ADI射频收发芯片助力ETC路侧模块开发

简介

受政府政策影响,2019年,电子道路收费(ETC)应用在中国出现爆炸式增长。仅仅一年的时间里,安装车载单元(OBU)的汽车数量就从8000万飙升至2亿。在OBU安装量激增的同时,ETC的应用范围也从高速公路扩展到城市,例如停车收费和车辆信息收集。目前,停车收费和车辆信息收集系统都基于摄像头,所以如果要在城市环境中推广ETC应用,还需要将ETC路边单元(RSU)集成到摄像头系统中。本文介绍使用 AD9361 射频(RF)收发器的ETC RSU模块方案。该方案的目标应用是中国的ETC RSU,因此必须符合中国的GB/T 20851-2019《电子收费—专用短程通信》标准。1该模块紧凑小巧,仅11 cm × 6 cm,可以轻松集成到摄像头系统中。此外,这个ETC RSU模块也可以配置为一个简单的RF仪器,用于测试客户生产线中的ETC RSU模块。客户无需在生产线中使用昂贵的RF仪器,可以大大节省成本。

标准汇总

根据GB/T 20851-2019标准,汇总了ETC RSU物理层的要求,具体如表1和表2所示。

表1. ETC RSU下行链路物理层关键要求汇总
参数 描述
载波频率 通道1:5830 MHz
通道2:5840 MHz
占用带宽 (OBW) ≤5 MHz
频率容差 ±10 × 10-6
EIRP ≤33 dBm
杂散发射 30 MHz 至 1 GHz ≤–36 dBm/100 kHz
2400 MHz 至 2483.5 MHz ≤–40 dBm/1 MHz
3400 MHz 至 3530 MHz ≤–40 dBm/1 MHz
5725 MHz 至 5850 MHz* ≤–33 dBm/100 kHz
其他频率: 1 GHz 至 20 GHz ≤–30 dBm/1 MHz
邻道泄漏比 ≤–30 dB
调制类型 ASK
调制深度 70% to 90%
数据编码 FM0
位速率 256 kbps
位速率精度 ±100 × 10-6
*远离载波频率的2.5倍载波带宽
表2. ETC RSU上行链路物理层关键要求汇总
参数 描述
载波频率 通道1:5790 MHz
通道2:5800 MHz
频率容差 ±200 × 10-6
接收机灵敏度 ≤–70 dBm
最大输入功率 ≥–20 dBm
通道内的干扰抑制比 <+10 dB
邻道干扰抑制比 <–20 dB
阻塞抑制比 <–30 dB
接收带宽 通道1 通道2
最大值:5787.5 MHz
至 5792.5 MHz
最大值:5797.5 MHz
至 5802.5 MHz
最小值: 5788.5 MHz
至 5791.5 MHz
最小值: 5799.5 MHz
至 5801.5 MHz
调制类型 ASK
调制深度 70% 至 90%
数据编码 FM0
位速率 512 kbps
位速率精度 ±100 × 10-6

基于AD9361的ETC RSU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是一款高集成度的RF收发器,能够通过不同配置实现各种广泛应用。它在单个器件中集成了提供所有收发器功能所需的RF、混合-信号和数字模块。

值得注意的是,AD9361具有多种非常适合ETC RSU应用的功能。

首先,AD9361在发射路径和接收路径中都集成了可编程的多相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。这样可以节省大量FPGA资源,且可以选择使用成本更低的FPGA。例如,为了满足接收带宽要求,客户可以使用ADI公司提供 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功能,这表示AD9361集成的电容可用作外部晶振。AD9361能够调谐电容,意味着AD9361能够精准控制外部晶振的频率。在一般实现方案中,客户可以通过调节RF PLL N分频器来满足RF频率容差要求,但能否满足位速率精度要求,则取决于晶振的性能,且不能调整。对于基于AD9361的解决方案,客户可以使用DCXO功能来调整晶振频率,以同时满足位速率精度和RF频率容差要求。我们可以制作一个查找表来补偿晶振频率温度漂移,以确保ETC RSU模块在整个工作温度范围内都能满足频率容差和位速率精度要求。

第三,AD9361实现了接收器AGC功能。它提供两种模式:慢速AGC和快速AGC。它是全自动的,客户根本不需要在FPGA中提供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,且已通过测试,因此增益调整在开始传输上行链路导频信号时便能稳定下来。

在发射路径中,首先由FPGA将发射器数字基带信号发送给AD9361。随后数字基带信号在AD9361中进行滤波和插值(从10.24 MSPS至163.84 MSPS)。然后,DAC将数字基带信号转换为模拟基带信号,再进行低通滤波。最后,通过上变频得到5.83 GHz(通道1)或5.84 GHz(通道2)的RF信号。在发射器RF域中,AD9361集成了一个衰减器,可以在大于80 dB的范围内控制发射器输出功率。该衰减器可用于调节发射器的输出功率电平,以及整个发射器链路的增益温度补偿。之后,将发射器信号馈入前端模块(FEM)内部的功率放大器(PA),经过进一步放大之后再流经微带低通滤波器(LPF)滤除谐波,以满足发射器的杂散发射要求,最后,将信号馈送至天线。在我们的ETC RSU模块设计中,将AD9361的发射器衰减设为8 dB,天线端口的输出功率可达到29 dBm,这意味着AD9361具有足够的衰减动态范围来补偿高温增益下降和低温增益上升。

在接收路径中,来自天线的RF信号首先经过低通滤波器,之后馈入FEM内部的低噪声放大器(LNA),然后再通过带通滤波器(BPF),以滤除带外干扰信号。在AD9361接收路径中,该信号被进一步放大,然后下变频为模拟基带信号。模拟基带信号经过低通滤波,然后由ADC将它转换为数字基带信号。在数字域中,会对信号进行滤波,以满足接收带宽要求,再进行抽取(从163.84 MSPS至10.24 MSPS)。然后,AD9361将信号发送至FPGA。

对于电源解决方案,模块的输入电压为5 V。 ADP5014 包含4个高性能、低噪声降压调节器。它将5 V转换为3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。5 V输入和ADP5014的4个输出电压提供FEM、AD9361、FPGA和MCU所需的所有电压轨。

发射器测试结果

按照标准中定义的所有发射器测试用例,我们对基于AD9361的ETC RSU模块进行了测试,最终均通过测试,且具备不错的裕量。几项关键测试用例的屏幕截图参见图3至图6。

图3. 29 dBm输出功率。

图4. 90%调制深度。

图5. –50 dBc ACLR。

图6. 3.4 MHz占用带宽。

接收器测试结果

按照标准中定义的所有接收器测试项目,我们对基于AD9361的ETC RSU模块进行了测试,最终均通过测试,且具备不错的裕量。为了进行接收器灵敏度测试,将FM0编码、ASK调制信号下载到了信号发生器中,并在FPGA内实施解调算法。

测得我们的RSU模块接收灵敏度为–95 dBm,远优于要求的–70 dBm。图7是输入信号为–95 dBm时的I/Q数据FFT图和I/Q数据幅度图。图中显示,当输入信号电平为–95 dBm时,信号的SNR仍然非常不错。

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

对于其他测试用例,例如最大输入功率、接收带宽、通道内的干扰抑制、邻道干扰抑制和阻塞抑制,该模块均通过所有测试。

简单的RF仪器方案

这个ETC RSU模块可以配置为一个简单的RF仪器,用于测试客户生产线上的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,另一个为RF通道,与板载高方向性微带耦合器配合使用,用于执行回波损耗测试。

进行模块发射器测试时,我们使用了AD9361接收信号强度指示器(RSSI)功能。AD9361的RSSI功能的校准后精度为0.25 dB,足以测试ETC RSU模块的输出功率。

进行模块接收器测试时,可以在一个或两个功率电平下校准AD9361的输出功率。然后,使用AD9361内部衰减器来提供各种精确的输出功率,以测试接收器。

结论

可以使用AD9361设计出紧凑小巧的ETC RSU模块。ADI公司提供包含硬件和固件的完整参考设计。该模块可以轻松集成到摄像头系统中,也可单独用作标准ETC RSU模块。该模块满足GB/T 20851-2019标准中定义的ETC RSU要求。此外,可以将它配置为简单的RF仪器,用于客户的生产线中。

参考电路

1 GB/T 20851-2019 “电子收费—专用短程通信。”

作者

Tairan Sun

Tairan Sun

Tairan Sun是ADI上海分公司的产品应用工程师,于2017年加入ADI。在此之前,他在大疆担任算法工程师,在中兴担任架构工程师。Tairan于2012年获得上海交通大学电路与系统硕士学位,于2009年获得合肥工业大学电子信息工程学士学位。

Bill Wang

Bill Wang

Bill Wang是ADI北京分公司的系统应用工程师,于2017年加入ADI。Bill于2014年获得广州大学光电信息科学与技术学士学位,并于2017年获得华中科技大学光电检测技术硕士学位。

Shawn Liu

刘笑远

刘笑远先生现任ADI中国技术支持中心应用工程师,主要负责ADI宽带收发器的技术支持工作。毕业于天津大学电气自动化与信息工程学院,获得硕士学位。毕业后加入ADI公司,从事AD936x、AD937x、ADRV900x系列宽带收发器的应用支持工作以及ADALM20000,ADALM-Pluto的推广支持。

Aaron He

Aaron He

Aaron He是ADI上海公司的系统应用工程师,于2017年加入ADI。加入ADI之前,Aaron曾在爱立信担任高级RF工程师。Aaron拥有超过十年的无线通信基站设计、集成和生产测试系统开发工作经验。Aaron于2001年获得西安交通大学通信工程学士学位,并于2006年获得华中科技大学微波工程硕士学位。