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9778818威尼斯官网:美研制出硅基微芯片发光器,车里装载有线通讯技艺促进ITS发展。美国加州大学欧文分校官网2月8日发布公告称,该校研究人员创建了一种硅基微芯片发光器,其发射的G波段(110千兆赫到300千兆赫)毫米波信号创强度纪录。这段频率的光波更容易穿透人体等物体表面,提高医学和安检领域扫描和成像装置的分辨率。这种芯片还将在5G无线通信领域展现关键应用。

美国加州大学欧文分校2月8日发布公告称,该校研究人员创建了一种硅基微芯片发光器,其发射的G波段(110千兆赫到300千兆赫)毫米波信号创强度纪录。这段频率的光波更容易穿透人体等物体表面,提高医学和安检领域扫描和成像装置的分辨率。这种芯片还将在5G无线通信领域展现关键应用。 实验室测试表明,芯片发光器的能效打破了现有纪录,比同类装置高出一个数量级,同时具有较强的抗干扰能力。领导该研究的加州大学欧文分校电子工程和计算机科学教授帕亚姆·海德瑞,将在本周举行的美国电气和电子工程师协会固态电路国际会议上介绍这一最新研究成果。

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本文试图向中国汽车电子、半导体和通信行业的技术人员概要介绍先进的车载无线通信技术在推动智能交通系统的发展中所发挥的作用,从而为中国汽车电子产业的技术升级提供参考。

实验室测试表明,芯片发光器的能效打破了现有纪录,比同类装置高出一个数量级,同时具有较强的抗干扰能力。领导该研究的加州大学欧文分校电子工程和计算机科学教授帕亚姆·海德瑞,将在本周举行的美国电气和电子工程师协会固态电路国际会议上介绍这一最新研究成果。

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水—波激光示意图。图片来自以色列理工学院发言人办公室

智能交通 不停车收费 EFC

这种芯片发光器在设计上有两大创新:其一是将三种重要功能集成到一个装置内,即收集多个放大器的能量、将信号调到预设频率、发出可用于检测或通讯的信号,舍弃了传统发光装置内低效级间系统,大大提高了能量输出强度;其二是发光器内半导体芯片被设计成八角形,特有的空腔结构使其能发出圆极性信号,以微型自旋风形式呈现,这种形状的光束能穿透固体并提供清晰度极高的详细内部图像。而现有大多数发光装置只能产生线性极性信号,容易造成偏振而使信号减弱。

以色列理工学院11月29日发布公告称,该校研究人员首次通过实验证明,水与光相互作用也能发出激光,在之前被认为毫无关联的两个研究领域间构建起“桥梁”。全新的“水—波激光”可用来研制包含光波、声波和水波的微型传感器,或制作微流体“芯片实验室”装置,用于细胞生物学研究和检测新药。

交通系统建立在网络化的信息通信技术的基础之上,以实现交通管理的最佳化和道路的有效利用为手段,提高行车的安全性、舒适性以及道路的运输效率。据报道,日本在先进安全自动车(AdvancedSafetyVehicle,ASV)概念中,把ITS所需要的重要驾驶支持系统归纳为包括如下方面:

研究人员表示,新装置将在生物医学领域展示巨大潜力,用于从健康组织中分离肿块,或对单个蛋白进行精准研究。另外,对于正在研发中的5G无线标准、虚拟设备以及各种仪器、建筑和其他基础设施中的传感器和天线等,这种毫米波技术都会发挥重要作用,比如将其用于无人驾驶汽车的智能处理系统和雷达装置,可提高盲点检测准确度,避免撞车事故。

普通激光的形成过程是,原子内电子吸收外来能量后被激活,以激光形式发出辐射。而以色列理工学院机械工程学院光子力学中心主任塔尔·卡蒙的团队首次证明,水波在液体装置内振动也能产生激光辐射。他们在上周出版的《自然·光学》杂志上发表的论文中表示,水—波激光为科学家们开创了一个全新研究平台,未来可在不到一根头发宽的尺度上研究光与流体之间的相互作用。

1.防止碰撞前方障碍物的支持系统;

卡蒙解释道,之前从未证明光与水相互作用可产生激光的主要原因是,液体表面的水波振动频率不到每秒1000次,而光波振动频率更高,每秒能振动1014次,频率差异导致光波和水波之间的能量传递效率不高,从而无法产生激光辐射。

2.防止进入弯道危险速度支持系统;

9778818威尼斯官网:美研制出硅基微芯片发光器,车里装载有线通讯技艺促进ITS发展。为克服能量传递效率低的问题,研究人员创建了一种装置,可通过光纤将光传给辛烷(每个分子含8个碳原子的烷烃,76号汽油主要成分)和水形成的微小液滴。在这个装置内,光波和水波通过液滴时会发生百万次“相遇”,累积的能量让液滴辐射出水—波激光。

3.制动并用式车间距离定速控制ACC系统;

研究人员表示,光纤内光与液滴表面微小振动间的相互作用类似共鸣,就像声波与其通过的表面发生共鸣后发出多次回响一样。为了增加这种共鸣效应,他们特意选择了高度透明的液体,以强化光与液滴之间的相互作用。更重要的是,水滴比现有激光材料在软度上具有无可比拟的优势,只需施加微小光压,液滴变形程度就能比普通光子力学装置大数百万倍,因此能对激光发射量和激光强度进行更有效的控制。

4.防止越出车线支持系统;

5.维持车线支持装置;

6.防止碰撞车辆周围死角障碍物系统;

7.光随动系统;

8.碰撞预知伤害降低系统;

9.行人伤害降低及安全气囊系统;

10.睡意警报装置;

11.所有座位安全带使用劝告装置;

12.后侧方和侧方信息提供装置;

13.紧急制动信息提供装置;

14.夜间前方行人信息提供系统;

构建上述系统需要用于道路环境和车辆状态检测的各种传感器以及用于信息提供、报警及操作支持的各种控制装置。此外,与ASV道路交通和通信信息系统配套的车载信息通信系统(Telematics)要满足两方面的通信需求:

1.与道路信息的协调;

2.与通信系统的协调。

因此,以汽车为中心的信息通信技术、先进的驾驶控制系统和环境识别系统是汽车电子发展的下一波热点,其中,核心技术之一就是先进的无线通信技术。

本文试图向中国汽车电子、半导体和通信行业的技术人员概要介绍先进的车载无线通信技术在推动智能交通系统的发展中所发挥的作用,从而为中国汽车电子产业的技术升级提供参考。

车载无线网关提供统一的信息通信平台

目前,领先的汽车制造商已经开始研发针对驾驶员的信息服务系统和信息通信系统。例如克莱斯勒集团和HughesTelematics公司宣布将提供集合了信息娱乐、安全和远程诊断功能的车载信息通信系统(Telematics)。福特公司将提供配备蓝牙和微软操作系统的汽车。AutonetMobile公司也计划推出能够为车辆提供互联网接入服务的技术。

建立这些系统有望为制造商、零售商、消费者、导航服务提供商以及内容原创公司带来新的附加价值。例如,基于陆地和卫星的技术将为安全、保密、信息娱乐、远程诊断、维护通知和多播提供信息通信服务,最终有可能使远程升级车载系统成为可能。如图1所示,下一代智能交通系统将建立在先进的移动通信、卫星通信和互联网的基础之上。

9778818威尼斯官网 3 图1:基于互联网的智能交通系统需要建立完善的车载信息通信系统(图片来源:Hitachi公司)

从上图显而易见,无线通信技术将在智能交通系统中扮演重要的角色。瑞萨科技的专家指出,为了满足基于无线的信息通信系统的需要,汽车中有望出现一个智能交通电子控制单元,由它通过WLAN和专用短程通信(DSRC,DedicatedShortRangeCommunication)实现车与车之间、车与路之间的通信。可以想象,3G无线通信有着广阔的应用前景,本文在此不赘述。

9778818威尼斯官网 4 图2:以汽车为中心的无线通信技术(图片来源:瑞萨科技 )

值得注意的是DSRC技术的发展动向。国际上,DSRC标准化体系分为欧、美、日三大阵营所制订。欧洲采用的是CEN/TC278标准、日本采用的是ISO/TC204标准,它们都选择5.8GHz作为DSRC通信频率;美国正逐步地将应用于智能交通领域内的自动车辆识别的频率转向5.8GHz~5.9GHz系统,FCC(美国联邦通信委员会)也正式将5.9GHz频段批准用于专用短程通信。中国目前采用的是源于ISO/TC204国际标准化组织智能运输系统技术委员会(国内编号为SAC/TC268)的5.795-5.815GHzISM频段。目前,2.45GHz系统应用相对较少,没有形成主流。

传统上,DSRC是ITS智能交通系统领域中专门用于机动车辆在高速公路等收费点实现不停车自动收费EFC(ElectronicFeeCollection)的技术,也就是长距离RFID射频识别(又称电子标签E-tag)。DSRC标准主要涉及两类设备:路边设备RSU(Road-SideUnit)和车载设备OBU(On-BoardUnit)。正是通过路边设备RSU与车载设备OBU之间建立通信,使得装有OBU的机动车辆在中速(50~60Km/h)情况下通过部置有RSU天线的门架时,实现车辆与路边设备RSU的数据交换。

国际上,松下电器在CEATECJAPAN2006上展出了支持5.8GHz频段DSRC的新一代ITS车载设备,这种通信系统将过去一直用于EFC的DSRC应用范围扩展到了其他服务和安全行驶辅助领域,例如,接收交通拥堵信息等等。该产品预计将在2007年度投入实用。

此外,推出DSRC芯片方案的还有冲电气工业、东光和TransCore公司。以TransCore公司研制出的Modem为例,它除了具备专用短距离通信功能之外,还能够实现长距离GPS和卫星通信的功能。据报道,该Modem的GPS精确度可达1米,并提供与汽车之间的多路通信通道,能够给车辆提供安全服务,且具有自动预警功能,并不受地域限制。该项技术将使汽车OEM厂商可以开发出完整的预防安全系统,具备火灾自动报警以及防止相撞的功能。

利用DSRC技术避免汽车之间的相撞事故是一项尖端的技术研究目标。业内认为,DSRC基础设施网络的建设是一个相当漫长的过程,这为中国半导体行业开发具备WiMAX、DSRC、GPS甚至蜂窝电话通信功能的统一无线网关,促进智能交通系统的发展提供的重要机会。可以预见的是,未来的汽车将成为一个随时随地由无线网络连接的移动通讯平台。

9778818威尼斯官网,利用毫米波雷达和图像传感器构建智能驾驶控制系统

据日本Hitachi公司的研究显示,日本和西方国家正在努力开发更为先进的安全技术,其目标是把每年的交通事故和灾害降低30%~50%,为此,要开发一种新型的驾驶控制系统,这种的系统的主要功能包括:

1.自适应巡航系统;

2.预防撞刹车系统(PrecrashSafetySystem);

3.停止和前进(Stop-And-Go)控制系统;

4.车道保持系统;

为了实现上述功能,需要采用一系列基于毫米波雷达的环境识别传感器、图像处理摄像机以及新型的刹车、方向盘和其它子系统。其中的关键无线电技术就是毫米波雷达传感器。

9778818威尼斯官网 5 图3:环境识别技术在汽车中的应用(图片来源:Hitachi公司)

目前,国际汽车半导体厂家在毫米波雷达器件上已经取得了一系列突破。例如,飞思卡尔半导体已经展示了使用硅锗技术的面向77GHz频带毫米波雷达的射频芯片。该芯片主要面向在部分汽车上配备的车与车之间的间距控制系统及预防撞安全系统等的车间距检测用途。与此同时,飞思卡尔还开发将射频芯片与接口IC、微控制器一起封装的毫米波雷达模块,以及旨在使该模块实现小型化的小型天线。由于通用毫米波雷达将来会成为必不可少的装备,据称,该公司今后还将对毫米波雷达的所有技术进行不断开发。

此外,新日本无线公司成功开发了使用76GHz频带的面向车载毫米波雷达的VCO。在AlN底板上形成基于微带线的电路后,通过表面封装耿氏二极管及变容二极管形成VCO。日本村田公司也推出了采用介质振荡器、振荡频率为38GHz的VCO。京瓷不久前也推出了两款用于60GHz频段无线通信和76GHz频段车载雷达等毫米波频段的陶瓷天线。

在实际使用的过程中,雷达系统与偏航速率传感器采用一体化设计,配备于车前隔栅后方。成功的案例包括:德尔福最大检测角度为15度的新型巡航控制系统毫米波雷达;雷克萨斯LS460车型使用毫米波雷达和摄像机实现车辆前方障碍物识别功能和后方车辆识别功能;日野为Profia车型增加的标配追尾减轻制动系统,它利用毫米波雷达判断出追尾危险后,发出警报音并起动制动器,通过追尾减轻制动系统中的“预防撞安全系统”来防止碰撞。

由于毫米波雷达产生的电波能够穿透人体,从而给健康造成不良影响,因此毫米波雷达在能够检测的障碍物方面存在局限性,比如不能将行人作为障物来检测等,只能借助于摄像技术。在这方面,NEC抢占日本市场半壁江山的“预防撞安全”系统市场,该公司利用车载图像识别并行处理器,通过采用结合毫米波雷达及摄像头等多个传感器的信息进行综合处理的方式,检测包括前方车辆及行人在内的立体物体的距离和速度,向驾驶员发出警报,从而减轻冲撞造成的伤害。因此,代表了环境识别技术的发展方向之一。图3为基于毫米波雷达和图像传感器的环境识别技术在汽车中的应用的示意图。

结语

随着智能交通系统的发展以及驾驶员对信息通信需求的增加,对路-车之间、车-车之间无线通信技术的需求与日俱增。

比较而言,传统的车载无线电设备—收音机、GPS、遥控无钥进入、TPMS和GSM/GPRS设备等,都是相对独立的无线电设备。在智能交通系统中,把无线通信技术、车载汽车计算平台、信息显示系统以及驾驶控制系统有机地结合起来,构成统一的ITSECU或车载信息通信系统(Telematics)平台,将对无线电通信技术提出更高的要求,设计过程中面临的最大挑战在于如何将不同标准和频点的无线电通信设备集成为一体。在此,软件无线电技术将有着无限的应用空间。

由于智能交通系统的建设牵涉面广,因此,需要汽车制造商与汽车电子、半导体、通信、软件设计及内容提供等行业开展广泛的跨行业协作。此外,国家的产业政策支持以及相关标准的引导也是至关重要的。

参考文献:

  1. ‘Trends in Drive Control Systems and Hitachi Group Initiatives,’ Hitachi.

  2. ‘瑞莎汽车电子技术的应用和发展’,2006汽车电子深圳技术论坛峰会演讲文集

  3. 易汉文,‘美国智能交通10 年发展规划’

  4. 中国电子报, www.cena.com.cn

  5. www.hitachi.com.cn

  6. 吕京建,‘汽车计算平台新技术综述’, 电子产品世界 www.eepw.com.cn/othermeeting/2006em/汽车计算平台新技术综述-吕京建.pdf

  7. ‘城市交通智能化设想: 综合性公共移动信息服务系统’,电子产品世界 www.eepw.com.cn /Bookmark/zhai.aspx?bookmarkid=187

  8. 邹治永, ‘智能驱动和控制技术为汽车行驶安全带来革命性变化’, 电子产品世界, 2006年10月上半月, 第114页

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