ETC路側(cè)模塊開(kāi)發(fā)，ADI射頻收發(fā)芯片強(qiáng)效助力
[導(dǎo)讀]受政府政策影響，電子道路收費(fèi)(ETC)應(yīng)用在中國(guó)出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。僅僅2019一年的時(shí)間里，安裝車(chē)載單元(OBU)的汽車(chē)數(shù)量就從8000萬(wàn)飆升至2億。在OBU安裝量激增的同時(shí)，ETC的應(yīng)用范圍也從高速公路擴(kuò)展到城市，例如停車(chē)收費(fèi)和車(chē)輛信息收集。目前，停車(chē)收費(fèi)和車(chē)輛信息收集系統(tǒng)都基于...
受政府政策影響，電子道路收費(fèi)(ETC)應(yīng)用在中國(guó)出現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。僅僅2019一年的時(shí)間里，安裝車(chē)載單元(OBU)的汽車(chē)數(shù)量就從8000萬(wàn)飆升至2億。在OBU安裝量激增的同時(shí)，ETC的應(yīng)用范圍也從高速公路擴(kuò)展到城市，例如停車(chē)收費(fèi)和車(chē)輛信息收集。目前，停車(chē)收費(fèi)和車(chē)輛信息收集系統(tǒng)都基于攝像頭，所以如果要在城市環(huán)境中推廣ETC應(yīng)用，還需要將ETC路邊單元(RSU)集成到攝像頭系統(tǒng)中。本文介紹使用 AD9361 射頻(RF)收發(fā)器的ETC RSU模塊方案。該方案的目標(biāo)應(yīng)用是中國(guó)的ETC RSU，因此必須符合中國(guó)的GB/T 20851-2019《電子收費(fèi)—專(zhuān)用短程通信》標(biāo)準(zhǔn)。1該模塊緊湊小巧，僅11 cm × 6 cm，可以輕松集成到攝像頭系統(tǒng)中。此外，這個(gè)ETC RSU模塊也可以配置為一個(gè)簡(jiǎn)單的RF儀器，用于測(cè)試客戶(hù)生產(chǎn)線(xiàn)中的ETC RSU模塊?？蛻?hù)無(wú)需在生產(chǎn)線(xiàn)中使用昂貴的RF儀器，可以大大節(jié)省成本。標(biāo)準(zhǔn)匯總
根據(jù)GB/T 20851-2019標(biāo)準(zhǔn)，匯總了ETC RSU物理層的要求，具體如表1和表2所示。表1. ETC RSU下行鏈路物理層關(guān)鍵要求匯總*遠(yuǎn)離載波頻率的2.5倍載波帶寬
表2. ETC RSU上行鏈路物理層關(guān)鍵要求匯總基于AD9361的ETC RSU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是一款高集成度的RF收發(fā)器，能夠通過(guò)不同配置實(shí)現(xiàn)各種廣泛應(yīng)用。它在單個(gè)器件中集成了提供所有收發(fā)器功能所需的RF、混合-信號(hào)和數(shù)字模塊。
值得注意的是，AD9361具有多種非常適合ETC RSU應(yīng)用的功能。
首先，AD9361在發(fā)射路徑和接收路徑中都集成了可編程的多相FIR濾波器，這意味著所有數(shù)字域?yàn)V波都可以在AD9361內(nèi)部完成，而不是在FPGA中完成。這樣可以節(jié)省大量FPGA資源，且可以選擇使用成本更低的FPGA。例如，為了滿(mǎn)足接收帶寬要求，客戶(hù)可以使用ADI公司提供?濾波器向?qū)?工具來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)整FIR濾波器響應(yīng)，然后將濾波器系數(shù)下載到AD9361中。
其次，AD9361具有DCXO功能，這表示AD9361集成的電容可用作外部晶振。AD9361能夠調(diào)諧電容，意味著AD9361能夠精準(zhǔn)控制外部晶振的頻率。在一般實(shí)現(xiàn)方案中，客戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)RF PLL N分頻器來(lái)滿(mǎn)足RF頻率容差要求，但能否滿(mǎn)足位速率精度要求，則取決于晶振的性能，且不能調(diào)整。對(duì)于基于AD9361的解決方案，客戶(hù)可以使用DCXO功能來(lái)調(diào)整晶振頻率，以同時(shí)滿(mǎn)足位速率精度和RF頻率容差要求。我們可以制作一個(gè)查找表來(lái)補(bǔ)償晶振頻率溫度漂移，以確保ETC RSU模塊在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)都能滿(mǎn)足頻率容差和位速率精度要求。
第三，AD9361實(shí)現(xiàn)了接收器AGC功能。它提供兩種模式：慢速AGC和快速AGC。它是全自動(dòng)的，客戶(hù)根本不需要在FPGA中提供任何接收器增益控制功能?？焖貯GC模式在ETC RSU應(yīng)用中非常有用，且已通過(guò)測(cè)試，因此增益調(diào)整在開(kāi)始傳輸上行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)時(shí)便能穩(wěn)定下來(lái)。
在發(fā)射路徑中，首先由FPGA將發(fā)射器數(shù)字基帶信號(hào)發(fā)送給AD9361。隨后數(shù)字基帶信號(hào)在AD9361中進(jìn)行濾波和插值（從10.24 MSPS至163.84 MSPS）。然后，DAC將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)，再進(jìn)行低通濾波。最后，通過(guò)上變頻得到5.83 GHz（通道1）或5.84 GHz（通道2）的RF信號(hào)。在發(fā)射器RF域中，AD9361集成了一個(gè)衰減器，可以在大于80 dB的范圍內(nèi)控制發(fā)射器輸出功率。該衰減器可用于調(diào)節(jié)發(fā)射器的輸出功率電平，以及整個(gè)發(fā)射器鏈路的增益溫度補(bǔ)償。之后，將發(fā)射器信號(hào)饋入前端模塊(FEM)內(nèi)部的功率放大器(PA)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大之后再流經(jīng)微帶低通濾波器(LPF)濾除諧波，以滿(mǎn)足發(fā)射器的雜散發(fā)射要求，最后，將信號(hào)饋送至天線(xiàn)。在我們的ETC RSU模塊設(shè)計(jì)中，將AD9361的發(fā)射器衰減設(shè)為8 dB，天線(xiàn)端口的輸出功率可達(dá)到29 dBm，這意味著AD9361具有足夠的衰減動(dòng)態(tài)范圍來(lái)補(bǔ)償高溫增益下降和低溫增益上升。
在接收路徑中，來(lái)自天線(xiàn)的RF信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低通濾波器，之后饋入FEM內(nèi)部的低噪聲放大器(LNA)，然后再通過(guò)帶通濾波器(BPF)，以濾除帶外干擾信號(hào)。在AD9361接收路徑中，該信號(hào)被進(jìn)一步放大，然后下變頻為模擬基帶信號(hào)。模擬基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波，然后由ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)。在數(shù)字域中，會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以滿(mǎn)足接收帶寬要求，再進(jìn)行抽取（從163.84 MSPS至10.24 MSPS）。然后，AD9361將信號(hào)發(fā)送至FPGA。
對(duì)于電源解決方案，模塊的輸入電壓為5 V。ADP5014 包含4個(gè)高性能、低噪聲降壓調(diào)節(jié)器。它將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。5 V輸入和ADP5014的4個(gè)輸出電壓提供FEM、AD9361、FPGA和MCU所需的所有電壓軌。發(fā)射器測(cè)試結(jié)果按照標(biāo)準(zhǔn)中定義的所有發(fā)射器測(cè)試用例，我們對(duì)基于AD9361的ETC RSU模塊進(jìn)行了測(cè)試，最終均通過(guò)測(cè)試，且具備不錯(cuò)的裕量。幾項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試用例的屏幕截圖參見(jiàn)圖3至圖6。
圖3. 29 dBm輸出功率
圖4. 90%調(diào)制深度
圖5. –50 dBc ACLR
圖6. 3.4 MHz占用帶寬
測(cè)得我們的RSU模塊接收靈敏度為–95 dBm，遠(yuǎn)優(yōu)于要求的–70 dBm。圖7是輸入信號(hào)為–95 dBm時(shí)的I/Q數(shù)據(jù)FFT圖和I/Q數(shù)據(jù)幅度圖。圖中顯示，當(dāng)輸入信號(hào)電平為–95 dBm時(shí)，信號(hào)的SNR仍然非常不錯(cuò)。
圖7. 輸入信號(hào)電平為–95 dBm時(shí)的I/Q數(shù)據(jù)FFT圖（上圖）和I/Q數(shù)據(jù)幅度圖（下圖）
AD9361有兩個(gè)RF通道。一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)ETC RSU模塊，另一個(gè)為RF通道，與板載高方向性微帶耦合器配合使用，用于執(zhí)行回波損耗測(cè)試。
進(jìn)行模塊發(fā)射器測(cè)試時(shí)，我們使用了AD9361接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)功能。AD9361的RSSI功能的校準(zhǔn)后精度為0.25 dB，足以測(cè)試ETC RSU模塊的輸出功率。
進(jìn)行模塊接收器測(cè)試時(shí)，可以在一個(gè)或兩個(gè)功率電平下校準(zhǔn)AD9361的輸出功率。然后，使用AD9361內(nèi)部衰減器來(lái)提供各種精確的輸出功率，以測(cè)試接收器。結(jié)論可以使用AD9361設(shè)計(jì)出緊湊小巧的ETC RSU模塊，ADI公司提供包含硬件和固件的完整參考設(shè)計(jì)。該模塊可以輕松集成到攝像頭系統(tǒng)中，也可單獨(dú)用作標(biāo)準(zhǔn)ETC RSU模塊。該模塊滿(mǎn)足GB/T 20851-2019標(biāo)準(zhǔn)中定義的ETC RSU要求。此外，可以將它配置為簡(jiǎn)單的RF儀器，用于客戶(hù)的生產(chǎn)線(xiàn)中。關(guān)于ETC，還有這些你需要了解
根據(jù)GB/T 20851-2019標(biāo)準(zhǔn)，匯總了ETC RSU物理層的要求，具體如表1和表2所示。表1. ETC RSU下行鏈路物理層關(guān)鍵要求匯總*遠(yuǎn)離載波頻率的2.5倍載波帶寬表2. ETC RSU上行鏈路物理層關(guān)鍵要求匯總基于AD9361的ETC RSU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。ADI公司的AD9361是一款高集成度的RF收發(fā)器，能夠通過(guò)不同配置實(shí)現(xiàn)各種廣泛應(yīng)用。它在單個(gè)器件中集成了提供所有收發(fā)器功能所需的RF、混合-信號(hào)和數(shù)字模塊。
值得注意的是，AD9361具有多種非常適合ETC RSU應(yīng)用的功能。
首先，AD9361在發(fā)射路徑和接收路徑中都集成了可編程的多相FIR濾波器，這意味著所有數(shù)字域?yàn)V波都可以在AD9361內(nèi)部完成，而不是在FPGA中完成。這樣可以節(jié)省大量FPGA資源，且可以選擇使用成本更低的FPGA。例如，為了滿(mǎn)足接收帶寬要求，客戶(hù)可以使用ADI公司提供?濾波器向?qū)?工具來(lái)設(shè)計(jì)和調(diào)整FIR濾波器響應(yīng)，然后將濾波器系數(shù)下載到AD9361中。
其次，AD9361具有DCXO功能，這表示AD9361集成的電容可用作外部晶振。AD9361能夠調(diào)諧電容，意味著AD9361能夠精準(zhǔn)控制外部晶振的頻率。在一般實(shí)現(xiàn)方案中，客戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)RF PLL N分頻器來(lái)滿(mǎn)足RF頻率容差要求，但能否滿(mǎn)足位速率精度要求，則取決于晶振的性能，且不能調(diào)整。對(duì)于基于AD9361的解決方案，客戶(hù)可以使用DCXO功能來(lái)調(diào)整晶振頻率，以同時(shí)滿(mǎn)足位速率精度和RF頻率容差要求。我們可以制作一個(gè)查找表來(lái)補(bǔ)償晶振頻率溫度漂移，以確保ETC RSU模塊在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)都能滿(mǎn)足頻率容差和位速率精度要求。
第三，AD9361實(shí)現(xiàn)了接收器AGC功能。它提供兩種模式：慢速AGC和快速AGC。它是全自動(dòng)的，客戶(hù)根本不需要在FPGA中提供任何接收器增益控制功能?？焖貯GC模式在ETC RSU應(yīng)用中非常有用，且已通過(guò)測(cè)試，因此增益調(diào)整在開(kāi)始傳輸上行鏈路導(dǎo)頻信號(hào)時(shí)便能穩(wěn)定下來(lái)。
在發(fā)射路徑中，首先由FPGA將發(fā)射器數(shù)字基帶信號(hào)發(fā)送給AD9361。隨后數(shù)字基帶信號(hào)在AD9361中進(jìn)行濾波和插值（從10.24 MSPS至163.84 MSPS）。然后，DAC將數(shù)字基帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)，再進(jìn)行低通濾波。最后，通過(guò)上變頻得到5.83 GHz（通道1）或5.84 GHz（通道2）的RF信號(hào)。在發(fā)射器RF域中，AD9361集成了一個(gè)衰減器，可以在大于80 dB的范圍內(nèi)控制發(fā)射器輸出功率。該衰減器可用于調(diào)節(jié)發(fā)射器的輸出功率電平，以及整個(gè)發(fā)射器鏈路的增益溫度補(bǔ)償。之后，將發(fā)射器信號(hào)饋入前端模塊(FEM)內(nèi)部的功率放大器(PA)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大之后再流經(jīng)微帶低通濾波器(LPF)濾除諧波，以滿(mǎn)足發(fā)射器的雜散發(fā)射要求，最后，將信號(hào)饋送至天線(xiàn)。在我們的ETC RSU模塊設(shè)計(jì)中，將AD9361的發(fā)射器衰減設(shè)為8 dB，天線(xiàn)端口的輸出功率可達(dá)到29 dBm，這意味著AD9361具有足夠的衰減動(dòng)態(tài)范圍來(lái)補(bǔ)償高溫增益下降和低溫增益上升。
在接收路徑中，來(lái)自天線(xiàn)的RF信號(hào)首先經(jīng)過(guò)低通濾波器，之后饋入FEM內(nèi)部的低噪聲放大器(LNA)，然后再通過(guò)帶通濾波器(BPF)，以濾除帶外干擾信號(hào)。在AD9361接收路徑中，該信號(hào)被進(jìn)一步放大，然后下變頻為模擬基帶信號(hào)。模擬基帶信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波，然后由ADC將它轉(zhuǎn)換為數(shù)字基帶信號(hào)。在數(shù)字域中，會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，以滿(mǎn)足接收帶寬要求，再進(jìn)行抽取（從163.84 MSPS至10.24 MSPS）。然后，AD9361將信號(hào)發(fā)送至FPGA。
對(duì)于電源解決方案，模塊的輸入電壓為5 V。ADP5014 包含4個(gè)高性能、低噪聲降壓調(diào)節(jié)器。它將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。5 V輸入和ADP5014的4個(gè)輸出電壓提供FEM、AD9361、FPGA和MCU所需的所有電壓軌。發(fā)射器測(cè)試結(jié)果
按照標(biāo)準(zhǔn)中定義的所有發(fā)射器測(cè)試用例，我們對(duì)基于AD9361的ETC RSU模塊進(jìn)行了測(cè)試，最終均通過(guò)測(cè)試，且具備不錯(cuò)的裕量。幾項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試用例的屏幕截圖參見(jiàn)圖3至圖6。按照標(biāo)準(zhǔn)中定義的所有接收器測(cè)試項(xiàng)目，我們對(duì)基于AD9361的ETC RSU模塊進(jìn)行了測(cè)試，最終均通過(guò)測(cè)試，且具備不錯(cuò)的裕量。為了進(jìn)行接收器靈敏度測(cè)試，將FM0編碼、ASK調(diào)制信號(hào)下載到了信號(hào)發(fā)生器中，并在FPGA內(nèi)實(shí)施解調(diào)算法。測(cè)得我們的RSU模塊接收靈敏度為–95 dBm，遠(yuǎn)優(yōu)于要求的–70 dBm。圖7是輸入信號(hào)為–95 dBm時(shí)的I/Q數(shù)據(jù)FFT圖和I/Q數(shù)據(jù)幅度圖。圖中顯示，當(dāng)輸入信號(hào)電平為–95 dBm時(shí)，信號(hào)的SNR仍然非常不錯(cuò)。
這個(gè)ETC RSU模塊可以配置為一個(gè)簡(jiǎn)單的RF儀器，用于測(cè)試客戶(hù)生產(chǎn)線(xiàn)上的ETC RSU模塊和天線(xiàn)模塊。AD9361有兩個(gè)RF通道。一個(gè)通道用于實(shí)現(xiàn)ETC RSU模塊，另一個(gè)為RF通道，與板載高方向性微帶耦合器配合使用，用于執(zhí)行回波損耗測(cè)試。
進(jìn)行模塊發(fā)射器測(cè)試時(shí)，我們使用了AD9361接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)功能。AD9361的RSSI功能的校準(zhǔn)后精度為0.25 dB，足以測(cè)試ETC RSU模塊的輸出功率。
進(jìn)行模塊接收器測(cè)試時(shí)，可以在一個(gè)或兩個(gè)功率電平下校準(zhǔn)AD9361的輸出功率。然后，使用AD9361內(nèi)部衰減器來(lái)提供各種精確的輸出功率，以測(cè)試接收器。結(jié)論
可以使用AD9361設(shè)計(jì)出緊湊小巧的ETC RSU模塊，ADI公司提供包含硬件和固件的完整參考設(shè)計(jì)。該模塊可以輕松集成到攝像頭系統(tǒng)中，也可單獨(dú)用作標(biāo)準(zhǔn)ETC RSU模塊。該模塊滿(mǎn)足GB/T 20851-2019標(biāo)準(zhǔn)中定義的ETC RSU要求。此外，可以將它配置為簡(jiǎn)單的RF儀器，用于客戶(hù)的生產(chǎn)線(xiàn)中。關(guān)于ETC，還有這些你需要了解
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