【導讀】受政府政策影響，電子道路收費(ETC)應用在中國出現爆炸式增長。僅僅2019一年的時間里，安裝車載單元(OBU)的汽車數量就從8000萬飆升至2億。在OBU安裝量激增的同時，ETC的應用范圍也從高速公路擴展到城市，例如停車收費和車輛信息收集。
受政府政策影響，電子道路收費(ETC)應用在中國出現爆炸式增長。僅僅2019一年的時間里，安裝車載單元(OBU)的汽車數量就從8000萬飆升至2億。在OBU安裝量激增的同時，ETC的應用范圍也從高速公路擴展到城市，例如停車收費和車輛信息收集。目前，停車收費和車輛信息收集系統都基于攝像頭，所以如果要在城市環境中推廣ETC應用，還需要將ETC路邊單元(RSU)集成到攝像頭系統中。本文介紹使用 AD9361 射頻(RF)收發器的ETC RSU模塊方案。該方案的目標應用是中國的ETC RSU，因此必須符合中國的GB/T 20851-2019《電子收費—專用短程通信》標準。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中。此外，這個ETC RSU模塊也可以配置為一個簡單的RF儀器，用于測試客戶生產線中的ETC RSU模塊。客戶無需在生產線中使用昂貴的RF儀器，可以大大節省成本。
標準匯總
根據GB/T 20851-2019標準，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下行鏈路物理層關鍵要求匯總
*遠離載波頻率的2.5倍載波帶寬
表2. ETC RSU上行鏈路物理層關鍵要求匯總
表2. ETC RSU上行鏈路物理層關鍵要求匯總
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收發器，能夠通過不同配置實現各種廣泛應用。它在單個器件中集成了提供所有收發器功能所需的RF、混合-信號和數字模塊。
值得注意的是，AD9361具有多種非常適合ETC RSU應用的功能。
首先，AD9361在發射路徑和接收路徑中都集成了可編程的多相FIR濾波器，這意味著所有數字域濾波都可以在AD9361內部完成，而不是在FPGA中完成。這樣可以節省大量FPGA資源，且可以選擇使用成本更低的FPGA。例如，為了滿足接收帶寬要求，客戶可以使用ADI公司提供 濾波器向導 工具來設計和調整FIR濾波器響應，然后將濾波器系數下載到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能夠調諧電容，意味著AD9361能夠精準控制外部晶振的頻率。在一般實現方案中，客戶可以通過調節RF PLL N分頻器來滿足RF頻率容差要求，但能否滿足位速率精度要求，則取決于晶振的性能，且不能調整。對于基于AD9361的解決方案，客戶可以使用DCXO功能來調整晶振頻率，以同時滿足位速率精度和RF頻率容差要求。我們可以制作一個查找表來補償晶振頻率溫度漂移，以確保ETC RSU模塊在整個工作溫度范圍內都能滿足頻率容差和位速率精度要求。
第三，AD9361實現了接收器AGC功能。它提供兩種模式：慢速AGC和快速AGC。它是全自動的，客戶根本不需要在FPGA中提供任何接收器增益控制功能。快速AGC模式在ETC RSU應用中非常有用，且已通過測試，因此增益調整在開始傳輸上行鏈路導頻信號時便能穩定下來。
在發射路徑中，首先由FPGA將發射器數字基帶信號發送給AD9361。隨后數字基帶信號在AD9361中進行濾波和插值（從10.24 MSPS至163.84 MSPS）。然后，DAC將數字基帶信號轉換為模擬基帶信號，再進行低通濾波。最后，通過上變頻得到5.83 GHz（通道1）或5.84 GHz（通道2）的RF信號。在發射器RF域中，AD9361集成了一個衰減器，可以在大于80 dB的范圍內控制發射器輸出功率。該衰減器可用于調節發射器的輸出功率電平，以及整個發射器鏈路的增益溫度補償。之后，將發射器信號饋入前端模塊(FEM)內部的功率放大器(PA)，經過進一步放大之后再流經微帶低通濾波器(LPF)濾除諧波，以滿足發射器的雜散發射要求，最后，將信號饋送至天線。在我們的ETC RSU模塊設計中，將AD9361的發射器衰減設為8 dB，天線端口的輸出功率可達到29 dBm，這意味著AD9361具有足夠的衰減動態范圍來補償高溫增益下降和低溫增益上升。
在接收路徑中，來自天線的RF信號首先經過低通濾波器，之后饋入FEM內部的低噪聲放大器(LNA)，然后再通過帶通濾波器(BPF)，以濾除帶外干擾信號。在AD9361接收路徑中，該信號被進一步放大，然后下變頻為模擬基帶信號。模擬基帶信號經過低通濾波，然后由ADC將它轉換為數字基帶信號。在數字域中，會對信號進行濾波，以滿足接收帶寬要求，再進行抽取（從163.84 MSPS至10.24 MSPS）。然后，AD9361將信號發送至FPGA。
對于電源解決方案，模塊的輸入電壓為5 V。ADP5014 包含4個高性能、低噪聲降壓調節器。它將5 V轉換為3.3 V、2.5 V、1.8 V和1.3 V。5 V輸入和ADP5014的4個輸出電壓提供FEM、AD9361、FPGA和MCU所需的所有電壓軌。
發射器測試結果
圖片
按照標準中定義的所有發射器測試用例，我們對基于AD9361的ETC RSU模塊進行了測試，最終均通過測試，且具備不錯的裕量。幾項關鍵測試用例的屏幕截圖參見圖3至圖6。
圖3. 29 dBm輸出功率
圖4. 90%調制深度
圖5. –50 dBc ACLR
圖6. 3.4 MHz占用帶寬
接收器測試結果
按照標準中定義的所有接收器測試項目，我們對基于AD9361的ETC RSU模塊進行了測試，最終均通過測試，且具備不錯的裕量。為了進行接收器靈敏度測試，將FM0編碼、ASK調制信號下載到了信號發生器中，并在FPGA內實施解調算法。
測得我們的RSU模塊接收靈敏度為–95 dBm，遠優于要求的–70 dBm。圖7是輸入信號為–95 dBm時的I/Q數據FFT圖和I/Q數據幅度圖。圖中顯示，當輸入信號電平為–95 dBm時，信號的SNR仍然非常不錯。
圖7. 輸入信號電平為–95 dBm時的I/Q數據FFT圖（上圖）和I/Q數據幅度圖（下圖）
對于其他測試用例，例如最大輸入功率、接收帶寬、通道內的干擾抑制、鄰道干擾抑制和阻塞抑制，該模塊均通過所有測試。
簡單的RF儀器方案
這個ETC RSU模塊可以配置為一個簡單的RF儀器，用于測試客戶生產線上的ETC RSU模塊和天線模塊。
AD9361有兩個RF通道。一個通道用于實現ETC RSU模塊，另一個為RF通道，與板載高方向性微帶耦合器配合使用，用于執行回波損耗測試。
進行模塊發射器測試時，我們使用了AD9361接收信號強度指示器(RSSI)功能。AD9361的RSSI功能的校準后精度為0.25 dB，足以測試ETC RSU模塊的輸出功率。
進行模塊接收器測試時，可以在一個或兩個功率電平下校準AD9361的輸出功率。然后，使用AD9361內部衰減器來提供各種精確的輸出功率，以測試接收器。
結論
可以使用AD9361設計出緊湊小巧的ETC RSU模塊，ADI公司提供包含硬件和固件的完整參考設計。該模塊可以輕松集成到攝像頭系統中，也可單獨用作標準ETC RSU模塊。該模塊滿足GB/T 20851-2019標準中定義的ETC RSU要求。此外，可以將它配置為簡單的RF儀器，用于客戶的生產線中。
（來源：亞德諾半導體）
（來源：亞德諾半導體）
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