淺談超寬頻技術的車載應用與RF量測

作者 : 陳飛宇,台灣羅德史瓦茲技術經理

多年來工程師們一直在尋找一種智慧鑰匙技術,希望藉此達到多項不同的要求。目前蓄勢待發的超寬頻技術(Ultra Wide-Band;UWB)之車載應用正一步步地將這一願景變成現實…

隨著技術的不斷發展,汽車早已不再只是由車身、引擎、變速器、底盤以及內裝所組成之技術上簡單的載運工具,汽車的智慧化甚至於自動駕駛也不再只是科幻電影中那些吸睛的虛幻畫面。自從汽車問世以來,特別是隨著半導體技術的導入,各式各樣的電氣和電子元件持續供應汽車的各個可能部位,並且不斷地提升其舒適性與安全性。

近年來蓬勃發展中的各種車用感測器、基於大數據(big data)雲端運算技術的人工智慧(AI)裝置,以及即將導入商用的超高速率、超低延遲與超大容量數據傳輸之5G通訊網路,更是將汽車從最初作為載運工具的單一形態,最終納入具備共享模式的互連互通之運輸系統的核心動力。

追求便捷

智慧汽車的基本功能之一是智慧化門禁與啟動系統。在真正達到完全無需任何形式、可能被遺忘的攜帶實體鑰匙(例如藉由人臉、聲音、指紋等辨識)的時代到來之前,無線遙控門禁與啟動系統之導入、發展及其不斷完善,甚至直接與智慧型手機相結合,必然成為我們將親身經歷以及即將來臨的技術演進過程。

無線遙控門禁技術(Remote Keyless Entry;RKE)最早出現於1982年的法國車廠雷諾(Renault)運動車款Fuego,而非當時的高級豪華轎車,並於1990年代被其他汽車製造商廣泛採用。不久之後,智慧鑰匙問世並首先用於高級車款。到了20世紀初期,絕大部分的新車(即便是入門車款)上,無線遙控門禁技術已經成為標準配備了。

最初的遙控門禁技術是將短距離無線發射器整合在汽車點火鑰匙扣上。藉由在有效距離範圍內(通常為5至10公尺)壓按鑰匙扣上帶有相應標識的位置,即可向安裝於車身的接收器發送開門或關門的指令。雖然同一把鑰匙依然能夠開啟或關閉車門,使用遙控門禁系統卻可以無需將鑰匙插入車門上的鎖孔而快速完成開關車門。有些汽車製造商甚至將汽車點火與門禁兩種功能合二為一,以此提供更多快捷與便利,如免鑰匙引擎啟動。

智慧鑰匙開啟了真正的免鑰匙駕駛時代:你只需將智慧鑰匙放在衣袋內;當你走近你的愛車時,車門便自動開啟;當你在駕駛座位坐穩後,引擎便自動啟動;而當你離開愛車時,車門就會自動關閉。

對於無線遙控門禁之發射器的射頻(RF)量測主要是在於確保所發射的頻率及其功率與調變(通常為ASK或FSK)之穩定性。此外,針對智慧鑰匙還必須量測其磁場感測器功能的可靠性。

彈性化的RKE測試解決方案設置,可分析基於LF/UHF或UWB的待測物。(來源:Rohde & Schwarz)

安全第一

無線遙控門禁技術為人類帶來了莫大的便捷,但也同時存在著固有的弱點,甚至隱藏著不可忽略的潛在風險。遙控門禁抑或智慧鑰匙都使用無線RF技術發送訊號和數據。為了能夠把訊號傳得更遠,亦即延伸有效距離,通常的方法就是加大發射功率。然而這種方法總會存在一項負作用:對於各種無線接收器造成干擾。這一相互影響均可藉由相應的國際組織與協會所提供之建議以及生效的法規進行調控與監督。

除了上述可能的相互干擾之外,這些訊號和數據一旦被發送出去,它們就可以在空中幾乎無任何限制地傳播。這一特性使得截獲與竊取其中的關鍵數據變得容易且難以覺察。在2015年,著名的「吉普車駭客」(Jeep hack)展示已經證明,藉由非正常的手段可能入侵汽車所依賴的、帶有安全隱患的無線系統,並執行諸如開門、點火、轉向以及煞車等一連串的基本操作。這一展示也包括其他類似的實驗,讓工程師們了解在實現汽車智慧化、自動駕駛的過程中所存在的巨大挑戰。如何從系統整體層面,而不是僅僅從某個單一產品的角度,全方位地提升數據的安全性與保密性,將是決定最終能否成功的關鍵。

不斷完善

多年來工程師們一直在尋找一種智慧鑰匙技術,希望藉此達到多項不同的要求。例如,藉由計算訊號傳播時間差實現精準的距離與移動方向偵測的智慧遙控門禁,利用高保密性的協議認證方式建構更安全的電子防盜系統(Immobilizer)以實現智慧引擎啟動等等。目前蓄勢待發的超寬頻技術(Ultra Wide-Band;UWB)之車載應用正在一步步地將這一願景變成現實。

超寬頻技術是一種短距離無線通訊技術,其訊號頻寬高達至少500MHz。目前一般授權的頻率範圍是3.1GHz至10.6GHz,最大發射功率為-41.3dBm/MHz。由於超大頻寬的特點,其訊號皆為時間上極短的脈衝,很難被普通的手段偵測到,因此具有極高的安全性。也是基於其超大頻寬的特性,在相對較短的距離範圍內受到反射訊號之疊加干擾的機率極小,故而可以準確計算訊號傳播之時間差,並進一步推算距離與移動方向。此外,較低的最大授權發射功率不僅使得偵測與捕獲超寬頻訊號變得更加困難,從而使得安全性再次得到強化;它也讓超寬頻技術產品本身具有低耗電的優點,進而延長了電池壽命;同時,對於其它接收設備的干擾也相應地減少了。

標準為本

在美國聯邦通訊委員會(Federal Communications Commission;FCC)於2002年核准超寬頻技術商用之前,這一技術主要用於軍事領域的多種應用,如雷達與通訊。此後,非營利性聯盟WiMedia Alliance應運而生,主旨在於推動超寬頻技術的應用與標準化。2007年,IEEE 802.15工作組正式發布標準IEEE 802.15.4a版本(IEEE 802.15.4a-2007)。從此,低成本與低功率、適用於小型網路的超寬頻技術產品走向國際化。2018年,非營利性組織UWB Alliance成立,更為下一個增強版IEEE 802.15.4z的誕生而鋪路。

在標準IEEE 802.15.4a-2007中,調變技術主要採用具備向下兼容特性的合併式脈波位置調變(BPM)與二階相移鍵控(BPSK)調變機制(BPM-BPSK),每一個訊號脈衝都表示一個位元,並且每一個訊號脈衝的相位也可以用來表示一個位元。這樣使得產品以及系統設計更加靈活,亦即當需要較高的系統整體性能時(如降低系統誤碼率、提升測距的有效範圍等等),可以選用同調接收器;而當需要簡化產品或系統的結構時,非同調接收器可作為首選。此外,由於簡化了訊號接收過程中的演算法,非同調接收方式還可以有效延長電池壽命。

為了確保超寬頻技術產品的品質一致性,標準IEEE 802.15.4a-2007特別制訂了發射器的RF量測規範:

(1) 時間的準確度:待測訊號的脈衝重覆頻率(PRF)偏差不得超過規定數值的±20 × 10-6範圍;

(2) 頻率的準確度:待測訊號的中心頻率偏差不得超過規定數值的±20 × 10-6範圍;

(3) 脈衝響應:藉由交錯相關方法,把待測訊號與標準參考訊號在時間軸上進行比對,得以量測待測訊號脈衝的真實形狀,並利用量測待測訊號脈衝的旁瓣大小進行判讀(不同的頻率通道有不同的判斷要求)

(4) 功率頻譜密度:藉由量測待測訊號頻譜的方法,依照限定發射功率之大小對其功率頻譜密度進行判讀(不同的頻率通道有不同的判斷要求)

(5)時脈抖動:藉由量測待測訊號的符號速率(Symbol Rate)的方法進行判讀,其偏差不得超過規定數值的±40 × 10-6範圍

此外,在該標準的增強版完善過程中,有可能增加一些量測內容,如功率與時間的關係(Power vs Time),誤差向量振幅(EVM)等等。鑒於產品與系統的更迭通常存在一定時間的過渡期,RF量測設備應該具備靈活性與兼容性。不僅如此,量產時所不可或缺的自動化功能,以及車載電子系統中的電子控制單元(ECU)特性量測之整合性,都是RF量測設備供應商所必須考慮的。

結語

自從超寬頻技術商用化以來,應用領域層出不窮、不斷創新。從無人工廠或倉庫內各種物品的位置及其移動狀態之監控與調度、各式各樣的智慧化門禁,到低能耗、高保密的小型通訊網路、家庭監控系統等應用不勝枚舉,甚至在車載領域的應用市場更加廣闊。

在實現自動駕駛願景的過程中,汽車還必須超越固有的限制,進而學習如何「觀察」。這不僅是指路況及汽車周圍環境,還包括車內的各種情況與變化,在此利用超寬頻技術所建構的低能耗小型通訊網路正是其得以充份發揮極大優勢的最佳場景;藉由主動式的「觀察」,以達到全方位的智慧化。只有如此,才能及時做出正確判斷與反應,在真正意義上實現共享汽車之自動駕駛,讓未來的交通變得更加便捷、舒適、可靠和安全。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2020年8月號

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