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

2019年，由于政府政策，電子收費（ETC）應用在中國實現(xiàn)了爆炸式增長。安裝車載單元（OBU）的汽車數(shù)量在短短一年內(nèi)從8000萬輛增加到2億輛。隨著OBU安裝熱潮的興起，ETC應用程序的使用從高速公路擴展到城市，用于停車費和車輛信息收集等。目前，停車收費和車輛信息收集系統(tǒng)是基于攝像頭的，因此對于城市環(huán)境中的ETC應用，需要將ETC路邊單元（RSU）集成到攝像系統(tǒng)中。本文介紹使用AD9361射頻（RF）收發(fā)器的ETC RSU模塊實現(xiàn)方案。其目標應用是中國的ETC RSU，這意味著它必須符合中國標準GB/T 20851-2019“電子收費-專用短程通信”。1該模塊的尺寸非常緊湊，分別為11厘米×6厘米，因此易于集成到相機系統(tǒng)內(nèi)部。更重要的是，該ETC RSU模塊還可以配置為簡單的RF儀器，可用于在客戶的生產(chǎn)線中測試ETC RSU模塊。客戶在生產(chǎn)線上不需要昂貴的射頻儀器，從而節(jié)省了大量成本。

標準摘要

根據(jù)GB/T 20851-2019標準，表1和表2匯總了ETC RSU物理層要求。

基于AD9361的ETC射頻放大器解決方案

基于AD9361的ETC RSU模塊的框圖如圖1所示。前視圖和后視圖如圖2所示。

圖1.ETC RSU 模塊框圖。

圖2.ETC RSU 模塊前視圖和后視圖。

ADI公司的AD9361是一款高度集成的RF收發(fā)器，能夠針對各種應用進行配置。該器件集成了在單個器件中提供所有收發(fā)器功能所需的所有射頻、混合信號和數(shù)字模塊。

值得強調(diào)的是，AD9361具有在ETC RSU應用中非常有用的特性。

首先，在發(fā)射路徑和接收路徑中，AD9361都集成了可編程多相FIR濾波器，這意味著所有數(shù)字域濾波都可以在AD9361內(nèi)部完成，而不是在FPGA中完成。這節(jié)省了大量的FPGA資源，并且可以選擇成本更低的FPGA。例如，為了滿足接收帶寬要求，客戶可以使用ADI公司提供的濾波器向導工具來設計和調(diào)整FIR濾波器響應，然后將濾波器系數(shù)下載到AD9361中。

其次，AD9361具有DCXO特性，這意味著AD9361集成了用于外部晶體的電容。AD9361能夠調(diào)諧電容，這意味著AD9361可以非常精確地控制外部晶體頻率。在一般實現(xiàn)中，客戶調(diào)整RF PLL N分頻器以滿足RF頻率容差要求，但這取決于晶體性能以滿足比特率精度要求，并且不可調(diào)。對于基于AD9361的解決方案，客戶可以使用DCXO功能調(diào)諧晶體頻率，以同時滿足比特率精度和RF頻率容差。并可以制作查找表來補償晶體頻率溫度漂移，以保證ETC RSU模塊在整個工作溫度范圍內(nèi)滿足頻率公差和比特率精度要求。

第三，AD9361實現(xiàn)接收器AGC功能。它有兩種模式 - 慢速AGC和快速AGC。它是全自動的，客戶根本不需要在FPGA中實現(xiàn)任何接收器增益控制功能。快速AGC模式在ETC RSU應用中非常有用，并且經(jīng)過測試，增益調(diào)整在上行鏈路導頻信號的幾個起始符號中穩(wěn)定下來。

對于發(fā)射路徑，F(xiàn)PGA首先將發(fā)送器數(shù)字基帶信號發(fā)送到AD9361。在AD9361內(nèi)部，數(shù)字基帶信號首先在10.24 MSPS至163.84 MSPS范圍內(nèi)進行濾波和插值。其次，DAC將數(shù)字基帶信號轉換為模擬基帶信號，然后進行低通濾波。第三，它被上變頻為通道 1 的 5.83 GHz 或通道 2 的 5.84 GHz 射頻信號。在發(fā)射器RF域中，AD9361集成了一個衰減器，可將AD9361的發(fā)射器輸出功率控制在大于80 dB的范圍內(nèi)。衰減器可用于調(diào)節(jié)發(fā)射機輸出功率電平以及整個發(fā)射機鏈路的增益溫度補償。然后將發(fā)射器信號饋入前端模塊（FEM）內(nèi)部的功率放大器（PA），并進一步放大，然后通過微帶低通濾波器（LPF）抑制諧波以滿足發(fā)射器雜散發(fā)射要求，最后將信號饋送到天線。在我們的ETC RSU模塊設計中，天線端口的輸出功率可以達到29 dBm，AD9361的發(fā)射器衰減設置為8 dB，這意味著AD9361具有足夠的衰減動態(tài)范圍來補償高溫增益降低和低溫增益增加。

對于接收路徑，來自天線的RF信號首先通過LPF，然后饋送到FEM內(nèi)部的低噪聲放大器（LNA），然后通過帶通濾波器（BPF）來抑制帶外干擾信號。在AD9361接收路徑內(nèi)，它被進一步放大，然后下變頻為模擬基帶。模擬基帶信號經(jīng)過低通濾波，然后ADC將其轉換為數(shù)字基帶信號。在數(shù)字域中，信號經(jīng)過濾波以滿足接收帶寬要求，并從163.84 MSPS抽取至10.24 MSPS。然后AD9361將信號發(fā)送到FPGA。

對于電源解決方案，模塊輸入電壓為5 V。ADP5014集成了四個高性能、低噪聲降壓穩(wěn)壓器。它將5 V轉換為3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。輸入5 V和ADP5014的四個輸出電壓為FEM、AD9361、FPGA和MCU提供所有電壓軌。

變送器測試結果

標準中定義的所有發(fā)送器測試用例都經(jīng)過測試，基于AD9361的ETC RSU模塊以很大的優(yōu)勢通過了測試。幾個關鍵測試用例的屏幕截圖如圖 3 到圖 6 所示。

圖3.輸出功率為 29 dBm。

圖4.調(diào)制深度為90%。

圖5.ACLR 為 –50 dBc。

圖6.占用帶寬為 3.4 MHz。

接收機測試結果

標準中定義的所有接收器測試用例都經(jīng)過測試，基于AD9361的ETC RSU模塊以很大的優(yōu)勢通過了測試。對于接收器靈敏度測試，F(xiàn)M0編碼，ASK調(diào)制信號被下載到信號發(fā)生器中。解調(diào)算法在FPGA內(nèi)部實現(xiàn)。

ETC RSU模塊接收器靈敏度為–95 dBm，遠好于所需的–70 dBm。圖7是輸入信號為–95 dBm的I/Q數(shù)據(jù)FFT圖和I/Q數(shù)據(jù)幅度圖。結果表明，當輸入信號電平為–95 dBm時，信號仍然具有相當好的SNR。

圖7.輸入信號電平為 –95 dBm 的 I/Q 數(shù)據(jù) FFT 圖（頂部）和 I/Q 數(shù)據(jù)幅度圖（底部）。

對于最大輸入功率、接收帶寬、通道內(nèi)干擾抑制、相鄰通道干擾抑制和阻塞抑制等其他測試用例，該模塊通過了所有測試。

簡單的射頻儀器實現(xiàn)

該 ETC RSU 模塊可以配置為簡單的射頻儀器，用于在客戶的生產(chǎn)線中測試 ETC RSU 模塊和天線模塊。

AD9361有兩個RF通道。一個通道用于實現(xiàn)ETC RSU模塊，另一個RF通道與板載高方向性微帶耦合器一起用于回波損耗測試。

模塊發(fā)送器測試使用AD9361接收信號強度指示器（RSSI）功能。校準后，AD9361的RSSI功能精度為0.25 dB，足以測試ETC RSU模塊輸出功率。

對于模塊接收器測試，AD9361的輸出功率可以在一個或兩個功率電平下進行校準。然后，AD9361內(nèi)部衰減器可用于提供寬范圍的精確輸出功率，以測試接收器。

結論

可以使用AD9361設計緊湊尺寸的ETC RSU模塊。ADI公司提供完整的參考設計，包括硬件和固件。該模塊很容易集成到相機系統(tǒng)中，也可以單獨用作標準ETC RSU模塊。它通過了標準GB/T 20851-2019中定義的所有ETC RSU要求。更重要的是，它可以配置為簡單的射頻儀器，可用于客戶的生產(chǎn)線。

審核編輯：郭婷