Vehicle-to-Everything-Kommunikation V2X
Antennen-, Kabel- und Komponententests im V2X-Umfeld
V2X ermöglicht den Echtzeitdatenaustausch zwischen Fahrzeugen, Infrastruktur, Fußgängern und Netzwerken. Voraussetzungen sind zuverlässige Hardware und nahtlose Kommunikation. Vektornetzwerkanalysatoren wie die von Siglent sorgen für größtmögliche Sicherheit moderner V2X-Kommunikationssysteme.
Von Susanne Amirabadi, Siglent Technologies Germany
V2X (Vehicle-to-Everything) ist der Überbegriff für alle Kommunikationstechniken und -pfade, die zwischen einem Fahrzeug und verschiedenen Elementen aus der Umgebung stattfinden können. Die wichtigsten Vertreter:
Vehicle-to-Vehicle (V2V): Die Kommunikation zwischen Fahrzeugen dient zum Austausch von Echtzeitdaten wie Geschwindigkeit, Standort und Richtung, um Kollisionen zu vermeiden und die Straßensicherheit zu verbessern.
Vehicle-to-Infrastructure (V2I): Verbindet Fahrzeuge mit der Straßeninfrastruktur wie Ampeln und Schildern, um den Verkehrsfluss zu verbessern und Staus zu reduzieren.
Vehicle-to-Pedestrian (V2P): Ermöglicht es Fahrzeugen und Fußgängern, Warnungen und Benachrichtigungen auszutauschen, um die Sicherheit von Fußgängern zu erhöhen.
Vehicle-to-Network (V2N): Verbindet Fahrzeuge mit Mobilfunknetzen, um Zugang zum Internet, Echtzeitaktualisierungen und erweiterte Konnektivität zu bieten. Damit können unter anderem Verkehrsflüsse gesteuert und optimiert werden.
Die V2X-Technologie ist die grundlegende Technologie für die Entwicklung autonomer Fahrzeuge und Smart-City-Initiativen und treibt durch den Echtzeitdatenaustausch die Schaffung eines stärker vernetzten und effizienteren Verkehrssystems voran.
Herausforderungen der V2X-Technologie
In der Welt der V2X-Technologie ist eine nahtlose und zuverlässige Kommunikation die wichtigste Anforderung. Für verschiedene Systeme gibt es unterschiedliche Kommunikationsprotokolle wie etwa Dedicated Short-Range Communications (DSRC) oder Cellular V2X (C-V2X). Je nach Anwendungsfall kommt das dafür optimale Protokoll zum Einsatz, um Echtzeitdatenaustausch und Interaktion zu gewährleisten.
Die Effektivität von V2X-Systemen hängt stark von der Qualität der verwendeten Komponenten wie Antennen, Filter und Verstärker ab. Präzise Messungen und Optimierungen dieser Komponenten sind entscheidend, um eine zuverlässige Kommunikation und Systemeffizienz sicherzustellen. Ein häufig dafür eingesetztes Messmittel ist der Vektornetzwerkanalysator (VNA). Ganz gleich, ob als Handheld für die Anwendung im Fahrzeug oder als Tischgerät im Labor, sind VNAs das wichtigste Werkzeug, um kritische Komponenten fein abzustimmen und sicherzustellen, dass Kommunikationssysteme selbst unter anspruchsvollsten Bedingungen optimal funktionieren.
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VNA-Messungen im V2X-Umfeld
Um die optimale Leistung von V2X-Kommunikationssystemen sicherzustellen, eignen sich VNAs wie die von Siglent für viele unterschiedliche Messungen. Zum Beispiel: V2X-Kommunikationssysteme arbeiten über verschiedene Frequenzbereiche hinweg. In diesem Zusammenhang messen VNAs unter anderem die Netzwerkparameter von HF- und Mikrowellen-Komponenten und -Netzwerken, die integrale Bestandteile von V2X-Systemen sind. Die Handheld-VNA-Serie SHN900A von Siglent beispielsweise bietet einen weiten Frequenzbereich von 30 kHz bis 26,5 GHz, eine hohe Empfindlichkeit und viele fortschrittliche Funktionen und ist daher besonders gut für mobile Messungen über verschiedene Bänder hinweg geeignet. Diese Messungen helfen dabei, kritische Komponenten im System fein abzustimmen und deren Wirksamkeit unter realen Bedingungen zu überprüfen.
VNAs für Antennentests
Antennen sind die Schlüsselelemente jeder Funkkommunikation. Zur Charakterisierung von Antennen kommen typischerweise VNAs zum Einsatz. Für diese Aufgabe sind VNAs mit einer hohen Genauigkeit, einem großen Dynamikbereich und Embedding/De-Embedding-Funktion am besten geeignet. Sie garantieren genaue Messungen von Antennenparametern wie Rückflussdämpfung und Impedanzanpassung. Der Siglent VNA SNA6000A ist mit seinen flexiblen und leistungsstarken Funktionen und einer Dynamik von 135 dB perfekt für diese Aufgaben ausgestattet.
Der Prozess zur Messung des Antennengewinns umfasst mehrere Schritte und Überlegungen. Für höchste Präzision nutzt man eine reflexionsarme Kammer, damit Reflexionen und externe Interferenzen eliminiert werden und eine kontrollierte Umgebung geschaffen wird, in der nur die Signale der zu testenden Antenne gemessen werden. Alternativ können Antennengewinnmessungen auch in Außenbereichen erfolgen, wobei die Testantenne in einem bekannten Abstand zu einer Referenzantenne positioniert wird.
Vor der Messung des Gewinns der Testantenne muss das Messsystem mit einer Referenzantenne mit bekanntem Gewinn kalibriert werden. Dieser Kalibrierungsschritt stellt sicher, dass die Ergebnisse genau und mit Standardwerten vergleichbar sind. Eine gängige Messmethode umfasst die Übertragungsmethode, bei der die von der Testantenne empfangene Leistung gemessen und mit der von der Referenzantenne empfangenen Leistung verglichen wird. Der Gewinn wird dann basierend auf dem Unterschied in den empfangenen Leistungspegeln berechnet:
Dabei ist G der Antennengewinn, Pr die von der Testantenne empfangene Leistung und Pt die von der Referenzantenne empfangene Leistung. Die Testantenne wird in Azimut und Elevation gedreht, um den Gewinn in verschiedenen Richtungen zu messen, was hilft, das Strahlungsmuster der Antenne zu charakterisieren und etwaige Richtungsunterschiede oder -lücken zu identifizieren. Die gemessenen Daten werden analysiert, um den maximalen Gewinn, die Strahlbreite und andere relevante Parameter zu bestimmen, die zur Bewertung der Leistung der Antenne und ihrer Eignung für V2X-Anwendungen dienen.
Neben dem Antennengewinn haben weitere Faktoren Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von V2X-Kommunikationssystemen. Die Sicherstellung, dass die Polarisation der Antenne mit dem übertragenen Signal übereinstimmt, ist entscheidend für die Maximierung des Signalempfangs. Eine gute Impedanzanpassung minimiert Reflexionen und Leistungsverluste und erhöht die Gesamteffizienz des Systems. Die Position und Ausrichtung der Antenne am Fahrzeug oder an der Infrastruktur können die Leistung erheblich beeinflussen, daher ist eine sorgfältige Platzierungsüberlegung wichtig, um Hindernisse zu vermeiden und die Signalübertragung zu optimieren. Der Siglent SHN900A bietet eine umfassende, flexible und mobile Lösung für diese kritischen Aufgaben und ermöglicht Entwicklern, Innovationen im vernetzten Transportwesen voranzutreiben.
VNAs für Kabel- und Komponententests
Die Integrität von Kabeln und Komponenten in Systemen sicherzustellen ist von entscheidender Bedeutung. VNAs bieten genaue S-Parameter-Messungen und helfen damit dem Entwickler dabei, Probleme wie Signalreflexionen und -verluste zu identifizieren und zu beheben und damit die Kommunikationsqualität zu verbessern. Mit dem Kabel- und Antennentest-Modus (CAT) bietet der SHN900A eine hervorragende Lösung zur Identifizierung von Fehlern und Unterbrechungen. Ferner können Rückflussdämpfung, VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) und Einfügedämpfung, die entscheidend für die Bewertung der Dämpfungseigenschaften von Kabeln und Komponenten sind, vermessen werden. Der Dynamikbereich von 110 dB (typ.) ermöglicht, dass das Gerät selbst schwache Signale messen und analysieren kann.
Return Loss
Ein Beispiel ist der Return Loss. Damit wird bewertet, wie viel Leistung aufgrund schlechter Impedanzanpassung in Kabeln oder an Komponenten reflektiert wird. Ein hoher Return Loss führt dazu, dass ein großer Teil der eingespeisten Signalleistung nicht dort ankommt, wo man sie haben möchte. In V2X-Systemen ist diese Messung besonders wichtig für Kabel, die verschiedene Teile des Signalpfads mit der Antenne verbindet. Dies ist nicht nur im »Vehicle«, sondern auch für die Netzwerkverbindungen zwischen Straßeneinheiten und den zentralen Steuerungssystemen kritisch. Bei Return-Loss-Messungen, z. B. mit dem SHN900A, wird ein Signal durch das Kabel oder die Komponente geschickt und das reflektierte Signal, das zur Quelle zurückkehrt, gemessen. Der Return Loss berechnet sich dann mit der Formel:
Dabei ist Pincident die Leistung des auf das Kabel oder die Komponente eingebrachten Signals und Preflected die Leistung des reflektierten Signals. Der SHN900A bietet diese und weitere Messungen für einen weiten Frequenzbereich und ermöglicht es Ingenieuren, Impedanzanpassungsprobleme effektiv zu erkennen und zu beheben.
VSWR
Ein weiterer wichtiger Parameter ist das VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), das die Effizienz der Leistungsübertragung von der Quelle über die Übertragungsleitung zur Last (z. B. einer Antenne) misst. Im Grunde ist die VSWR eine andere Darstellungsform des Return Loss und wird häufig bei der Charakterisierung von Konnektoren verwendet. Somit ist das VSWR ebenfalls ein Charakterisierungsparameter für verschiedene Teile eines V2X-Systems. Dies schließt die Verbindung zwischen der Antenne und dem Transceiver in Fahrzeugen sowie die Verbindungen zwischen Straßeneinheiten und ihren Antennen ein. Eine perfekte Übereinstimmung ergibt ein VSWR von 1:1, was bedeutet, dass die gesamte Leistung ohne Reflexionen übertragen wird. Hohe VSWR-Werte weisen ebenso wie hohe Return-Loss-Werte auf eine schlechte Übereinstimmung hin, die Signalreflexionen und Leistungsverluste verursacht und zu ineffizienter Übertragung führt.
VSWR lässt sich komfortabel mit dem SHN900A per Menüeinstellung darstellen. Die folgende Formel dient damit nur zur Veranschaulichung des Zusammenhangs.
RL steht für Return Loss in dB. Messungen von Return Loss und VSWR mit einem VNA wie dem SHN900A helfen sicherzustellen, dass die Leistungsübertragung eines V2X-Systems effizient ist.
TDR
Die Zeitbereichsreflektometrie (TDR) ist eine weitere wichtige Messmethode zur Diagnose von Fehlern und Unterbrechungen in V2X-Kommunikationspfaden. Die TDR-Fähigkeiten moderner VNAs ermöglichen die Erkennung von Anomalien und Impedanzänderungen entlang der Übertragungsleitungen und liefern auch Informationen über die Position eines Fehlers. Es gibt zwei Möglichkeiten der Messung. Einmal wird ein Impuls auf die Leitung gegeben und die Reflexion gemessen. Durch die Analyse der Laufzeit und der Amplitude des rücklaufenden Signals lassen sich Ort und Stärke der Diskontinuität bestimmen. Die von VNAs verwendete Methode basiert auf der Messung von S-Parametern kombiniert mit der Berechnung der inversen Fourier-Transformation (IFFT). Damit erhält man ebenfalls eine zeitbasierte Darstellung des Impedanzprofils des Kabels oder des gesamten Signalpfads. Diese Messung wird verwendet, um Probleme wie Kabelbrüche, Verbindungsprobleme und Unterbrechungen zu identifizieren.
V2X ebnet den Weg für autonomes Fahren
Weil sich die V2X-Technologie weiterentwickelt, wird die Rolle präziser, hochleistungsfähiger Messwerkzeuge immer wichtiger. Die Zukunft des Transports hängt von der nahtlosen Integration von V2X-Systemen ab, die für eine umfassendere Fahrzeugautomatisierung, effizienteres Verkehrsmanagement und bessere Sicherheitsprotokolle unerlässlich sind.
Mit dem SNA6000A und dem SHN900A sind V2X-Profis nicht nur gut gerüstet für die aktuellen Herausforderungen, sondern auch um Innovationen voranzutreiben. Die Messgeräte von Siglent ermöglichen eine gründliche Validierung von Kommunikationssystemen, um sicherzustellen, dass sie den strengen Anforderungen moderner Verkehrsnetze gerecht werden. Durch die Nutzung dieses Tools lässt sich die V2X-Technologie vorantreiben, die Art und Weise, wie Fahrzeuge mit ihrer Umgebung interagieren, transformieren und die Zukunft des vernetzten Transports zum Leben erwecken. Kurz gesagt: Die Siglent VNAs sind mehr als nur ein Werkzeug – sie sind eine Hilfestellung für Fortschritt und unterstützen die Entwickler dabei, ein sichereres, intelligenteres und stärker vernetztes Verkehrssystem aufzubauen.
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