开发带有射频收发器的电子收费路边单元模块

作者：Tairan Sun, Bill Wang, Shawn Liu, and Aaron He

2019年，由于政府政策，电子收费（ETC）应用在中国实现了爆炸式增长。安装车载单元（OBU）的汽车数量在短短一年内从8000万辆增加到2亿辆。随着OBU安装热潮的兴起，ETC应用程序的使用从高速公路扩展到城市，用于停车费和车辆信息收集等。目前，停车收费和车辆信息收集系统是基于摄像头的，因此对于城市环境中的ETC应用，需要将ETC路边单元（RSU）集成到摄像系统中。本文介绍使用AD9361射频（RF）收发器的ETC RSU模块实现方案。其目标应用是中国的ETC RSU，这意味着它必须符合中国标准GB/T 20851-2019“电子收费-专用短程通信”。1该模块的尺寸非常紧凑，分别为11厘米×6厘米，因此易于集成到相机系统内部。更重要的是，该ETC RSU模块还可以配置为简单的RF仪器，可用于在客户的生产线中测试ETC RSU模块。客户在生产线上不需要昂贵的射频仪器，从而节省了大量成本。

标准摘要

根据GB/T 20851-2019标准，表1和表2汇总了ETC RSU物理层要求。

参数	描述
载波频率	通道 1：5830 MHz 通道 2：5840 MHz
占用带宽 （OBW）	≤5兆赫
频率公差	±10 × 10-6
艾尔普	≤33分贝
杂散发射	30 兆赫至 1 千兆赫	≤–36 分贝/100 千赫
	2400兆赫至2483.5兆赫	≤–40 分贝/1 兆赫
	3400 兆赫至 3530 兆赫	≤–40 分贝/1 兆赫
	5725兆赫至5850兆赫*	≤–33 分贝/100 千赫
	其他频率：1 GHz 至 20 GHz	≤–30 分贝/1 兆赫
相邻通道泄漏率	≤–30 分贝
调制类型	问
调制深度	70% 至 90%
数据编码	清迈大学
比特率	256 千字节
比特率精度	±100 × 10-6
*载波带宽是载波频率的2.5倍

参数	描述
载波频率	通道 1：5790 MHz 通道 2：5800 MHz
频率公差	±200 × 10-6
接收器灵敏度	≤–70 分贝
最大输入功率	≥–20 分贝
通道内干扰抑制比	<+10分贝
邻道干扰抑制比	<–20 分贝
阻塞剔除率	<–30 分贝
接收带宽	通道 1	通道 2
	最大：5787.5兆赫 至5792.5兆赫	最大：5797.5 MHz 至 5802.5 MHz
	最小值：5788.5 MHz 至 5791.5 MHz	最小：5799.5 MHz 至 5801.5 MHz
调制类型	问
调制深度	70% 至 90%
数据编码	清迈大学
比特率	512 千字节
比特率精度	±100 × 10-6

基于AD9361的ETC射频放大器解决方案

基于AD9361的ETC RSU模块的框图如图1所示。前视图和后视图如图2所示。

图1.ETC RSU 模块框图。

图2.ETC RSU 模块前视图和后视图。

ADI公司的AD9361是一款高度集成的RF收发器，能够针对各种应用进行配置。该器件集成了在单个器件中提供所有收发器功能所需的所有射频、混合信号和数字模块。

值得强调的是，AD9361具有在ETC RSU应用中非常有用的特性。

首先，在发射路径和接收路径中，AD9361都集成了可编程多相FIR滤波器，这意味着所有数字域滤波都可以在AD9361内部完成，而不是在FPGA中完成。这节省了大量的FPGA资源，并且可以选择成本更低的FPGA。例如，为了满足接收带宽要求，客户可以使用ADI公司提供的滤波器向导工具来设计和调整FIR滤波器响应，然后将滤波器系数下载到AD9361中。

其次，AD9361具有DCXO特性，这意味着AD9361集成了用于外部晶体的电容。AD9361能够调谐电容，这意味着AD9361可以非常精确地控制外部晶体频率。在一般实现中，客户调整RF PLL N分频器以满足RF频率容差要求，但这取决于晶体性能以满足比特率精度要求，并且不可调。对于基于AD9361的解决方案，客户可以使用DCXO功能调谐晶体频率，以同时满足比特率精度和RF频率容差。并可以制作查找表来补偿晶体频率温度漂移，以保证ETC RSU模块在整个工作温度范围内满足频率公差和比特率精度要求。

第三，AD9361实现接收器AGC功能。它有两种模式 - 慢速AGC和快速AGC。它是全自动的，客户根本不需要在FPGA中实现任何接收器增益控制功能。快速AGC模式在ETC RSU应用中非常有用，并且经过测试，增益调整在上行链路导频信号的几个起始符号中稳定下来。

对于发射路径，FPGA首先将发送器数字基带信号发送到AD9361。在AD9361内部，数字基带信号首先在10.24 MSPS至163.84 MSPS范围内进行滤波和插值。其次，DAC将数字基带信号转换为模拟基带信号，然后进行低通滤波。第三，它被上变频为通道 1 的 5.83 GHz 或通道 2 的 5.84 GHz 射频信号。在发射器RF域中，AD9361集成了一个衰减器，可将AD9361的发射器输出功率控制在大于80 dB的范围内。衰减器可用于调节发射机输出功率电平以及整个发射机链路的增益温度补偿。然后将发射器信号馈入前端模块（FEM）内部的功率放大器（PA），并进一步放大，然后通过微带低通滤波器（LPF）抑制谐波以满足发射器杂散发射要求，最后将信号馈送到天线。在我们的ETC RSU模块设计中，天线端口的输出功率可以达到29 dBm，AD9361的发射器衰减设置为8 dB，这意味着AD9361具有足够的衰减动态范围来补偿高温增益降低和低温增益增加。

对于接收路径，来自天线的RF信号首先通过LPF，然后馈送到FEM内部的低噪声放大器（LNA），然后通过带通滤波器（BPF）来抑制带外干扰信号。在AD9361接收路径内，它被进一步放大，然后下变频为模拟基带。模拟基带信号经过低通滤波，然后ADC将其转换为数字基带信号。在数字域中，信号经过滤波以满足接收带宽要求，并从163.84 MSPS抽取至10.24 MSPS。然后AD9361将信号发送到FPGA。

对于电源解决方案，模块输入电压为5 V。ADP5014集成了四个高性能、低噪声降压稳压器。它将5 V转换为3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。输入5 V和ADP5014的四个输出电压为FEM、AD9361、FPGA和MCU提供所有电压轨。

变送器测试结果

标准中定义的所有发送器测试用例都经过测试，基于AD9361的ETC RSU模块以很大的优势通过了测试。几个关键测试用例的屏幕截图如图 3 到图 6 所示。

图3.输出功率为 29 dBm。

图4.调制深度为90%。

图5.ACLR 为 –50 dBc。

图6.占用带宽为 3.4 MHz。

接收机测试结果

标准中定义的所有接收器测试用例都经过测试，基于AD9361的ETC RSU模块以很大的优势通过了测试。对于接收器灵敏度测试，FM0编码，ASK调制信号被下载到信号发生器中。解调算法在FPGA内部实现。

ETC RSU模块接收器灵敏度为–95 dBm，远好于所需的–70 dBm。图7是输入信号为–95 dBm的I/Q数据FFT图和I/Q数据幅度图。结果表明，当输入信号电平为–95 dBm时，信号仍然具有相当好的SNR。

图7.输入信号电平为 –95 dBm 的 I/Q 数据 FFT 图（顶部）和 I/Q 数据幅度图（底部）。

对于最大输入功率、接收带宽、通道内干扰抑制、相邻通道干扰抑制和阻塞抑制等其他测试用例，该模块通过了所有测试。

简单的射频仪器实现

该 ETC RSU 模块可以配置为简单的射频仪器，用于在客户的生产线中测试 ETC RSU 模块和天线模块。

AD9361有两个RF通道。一个通道用于实现ETC RSU模块，另一个RF通道与板载高方向性微带耦合器一起用于回波损耗测试。

模块发送器测试使用AD9361接收信号强度指示器（RSSI）功能。校准后，AD9361的RSSI功能精度为0.25 dB，足以测试ETC RSU模块输出功率。

对于模块接收器测试，AD9361的输出功率可以在一个或两个功率电平下进行校准。然后，AD9361内部衰减器可用于提供宽范围的精确输出功率，以测试接收器。

结论

可以使用AD9361设计紧凑尺寸的ETC RSU模块。ADI公司提供完整的参考设计，包括硬件和固件。该模块很容易集成到相机系统中，也可以单独用作标准ETC RSU模块。它通过了标准GB/T 20851-2019中定义的所有ETC RSU要求。更重要的是，它可以配置为简单的射频仪器，可用于客户的生产线。

审核编辑：郭婷