ETC路侧模块开发，ADI射频收发芯片强效助力
时间：2021-08-19 16:29:55
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[导读]受政府政策影响，电子道路收费(ETC)应用在中国出现爆炸式增长。仅仅2019一年的时间里，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...
受政府政策影响，电子道路收费(ETC)应用在中国出现爆炸式增长。仅仅2019一年的时间里，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*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
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）
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。关于ETC，还有这些你需要了解
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*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。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。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。
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。关于ETC，还有这些你需要了解
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