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

2019年，由于政府政策，電子收費（ETC）應用在中國實現了爆炸式增長。安裝車載單元（OBU）的汽車數量在短短一年內從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是基于攝像頭的，因此對于城市環境中的ETC應用，需要將ETC路邊單元（RSU）集成到攝像系統中。本文介紹使用AD9361射頻（RF）收發器的ETC RSU模塊實現方案。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內部。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線中測試ETC RSU模塊。客戶在生產線上不需要昂貴的射頻儀器，從而節省了大量成本。

標準摘要

根據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器功能所需的所有射頻、混合信號和數字模塊。

值得強調的是，AD9361具有在ETC RSU應用中非常有用的特性。

首先，在發射路徑和接收路徑中，AD9361都集成了可編程多相FIR濾波器，這意味著所有數字域濾波都可以在AD9361內部完成，而不是在FPGA中完成。這節省了大量的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特性，這意味著AD9361集成了用于外部晶體的電容。AD9361能夠調諧電容，這意味著AD9361可以非常精確地控制外部晶體頻率。在一般實現中，客戶調整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。對于基于AD9361的解決方案，客戶可以使用DCXO功能調諧晶體頻率，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滿足頻率公差和比特率精度要求。

第三，AD9361實現接收器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，并且經過測試，增益調整在上行鏈路導頻信號的幾個起始符號中穩定下來。

對于發射路徑，FPGA首先將發送器數字基帶信號發送到AD9361。在AD9361內部，數字基帶信號首先在10.24 MSPS至163.84 MSPS范圍內進行濾波和插值。其次，DAC將數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。在發射器RF域中，AD9361集成了一個衰減器，可將AD9361的發射器輸出功率控制在大于80 dB的范圍內。衰減器可用于調節發射機輸出功率電平以及整個發射機鏈路的增益溫度補償。然后將發射器信號饋入前端模塊（FEM）內部的功率放大器（PA），并進一步放大，然后通過微帶低通濾波器（LPF）抑制諧波以滿足發射器雜散發射要求，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的發射器衰減設置為8 dB，這意味著AD9361具有足夠的衰減動態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，它被進一步放大，然后下變頻為模擬基帶。模擬基帶信號經過低通濾波，然后ADC將其轉換為數字基帶信號。在數字域中，信號經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送器測試用例都經過測試，基于AD9361的ETC RSU模塊以很大的優勢通過了測試。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過測試，基于AD9361的ETC RSU模塊以很大的優勢通過了測試。對于接收器靈敏度測試，FM0編碼，ASK調制信號被下載到信號發生器中。解調算法在FPGA內部實現。

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數據FFT圖和I/Q數據幅度圖。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 數據 FFT 圖（頂部）和 I/Q 數據幅度圖（底部）。

對于最大輸入功率、接收帶寬、通道內干擾抑制、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

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，可用于客戶的生產線。

審核編輯：郭婷