辆位置、本地时间等信息,在应用处理器U9按照V2X协议进行打包后,经过USB接口传至V2X模块U4,进行调制和上变频,得到5.9GHz TX射频信号。5.9GHz TX射频信号通过滤波器U3、功分器U2,到达射频连接器U1。U21同为射频连接器,U1与U21之间使用同轴射频线缆相连。射频信号到达U21后,经过U10功分器、U11高通滤波器,到达U12步进衰减器,U12受U20控制被配置成合适的衰减值。射频信号经过衰减后,到达单刀双掷开关U13,单刀双掷开关受V2X上下行同步信号控制,将开关打到发射通道,进入功率放大与低噪声放大器二合一芯片U14,进行放大后,到达陶瓷天线U15向无线空间辐射。
下行的V2X信号,通过天线U15接收信号,在功率放大与低噪声放大器二合一芯片U14,进行低噪声放大,单刀双掷开关U13被配置在接收通路,步进衰减器U12被配置为合适的接收衰减值,射频信号依次通过上述器件后,通过U10、U21耦合至同轴射频线,传输到T-BOX端。T-BOX端U3对下行信号进行滤波后,进入U4进行解调,得到周边车辆以及路测设备的V2X报文,经过处理器U9进行运算处理,触发各类V2X事件。
2、V2X上行/下行同步信号处理
U9将同步信号发送给V2X模块U4,以及射频收发器A U6,U6将同步信号调制为125MHz射频信号,通过低通滤波器U5、功分器U2、接口U1耦合至同轴射频线。天线端将125MHz射频信号滤波后,由射频收发器A U17进行解调,得到同步信号,并分别传输给单刀双掷开关U13、功率放大与低噪声放大器二合一芯片U14、MCU,进行同步控制。
3、V2X上行/下行衰减补偿处理
U9将上行/下行衰减补偿使能信号以及衰减补偿值,通过SPI发送给射频收发器BU8,U8将以上信息调制成为433MHz射频信号,按序通过低通滤波器U7、功分器U2、接口U1耦合至同轴射频线缆。天线端将433MHz射频信号滤波后,由射频收发器B U19进行解调,通过SPI传递给MCU,MCU将补偿信息通过I2C接口控制步进衰减器U12。
4、电源采用扼流圈直流耦合方法,从T-BOX端将12V电源传导至天线端,并在天线端通过DC/DC降压,提供给各个工作单元。
作为本发明的一个实施例,在实际应用中,由于车辆造型以及走线装配限制,T-BOX与鲨鱼鳍天线之间通常有较远的距离,此外,如果车辆无鲨鱼鳍,则需要将2个V2X天线分别布置在车身前后,或者车身左右,避免车身遮挡带来的信号盲区,因此,会有较长的传输线距离要求。对无源V2X天线方案,线束报价高,以5m线束为例,6GHz频点下,要求线束总体损耗低于2dB,即损耗低于0.4dB/m,5m线束报价上百元,而且由于低线损线束铜芯粗,造成线束整体重量大。而目前通用的射频线束,虽然便宜,5m长不到10元,然而在6GHz频点下,损耗2.2dB/m,5m将达到11dB损耗,无法用于V2X信号传输。如果改为使用短线束,则给覆盖、布置都带来各种限制和缺陷。
而基于本发明使用有源天线后,虽然提高了天线成本,但可以使用较便宜的线束,简化车身布置。更重要的是,由于天线端PA与LNA的存在,线束带来的信号损耗可以忽略不计。经试验,通过好的天线布置,通信距离可以由目前的200~300m提升至800~1000m。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种V2X有源天线电路,其特征在于:包括T-BOX电路和天线电路;
所述T-BOX电路包括应用处理器、V2X模块、第一电源管理模块、第一射频收发器、第二射频收发器、第一低通滤波器、第二低通滤波器、第一高通滤波器和第一功分器,其中,第一电源管理模块为T-BOX电路中的各模块提供电源;应用处理器有3个端口,一个端口连接V2X模块,一个端口依次经过第一射频收发器、第一低通滤波器连接至第一功分器,一个端口依次经过第二射频收发器、第二低通滤波器连接至第一功分器;V2X模块还通过第一高通滤波器连接至第一功分器;第一功分器耦合至射频线缆;
所述天线电路包括微控制器、第二电源管理模块、第三射频收发器、第四射频收发器、步进衰减器、单刀双掷开关、第一带通滤波器、第二带通滤波器、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、第三低通滤波器、第四低通滤波器、第二高通滤波器和第二功分器,其中,第二电源管理模块为天线电路中的各模块提供电源;微控制器有3个端口,一个端口依次经过第四射频收发器、第四低通滤波器连接至第二功分器,一个端口依次经过第三射频收发器、第三低通滤波器连接至第二功分器,一个端口连接步进衰减器;单刀双掷开关的切换端分别通过第一、第二带通滤波器连接V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的PA端和LNA端,单刀双掷开关的另一端依次经由步进衰减器、第二高通滤波器连接至第二功分器;第二功分器通过天线射频端口连接射频线缆。
2.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路,其特征在于:所述应用处理器采用高通M515系列处理器。
3.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路,其特征在于:所述第二电源管理模块的输入为射频线缆上的12V电压,输出为5V、3.3V及1.8V电压。
4.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路,其特征在于:所述V2X模块连接应用处理器的USB端口。
5.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路,其特征在于:所述第二射频收发器连接应用处理器的SPI接口。
6.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路,其特征在于:所述第四射频收发器连接微控制器的SPI接口,步进衰减器连接微控制器的I2C接口。
7.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,其特征在于:用于实现V2X上行/下行信号处理;
上行信号:V2X模块通过调制与上变频,产生5.9GHz射频信号,发送至第一高通滤波器,第一高通滤波器滤波后由第一功分器耦合至射频线缆,再到达天线射频端口,依次经过第二功分器、第二高通滤波器送入单刀双掷开关,经第一带通滤波器、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的PA端放大后,通过天线单元辐射出去;
下行信号:V2X天线接收到的下行射频信号经V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC的LNA端放大后,再依次经第二带通滤波器、单刀双掷开关、步进衰减器、第二高通滤波器、第二功分器后耦合至射频线缆;再依次经过第一功分器、第一高频滤波器送入V2X模块,进行下变频、解调生成V2X远端报文数据。
8.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,其特征在于:用于实现V2X上行/下行同步信号处理;
应用处理器产生同步信号,并控制V2X模块处于发射状态,第一射频收发器调制后通过第一低通滤波器耦合至射频线缆;传输至天线射频端口后,依次通过第二功分器、第三低通滤波器、第三射频收发器进行解调,解调出的同步信号分别发送给单刀双掷开关、V2X功率放大器与低噪声放大器二合一IC、微控制器,用于发送接收通路切换同步。
9.如权利要求1所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,其特征在于:用于实现V2X上行/下行衰减补偿;
在V2X发射状态时,应用处理器根据车载同轴线线损以及天线端PA输入信号大小要求,计算上行衰减补偿,然后将补偿值通过第二射频收发器进行调制与上变频,得到433MHz射频信号,再经过第二低通滤波器后耦合至射频线缆;传输至天线射频端口后,通过第二功分器、第四低通滤波器、第四射频收发器进行解调,再送至微控制器,微控制器为步进衰减器配置衰减值。
10.如权利要求9所述的一种V2X有源天线电路的控制方法,其特征在于:所述微控制器利用如下公式配置衰减值:
上行衰减值=V2X模块发射功率-同轴线损耗-天线端PA输入功率要求
下行衰减值=天线端LNA增益-同轴线损耗-V2X模块接收通路输入功率要求。
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CN202210036816.4A CN114421991A (zh) | 2022-01-12 | 2022-01-12 | 一种v2x有源天线电路及其控制方法 |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN115483943A (zh) * | 2022-08-31 | 2022-12-16 | 上海麦腾物联网科技有限公司 | 一种车载天线系统及其天线补偿器和补偿方法 |
WO2024051159A1 (zh) * | 2022-09-07 | 2024-03-14 | 智道网联科技(北京)有限公司 | 适用于自动驾驶车辆的电路和车辆 |
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2022
- 2022-01-12 CN CN202210036816.4A patent/CN114421991A/zh active Pending
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WO2024051159A1 (zh) * | 2022-09-07 | 2024-03-14 | 智道网联科技(北京)有限公司 | 适用于自动驾驶车辆的电路和车辆 |
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