面向智能化和可持续移动性的 RF-SOI 优化衬底

图1: 连接性赋能智慧出行

 
交通运输行业正在经历根本性的变革，它欣然迎接可持续性和智能出行的概念，愈加关注消费者和全社会的需求、习惯与偏好（见图1）。
 
新技术已然催生了第一波移动服务的浪潮，而无所不在的无线连接则在其中发挥着关键性作用。如今我们司空见惯的拼车和网约车等流行服务即得益于智能手机和其他移动互联网连接设备的广泛应用。
 
新兴的 5G、Wi-Fi 6(E) 和 V2X 以及其他连接系统正在助力移动服务范围的进一步扩大。例如，它们通过提升车辆与道路基础设施之间的无线交互来提高驾驶安全性，或是与其他车辆之间的无线交互来优化交通条件。车载无线连接还可以轻松实现车内的高质量视频与音频娱乐内容访问，让乘客体验更加舒适。
 
在参考文献【1】和【2】中，我们探讨了 RF CMOS 技术和 RF-SOI 优化衬底不断发展以提供高性能射频(RF) 和毫米波前端 (RFFE)，为新兴应用要求的可靠性和稳健性奠定了基础。本文将对 RF-SOI 技术在智能出行中的作用提供详细的分析。
 
在此，我们尤其关注轻型乘用车，因为连接概念可以由此外推至商用和实用型车辆。

本文第 2 节将介绍汽车网联化的一般概念以及它所依赖的系统和网络协议。第 3 至 6 节着重描述确保实现可持续、可靠和稳健的汽车网联化所需的多种射频技术模块。第 7 节则概述了最快被采用的车载免提系统之一：UWB。最后在第 8 节给出结论，总结了汽车网联化如何依赖于众多射频技术与技巧，以及这些技术中的大多数是如何得益于我们在 CMOS 领域和 RF-SOI 前端（RFEE）发展中积淀多年的丰富专业知识。

1. 网联汽车

如参考文献【3】、【4】以及图2中所示，网联汽车依赖于多个系统和网络，这些系统和网络提供如下的功能：
 
1. 连接到云 - 远程信息处理（Telematics）
 
● 通过蜂窝网络和卫星 4G LTE、5G、Wi-Fi 等标准
 
2. 连接到驾驶员/乘客 - 信息娱乐（Infotainment）
 
● 通过 Wi-Fi、Bluetooth® 等标准
 
3.  连接到环境 – 车联万物（Vehicle to Everything, V2X）
 
● 通过专用短程通信 (DSRC)、蜂窝车联网 (C-V2X)、超宽带 (UWB) 等标准

 

a                                                               b                                                      c 

图 2：车辆与 (a) 云、(b) 驾驶员/乘客和 (c) 周围环境的连接
 

就硬件方面而言，全车无线连接需要多个天线与射频前端 (RFFE)。乘用车的天线常位于车顶，称为鲨鱼鳍天线。但随着汽车美学的发展，集成在车身面板中的共形天线也越来越常见。但无论如何，天线都位于车辆表面附近，以避免汽车金属车身产生的法拉第静电屏蔽效应。此外，为了尽量减少可能损害发送/接收信息完整性的损耗和干扰，原始设备制造商 (OEM) 们大都选择将射频前端也放置在尽可能靠近天线的位置，如图 5 所示。
 

图 3. (a) 鲨鱼鳍和 (b) 保形面板车载天线及相应射频前端
 

下面，我们将详细探讨每种连接系统的特点及其射频前端的独特性。

2. 远程信息处理系统
 

图 4. 远程信息处理控制单元 (TCU) ，或称远程信息处理盒 (T-BOX)

 
与所有无线设备一样，网联汽车依赖多个射频 IC 和射频模块来实现可靠的无线连接。大多数此类元件都包含在一个“盒子”中，通常称为远程信息处理盒（T-BOX），也称为远程信息处理控制单元（TCU）。 如图 4 所示，TCU 中包含了用于传感、定位以及数据存储、处理与传输的功能模块。在这些模块中，网络接入设备（NAD）中又包含了确保蜂窝网络（4G LTE 或 5G）通信可靠与稳健所需的所有电路，而图 5 提到的射频前端即涵盖在这其中，这也是本节重点关注的内容。
 

图 5： 网络接入设备 (NAD) 蜂窝射频前端和首选衬底材料

 
汽车型号及其可选功能通常针对不同的区域进行商品化，汽车 NAD 也需根据区域的不同遵守蜂窝连接条例与规则。如图 6 所示，3.5GHz 左右的中频已成为全球最常用的蜂窝网络频谱；因此，许多 NAD 提供商和用户均选择 C 频段作为射频前端工作的特许频段也就不足为奇了。
 
C 频段在覆盖范围与带宽、以及数据速率之间进行了良好的平衡 （见第 6 节）。更重要的是，采用该频段的 NAD 彼此之间干扰最小，同时又能与其他连接系统（例如 Wi-Fi 和 C-V2X）共存；因此，射频前端的线性度成为设计的关键要素。
 

图 6. 部分国家在 S 频段和 C 频段的频谱分配

 
如参考文献【1】和【2】中所述，干扰可能出现在射频前端无源器件（传输线、电感等）或有源电路（晶体管、二极管等）的任一点。而采用富陷阱的 RF-SOI 优化衬底来构建大部分的射频前端电路，无论干扰发生在何处，都将被最小化。如图 7 所示，TCU 中使用的不同频段相互彼此接近时，频段泄漏将极大地影响相邻频段；而 RF-SOI 优化衬底将有助于最大限度地减少这种泄漏。
 

图 7. 得益于射频前端的高线性度，RF-SOI 可最大限度地减少干扰

 
如图 8 所示，采用富陷阱的 RF-SOI 衬底（例如 Soitec 的 iFEM-SOI 和 RFeSI 产品）可以最小化射频信号的非线性二次和三次谐波。与非富陷阱的 RF-SOI (HR-SOI) 衬底相比，这种改善非常显著；我们用共面波导 (CPW) 来表现典型的非线性射频信号特性。
 

 

图 8：(a) RFeSI 衬底上的共面波导（CPW）以及 (b) 在不同 RF-SOI 衬底上测得的二次和三次谐波
 

模块化是 NAD 设计的另一个关键要素，它提供的灵活性可用于满足不同区域市场的需求。 而将发射、接收和滤波功能集成在多个模块中的射频前端组件更具优势，因为它们可以快速更换，以适应车辆所在的销售区域，并满足区域法规和当地客户的偏好。
 
如图 5 所示，RF-SOI 为射频前端模块 (RF FEM) 提供了无可比拟的集成灵活度，这有助于将高性能低噪声放大器 (LNA)、开关和功率放大器 (PA) 集成到单个芯片中，或集成到与滤波器和其他支持功能相关的高附加值多技术模块中。

人们常常误以为，集成了大型电池的汽车也必定能够满足电力需求大的系统。然而事实远非如此，现代汽车对功效的要求与旗舰智能手机或其他任何现代便携式无线设备一样的高。现代汽车需要容纳越来越多的传感器、MCU 和其他电子系统，这些系统的功耗必须得到最有效的优化。
 
NAD 设计人员应密切关注射频前端的电流消耗、功耗和整体功效。最小化射频前端插入损耗和整体射频链路预算是设计人员必须完成的任务。而高能效 NAD 的射频前端以热量形式消耗的功率更少，因此可以极大地帮助确保整体 NAD 高可靠的运行。
 
为了最大限度地降低超长连接器造成的损耗，NAD（也即它所属的 TCU）通常位于离天线不远的位置，因而也暴露于车身所处的大温度变化条件之下。而且众所周知，集成 PA 的模块工作温度可能会上升至 85°C 以上。这两个因素的叠加会对汽车射频前端可靠稳健的运作带来严峻挑战，在设计早期，就应审慎考虑以避免这些问题。
 
在宽温度变化条件之下（见参考文献【7】），提供稳定线性性能的 RF-SOI 衬底具备明显的优势。它有助于确保温升不会显著增加射频前端的非线性度、影响 NAD 功能和/或干扰相邻的无线系统。这也是基于 RF-SOI 衬底的射频前端与其他汽车射频前端之间最主要的区别。
 
随温度变化的低线性漂移特性（RFeSIxT）是 Soitec 的 RFeSI 系列产品中添加的一项新功能 （见参考文献 【8】）。如图 9(b) 所示，RFeSIxT 在超过 85°C 的温度下也能提供稳定的线性性能，同时还保持所有其他 RFeSI 衬底的优势 （见参考文献 【1】）。与之相比，图 9(a) 显示的 Soitec RFeSI（不具备 RFeSIxT 功能）线性行为则随温度变化，因此更适用于消费级产品。
 

图 9： RFeSI 富陷阱 RF-SOI 系列产品随温度变化的线性性能：(a)不具有和(b)具有RFeSIxT 随温度变化的低线性漂移特性

 
为汽车驾驶员和乘客提供安全性对所有的汽车系统都至关重要，其中也包括远程信息处理系统。RFIC 是汽车应急呼叫系统的重要组成部分，我们将在下节对其进行详细讨论。

2.1 应急与支持系统

汽车无线应急系统的关键组成之一是在发生事故时向应急响应团队（救护车、消防员等）提供关键信息的系统。关键信息包括车辆定位（例如 GNSS 坐标）、事故发生时间、汽车/乘客的状况（应急呼叫的原因）和车辆识别，以及其他任何有助于在提供急救支持时能够节省关键时间的信息（见图 10）。
 

图10: 应急与支持连接系统
 

不同的地域和移动运营商有不同的策略来提供应急连接。这类服务通常由私有运营商提供 （见参考文献【9】、【10】）；但在欧盟 (EU) ，则由所有欧盟国家均可访问的公共车辆应急呼叫（eCall）响应服务提供（见参考文献【11】）。自 2018 年 3 月 31 日起，欧盟销售的所有新车都强制性要求安装 eCall 系统。按照欧盟的规定，所有新车中的 eCall 系统都必须具备以下功能：
 
● 能够在碰撞中和碰撞后自动运行，无需汽车电池
 
● 能够承受从 -40°C 到 +105°C 的极端温度
 
● 提供 8 至 10 分钟的电话连接，电池寿命长达 10 年
 
● 通过蜂窝网络提供紧急服务回拨，时长达到 60 分钟
 
● 符合国际标准化组织(ISO) 的 26262 汽车安全完整性等级(ASIL) A 标准。
 
在发生事故的时候，无论车辆处于何种状态，若要确保需传输的数据能够找到通向工作 TCU 天线的路径，并联系到应急响应小组，这不是一件容易的事，它要求射频开关异常稳健。应急呼叫射频开关应能够在兼容蜂窝网络的功率（达几百毫瓦）下进行热切换，并符合 ASIL A 标准 （见参考文献【12】）。而 RF-SOI 技术是助力设计满足这两个要求的最常用的开关技术（见参考文献【13】）。
 
如果 NAD 集成了 eCall 系统，则 NAD 本身也应通过 ASIL 认证。因此，部分制造商会选择将 eCall 系统置于 NAD 之外，这样仍然可以通过汽车消费级认证，但又降低与认证相关的设计复杂性与成本。此时，基于 RF-SOI 衬底的 CMOS 技术发挥了重要作用，它推动了模块化的 TCU 设计，有助于实现灵活的 TCU + eCall 设计，如图 11 (a) 所示。而且如前所述，RF-SOI 是 eCall 开关不同拓扑的首选技术，如图 11 (b) 所示。
 

 

图 11： TCU (a) 安全认证分区示例和 (b) (c) 集成 在 RF-SOI 中的不同应急开关拓扑

 
如果要在提供应急服务的同时还提供常规服务（例如固件更新），汽车 OEM 有时会与移动网络运营商（MNO）合作 （见参考文献【14】），但这让车主对他们的蜂窝网络运营商几乎没有选择权。为了给车主提供更多选择移动运营商的灵活性，部分汽车 OEM 采取了双卡双待 (DSDA) 的系统方法（见参考文献【15】），2.2节中会详细讨论。

2.2  DSDA 双卡双待

用户识别模块，即 SIM 卡，用于存储国际移动用户识别码 (IMSI) 和任何蜂窝网络用户独有的其他数据。它是将设备连接到蜂窝网络的必需元件。
 
顾名思义，DSDA 配置依赖两张 SIM 卡，并且需要两个单独的收发器，以及与之关联的 RFFE 发送器 (Tx) 和接收器 (Rx)，以便连接两个现有运营商。采用 DSDA 系统，汽车 OEM 可以继续依赖其合作伙伴运营商，同时也为车主提供了灵活性。车主可以同时使用他们自己想用的运营商，并受益于家庭数据套餐等个性化服务。

然而，使用两个 RF 路径虽具备一定的优势，但同时也增加了 NAD 功耗和 RFFE 的复杂性。因此，线性度和相关的功耗效率成为 DSDA 系统的关键设计考量因素。上文已提到，RF-SOI 具备明显的线性优势，并有助于降低 NAD RFFE 的功耗。而且，借助 NAD 的模块化，我们更可以设想出一种替代方法，例如采用 2x2 MIMO 分集架构，取代之前图 5 中描述的 4x4 分集架构，从而选择性地降低蜂窝（4G LTE 或 5G）DSDA NAD 的功耗与复杂性，如图 12 所示。
 

图12: 具有 2x2 MIMO 分集架构的 DSDA NAD
 

3. 信息娱乐系统
 

 图 13： (a) 移动信息娱乐系统以及 (b) 凭借 RF-SOI 实现的连接标准共存

 
汽车用户常常认为，车就是家的延伸，他们已经开始期待在车上享有与家中相同的连接水平。车载信息娱乐系统（Infotainment）通常依赖 Wi-Fi 和蓝牙协议来提供对应用的访问，例如高清音频和视频、互联网浏览等 (见图 13(a))。
 
而通过 5G 连接的 NAD，汽车用户能够访问全新的宽带频道，并享有它所具有的数千兆比特的数据速率与低延迟。
 
在火车和公共汽车等公共交通工具中，乘客也开始期待在通勤时可以有高数据速率的连接。5G 毫米波（mmW）连接无疑是一个很好的选择，但考虑到复杂的通信环境，它同时也颇具挑战。在参考文献 【16】 中，作者即展示了如何通过软件控制、机器学习和人工智能 (AI) 以及适当的 5G 毫米波蜂窝网络基础设施来实现每秒数千兆比特的数据速率。
 
5G 毫米波大规模 MIMO 天线阵列系统 (AAS) 中众多的 RFFE 推动了高性价比的大集成水平，也巩固了 RF-SOI 作为5G 赋能技术的地位。图 14(a) 显示了在 RF-SOI 双极化（水平H 和垂直V）毫米波前端上的全集成 CMOS，它具有开关、PA、LNA、移相器、可变增益放大器 (VGA)，同时支持控制、偏置、内存及电源组合等功能（见参考文献【17】）。
 

图 14： (a) RF-SOI 中的毫米波前端 IC 集成为实现 (b) 更高的功率放大器 (PA) 功率附加效率 (PAE) 提供了更简便的途径

 
5G 毫米波 PA 宽带调制带宽要求线性度非常高的节能技术。简而言之，这种 PA 的设计及其集成被认为是 5G 毫米波射频前端设计中最具挑战性的任务之一。
 
图 14(b) 中的数据来自参考文献【18】 ，它展示了采用不同技术提供的移动应用所需的典型毫米波前端 PA 饱和功率 (Psat) 水平；根据 AAS 的辐射元件数量不同，Psat 从 10 到 20dBm 以上不等。更重要的是，该图突显了 RF-SOI 凭借其集成能力能够提供更简便的支持功能集成途径，从而助力实现最高的功效，并最大限度地延长电池寿命（见参考文献 【17】）。
 
另一方面，FD-SOI（见参考文献【3】）还为更多的数字和模拟混合信号内容集成提供了极为有效且高效的途径。它常被用于收发器 (TRX) 与射频前端的集成，但会牺牲一些 Psat 以减小占板面积。如图 14(b) 所示，氮化钾（见参考文献【3】）等第三代半导体在 Psat 水平约为 30dBm 或更高时表现出极佳的性能。
 
由于车舱内需要共存的Wi-Fi 连接设备越来越多，需求也愈加多样化，通过 Wi-Fi 热点在车内分配宽带接入资源也变得越来越困难。
 
如参考文献 【2】中所描述，采用 RF-SOI 技术设计的 Wi-Fi 6 和 Wi-Fi 6E 兼容系统，更擅长为大量的连接设备提供设备所需的数据有效负载，同时还具有出色的功耗。而且，RF-SOI 所具有的线性度有助于确保蜂窝网络和 Wi-Fi 系统共存，同时还不会产生有害干扰（如图 13(b)所示）。
 
但要注意，车载信息娱乐系统需要通过 AECQ 认证，而供应链供应商则需要通过 IATF 16949 认证（见参考文献【19】）。

4. V2X 车连万物

通过前两节的描述可以得知，远程信息处理系统和信息娱乐系统可以通过蜂窝网络为车辆提供连接。不仅如此，V2X 系统还可以使用蜂窝网络作为中介 (V2N) 将车辆间接连接到其他任何对象；或者，无需中介，通过不同类型的链路提供直接连接：
 
● 车辆到车辆（V2V），如用于避免碰撞
 
● 车辆到基础设施（V2I），如用于动态控制交通信号
 
● 车辆到行人（V2P），如向行人和其他易受伤害的道路使用者提供警报信号
 
V2X 目前采用了两个专用标准：专用短程通信（DSRC）和蜂窝车联万物（C-V2X），并在特许智能交通系统 (ITS) 频段 5.9GHz 附近运行。
 
专用短程通信 (DSRC) （即IEEE 802.11p）是 Wi-Fi 协议的一个专用版本。该版本消除了设备之间对任何中间系统的需求，因而实现了低延迟通信。与此同时，与蜂窝系统不同，DSRC 具备自我管理功能，还可以通过 4G LTE 和/或 5G 提供蜂窝网络访问。
 
蜂窝车联万物 (C-V2X) 由专为蜂窝通信开发协议的 3GPP 定义。与 DSRC 不同，C-V2X 使用蜂窝协议，因此我们有理由相信，将车辆集成到由 5G 新无线电支持的新兴垂直领域中，C-V2X 有潜力发挥更加积极的作用（见参考文献【20】）。
 
车辆安全是 V2X 系统的一个目标应用，因此也需要符合 ISO26262 标准 （见参考文献【13】）。在文献 【21】中，作者得出的结论是，V2X 处理以及与外部系统的接口都需要达到 ASIL B级别；而一旦 V2X 可以影响车辆控制，则其余 V2X 功能均需要达到 ASIL A 级别。

第一种方法是将 V2X 系统集成到 TCU 中，并将其中一部分 RFFE 集成到 TCU 的 NAD 中，这种方法具有明显的成本与节能优势。例如，具有集成 GNSS 接收器的 TCU 蜂窝调制解调器可用于 V2X 的定位功能。通过使用射频路由开关，连接 NAD 的天线可用作 V2X 5.9GHz ITS 信号的辐射路径。这些优势虽颇具吸引力，但设计人员仍然要考虑，一旦 NAD 集成V2X 系统，则 NAD 本身也应根据 ISO26262 认证标准获得 ASIL-B 或 ASIL-A 认证。
 
鉴于包含了蜂窝、远程信息处理和信息娱乐系统的 NAD 颇具复杂性，通过 ISO26262 认证将非常具有挑战性，而且会增加汽车消费级产品的成本。
 

 

 

图15: 车联万物（V2X）系统

 
大多数汽车高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和 TCU OEM 都采用包含两个独立子系统的模块化方法：一个汽车消费级子系统和一个通过 ISO26262 认证的子系统，如图 11(a) 所示。采用两个独立但互补的复杂系统会给功耗指标带来极大的压力，因此两个子系统都应具备高度优化的功耗。如前所述，RF-SOI 具有的显著优势可以帮助最大限度地降低射频前端中的损耗，从而降低功耗。
 
除了连接性之外，被称为车联网 (IoV) 的新功能也越来越多地被采用来提升车辆的舒适性和安全性。其中，最为常见的是免提接入系统。

5. 免提接入系统

汽车免提接入通常使用三种连接标准：蓝牙 (BT)、超宽带 (UWB) 和近场通信 (NFC)。
 
智能手机中被广泛采用的蓝牙技术，如今也成为许多销售车辆中免提接入设备的标配。但是，尽管蓝牙无钥匙接入中使用了加密协议，它仍然很容易受到射频干扰和中间人攻击 （见参考文献【22】）。
 
为了应对可能出现的攻击，很多汽车 OEM 开始采用超宽带技术（UWB）作为比蓝牙 （BT） 更安全的替代方案。UWB 技术采用的短时域脉冲可以实现精确的飞行时间 (ToF) 和到达角 (AoA) 测量 （见参考文献【23】）。结合使用 ToF 和 AoA 能够以更高精度确定发射器的位置。例如，只有当用户走向车辆并靠近它时，才能解锁车门。
随着 UWB 在智能手机和密钥卡中越来越多的应用，不难相信，这项技术终将取代蓝牙来实现无钥匙接入。不过，由于 UWB 感知范围较小，当距离车辆超过 10 米时，蓝牙 仍可作为追踪用户的一个补充系统来使用。
 
如果密钥卡或智能手机电池耗尽，还可以使用 NFC 备用系统。只要无源/ULP（超低功耗）NFC 钥匙与车体某个部分（例如要打开的门）中的有源读取器保持紧密接触，即可授予车辆用户接入权限。
 

 

图16: 汽车免提接入系统

 
现在成功的 UWB 生态系统可以通过 SoC 以及射频前端得到实现。为最大限度降低插入损耗并确保高隔离度，射频前端可采用基于 RF-SOI 的 RF开关。在配备了 UWB 的智能手机等高性能设备中，低噪声放大器 (LNA) 也可以与射频前端中的开关集成在一起（见参考文献【24】），以最大限度地降低损耗，从而提高灵敏度。

6. 车联网的射频挑战与解决方案总结

鉴于全球和地区安全法规是推动更高车辆连接性的关键驱动因素之一，毫无疑问，未来几年我们将持续看到蜂窝、V2X 和其他互补连接系统更多地应用于汽车当中。
 
目前仍有一些汽车供应链参与者认为，连接性对任务关键型安全应用来说是不可靠的；但随着 5G 增强功能（例如低延迟）的出现，这种看法正在改变。而且，随着 5G 的不断部署以及运营商网络的密集化，更大的带宽、更高的数据速率和更佳的覆盖范围也指日可待。再加上用于连接管理和前瞻性覆盖的新软件、新硬件不断出现，以及 MNO 和 OEM 提供的新功能，诸如双卡双待等多 SIM卡 解决方案，这些都必将强力推动乘用车和实用车采用更高的连接性。
 
得益于过去几十年中积累的大量 IP 组合与专有技术 （见参考文献 【1】、【2】），基于 RF-SOI 优化衬底的 CMOS 现在已是一项成熟且可靠的技术。下表总结了本文讨论过的一些汽车 RFIC 需求，以及 Soitec RF-SOI 优化衬底如何满足这些要求。
 

 

7. 结论 

智能手机为人们提供了越来越多的服务。随着汽车逐渐发展成为主要的连接设备，它们有能力提供更多新的服务，为整个移动生态系统创造巨大的价值。为实现其巨大潜力，汽车连接依赖众多的连接协议和能够共存但互不干扰的频段。
 
而且，随着用户和政府不断推动使用更环保的车辆，所有汽车系统的功耗都需要被优化，包括连接系统在内。
 
安全也是用户和政府关注的主要问题，V2X 必然会在全球范围内得到广泛的采用，这进一步推动了多连接协议共存和延长电池寿命的需求。
 
综上所述，我们需要了解汽车行业的稳健性和可靠性要求，并选择一种能够应对所有这些挑战的连接技术，同时保证供应并提供完善的发展路线图来满足当前和未来的需求，这一点非常重要。

8. 参考文献 

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[2] L. Andia, Y. Morandini, J-M. Le Meil, “RF-SOI Engineered Substrates at the Heart of Modern RF & mmW Front-ends - Part 2: Wi-Fi,” Soitec Whitepaper, February 2021.
 
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[15] “BMW Group and Telekom integrate 5G and Personal eSIM networking into a vehicle,” [Online] Available as December 2021. https://www.press.bmwgroup.com/global/article/detail/T0341433EN/bmw- group-and-telekom-integrate-5g-and-personal-esim-networking-into-a-vehicle
 
[16] Mobile Experts, “Making mmWave Work in the Car,” October 2021
 
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[24] J. Yoshida, “iPhone 11, Watch 5: What’s New, What’s Dropped,” EETimes Europe, May 2019.
 
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