李新友 孫 仲 許 菲 王 昱

（武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院1） 武漢 430070） （武漢市城市路橋收費管理中心2） 武漢 430050）

電子不停車收費 （electronic toll collection，ETC）系統(tǒng)是一種基于5.8GHz專用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）技術(shù)，通過射頻識別獲取車載單元記載的車輛信息來實現(xiàn)車輛識別，并配合后臺數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)完成相應(yīng)的繳費、記錄等操作，實現(xiàn)車輛不停車收費的智能交通系統(tǒng)（inteligence transport system，ITS）.

專用短程通信（DSRC）是智能交通系統(tǒng)運作的協(xié)議基礎(chǔ)，2007年中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和中國國家標準化管理委員會發(fā)布了GB／T20851－2007《電子收費專用短程通信》［1］國家標準，其技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 DSRC物理層上下行鏈路參數(shù)

表1列出了GB／T 20851－2007－1電子收費專用短程通信協(xié)議物理層中所規(guī)定的關(guān)鍵技術(shù)指標.其中下行鏈路由路邊單元（road side unit，RSU）完成，上行鏈路由車載單元（on board unit，OBU）實現(xiàn)［2］.本文討論的就是路邊單元RSU的設(shè)計.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1，可分為射頻部分和基帶部分.射頻部分包括射頻接收模塊、射頻發(fā)射模塊、收發(fā)微帶天線陣列；基帶部分包括MCU微處理器、安全認證模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊等部分.

圖1 RSU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

MCU微處理器是RSU的控制核心，協(xié)調(diào)各個模塊有序的完成DSRC協(xié)議所要求的交易流程.

網(wǎng)絡(luò)接模塊口負責(zé)將RSU成功交易所獲得OBU的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口上傳，同時接受后臺管理系統(tǒng)的遠程控制.

安全認證模塊負責(zé)RSU對OBU進行認證，負責(zé)對空中接口的數(shù)據(jù)進行加密解密，提高交易信息的安全性.數(shù)據(jù)存儲模塊用于當網(wǎng)絡(luò)有故障時臨時存儲交易信息，同時存放網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的交易黑白名單.

射頻發(fā)射模塊負責(zé)將RSU中單片機產(chǎn)生的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到5.8GHz.射頻接收模塊負責(zé)接收OBU發(fā)出的5.8GHz射頻信號并從中解調(diào)出基帶信號［3］.射頻發(fā)射與射頻接收電路通過T／R射頻開關(guān)分時復(fù)用微帶天線.

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 RSU微帶天線陣列設(shè)計

RSU系統(tǒng)中選用微帶天線來收發(fā)射頻信號.微帶天線是一種片狀金屬結(jié)構(gòu)天線，外觀一般為附于帶有接地平面的電介質(zhì)薄板上的矩形單個金屬貼片或陣列，微帶天線由一個或多個這樣的貼片組成，可以利用成熟的PCB線路板工藝制作，成本低，適合于RSU的小型化［4］.

設(shè)計微帶天線首先要選定介質(zhì)板.介質(zhì)板是一片具有均勻介電常數(shù)一定厚度的電介質(zhì)薄板，一面附有金屬銅箔作為地平面，另一面印刷有微帶天線.本設(shè)計中選用厚度為1.0mm材質(zhì)為聚四氟乙烯PTFE的PCB作為介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.55.

圖2是RSU微帶天線的基本天線單元，設(shè)計為一帶切角的方形銅箔，饋電點從圖中A點處接入即可實現(xiàn)右旋圓極化.中心頻率和介電常數(shù)決定天線的尺寸［5］，本RSU的天線設(shè)計為通過T／R射頻開關(guān)收發(fā)共用，故天線的諧振頻率取為接收與發(fā)射4個信道公共的中心頻率5.82GHz，帶寬取為5.785～5.845GHz.借助理論計算與HFSS軟件仿真，確定基本天線單元的尺寸為圖中a＝15.5mm，b＝2mm.圖中A點處的開路線用于微調(diào)天線陣在中心頻率處的阻抗與駐波值.

圖2 微帶天線基本單元

由于RSU需要發(fā)射較大的功率，以及較高的接受靈敏度，因此RSU微帶天線的需要設(shè)計較高的增益.為了滿足此要求RSU天線在設(shè)計上選擇了微帶陣列形式.

圖3給出了8單元微帶陣列天線的幾何排列和饋電網(wǎng)絡(luò).整個天線陣是由2個2×2陣列并聯(lián)而成，射頻信號從圖中A點背饋接入，要求A點處的輸入阻抗為50Ω，則左右2個2×2天線陣列的輸入阻抗各為100Ω.每個2×2陣列是由4個相同形狀的基本單元旋轉(zhuǎn)對稱排列而成，每個基本單元與相鄰單元之間相位相差90，各單元的相位值標示見圖3中，相鄰單元間距為25.8 mm，約為半波長.

圖3 8單元微帶天線陣列

通過HFSS軟件仿真結(jié)果可以確定該8單元微帶天線陣在5.785～5.845GHz頻率范圍內(nèi)增益約為15dBi，駐波比＜1.3.

2.2 射頻接收電路設(shè)計

為了降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，射頻接收電路采用單次混頻超外差式接收電路結(jié)構(gòu)［6］.接收電路電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括低噪聲放大器、混頻器、中頻濾波器與中頻AGC放大器、本地振蕩器、檢波器、低頻放大與整形六大部分.

圖4 RSU射頻接收電路框圖

天線接收的信號首先經(jīng)2級低噪聲放大器（LNA）進行放大，2級LNA間增加射頻介質(zhì)帶通濾波器抑制帶外噪聲信號；放大后的射頻信號與本振信號進行混頻，將射頻信號轉(zhuǎn)換為固定的中頻；中頻信號再經(jīng)中頻聲表濾波器濾波、中頻AGC放大、檢波還原出基帶信號；基帶信號還需放大與整形才能達到單片機所能辨認的數(shù)字信號電平幅度.

2.2.1 本地振蕩器設(shè)計 無線通信系統(tǒng)中本地振蕩器通常的實現(xiàn)方法是一片PLL鎖相環(huán)頻率合成器芯片（如ADF4107等）配合一款壓控振蕩器芯片實現(xiàn)［7］.本設(shè)計基于簡化的原則選用了美國HITTITE公司的集成頻綜器件HMC5833LP6CE.該器件的優(yōu)勢在于其內(nèi)置了PLL與VCO，外圍電路簡單.圖5給出了基于HMC5833的本地振蕩器電路.通過芯片外接五線式（CEN，SCK，SDI，SEN，SDO）數(shù)字接口可以控制芯片內(nèi)部的寄存器進行預(yù)置和調(diào)整，實現(xiàn)輸出頻率范圍從5.70～5.85GHz，步進為1MHz的頻率調(diào)整，參考源取為10MHz.HMC5833輸出功率約＋2 dBm.

圖5 本地振蕩電路

2.2.2 低噪聲放大器設(shè)計 LNA位于射頻接收機的前端，對整個系統(tǒng)的接收性能起著至關(guān)重要的作用.現(xiàn)今許多射頻接收機中低噪聲放大器LNA的設(shè)計是基于分立的解決方案，其原因是使用晶體管的分立解決方案會使放大器的噪聲系數(shù)NF與MMIC（單片微波集成電路）LNA相比較低.但分立的解決方案缺點明顯，如集成度不高、占用空間大、阻抗匹配麻煩、調(diào)試困難、設(shè)計門檻高.而MMIC LNA電路，外圍元件數(shù)量少、開發(fā)周期短，并且由于大多數(shù)MMIC LNA具有內(nèi)部偏壓和反饋電路，這些器件上的阻抗匹配更加簡便，噪聲性能也能較好控制.因此，經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計中采用的是基于MMIC LNA的電路設(shè)計方案.在設(shè)計中對許多LNA芯片的參數(shù)進行比較，最后確定選用美國AVAGO公司的 MGA－665P8芯片作為射頻小信號放大器.

MGA－665P8低噪聲放大器是專為0.5～6 GHz頻率范圍內(nèi)的無線應(yīng)用所設(shè)計，輸入輸出匹配到50Ω，電源偏置電路簡單.在3.3V工作電壓5.8GHz頻率時，噪聲系數(shù)NF小于1.5dB，增益達到15dB.圖6給出了MGA－665P8組成的低噪聲放大電路圖.

2.2.3 中頻AGC放大電路設(shè)計 在RSU接收單元中AGC的動態(tài)范圍對系統(tǒng)的性能有很大影響，本設(shè)計中采用兩級ADI公司的AD8367 AGC芯片實現(xiàn)［8］，可實現(xiàn)－5～－75dBm動態(tài)，AGC控制范圍可達70dB.圖7給出了AD8367的中頻AGC放大電路圖.

圖6 低噪聲放大電路

圖7 中頻AGC放大電路

2.2.4 對數(shù)檢波電路設(shè)計 RSU接收的數(shù)據(jù)是經(jīng)過OBU發(fā)射的經(jīng)過FM0編碼的512kbit／s位速率的數(shù)據(jù)，信號脈寬為1～2μs，其全零碼為1 024kHz.

故檢波電路選用了ADI公司快速對數(shù)放大檢波器AD8307，該芯片延遲時間＜15ns，足以應(yīng)付1 024kHz的全零碼接收.對數(shù)檢波電路如圖8所示.

圖8 對數(shù)檢波電路

2.3 射頻發(fā)射電路設(shè)計

RSUD的射頻發(fā)射電路采取利用基帶信號直接調(diào)制載波的結(jié)構(gòu).發(fā)射模塊電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，主要包括載波振蕩器、ASK調(diào)制器、數(shù)控衰減器、功率發(fā)大器四大部分.

圖9 RSU射頻發(fā)射電路框圖

載波振蕩器用于產(chǎn)生5.83和5.84GHz兩個信道的下行載波頻率，采用和接收模塊中本地振蕩器相同的實現(xiàn)方案，用HMC5833實現(xiàn).

ETC系統(tǒng)專用短程通信規(guī)定上下行鏈路采用ASK調(diào)制方式主要原因是：首先ASK短距離通信中抗衰落能力強，其次ASK調(diào)制方式的解調(diào)電路簡單，只需包絡(luò)微波檢波二極管，有利于降低成本.在ETC專用短程通信系統(tǒng)中，ASK調(diào)制器的載波振蕩振幅在Amax和Amin2種狀態(tài)切換，如圖10所示，調(diào)制度ma定義為：

我國國標要求調(diào)制度ma處于0.5～0.9之間.

圖10 ASK調(diào)制度

ETC系統(tǒng)中ASK調(diào)制器通常的設(shè)計方法是采用模擬衰減器，利用基帶信號的1和0控制模擬衰減器的不同衰減幅度實現(xiàn).該方法的優(yōu)點是調(diào)制度連續(xù)可調(diào)，缺點是調(diào)制度可調(diào)范圍不大且電路略顯復(fù)雜.

本設(shè)計選用兩個射頻開關(guān)設(shè)計了一款固定調(diào)制度產(chǎn)生電路，電路結(jié)構(gòu)如圖11所示.當基帶數(shù)據(jù)TX＿DATA為1時，單刀雙擲射頻開關(guān)RF SW1和RF SW2同時接到上端，載波信號無衰減送至后級；當TX＿DATA為0時，單刀雙擲開關(guān)RF SW1和RF SW2同時接到下端，載波信號通過三個電阻構(gòu)成的π型衰減器送至后級；選用不同的電阻即可控制衰減器的衰減量，從而達到控制ASK調(diào)制器的調(diào)制度的目的.由于電路中π型衰減器的電阻值一旦確定，其衰減量就是確定的，電路的調(diào)制度就被確定下來，所以本方案是一個固定調(diào)制度ASK產(chǎn)生電路.通過合理選取π型衰減器的電阻值即可使調(diào)制度ma在5%～95%之間可調(diào)，達到國標要求.

RSU發(fā)射數(shù)據(jù)的位速率是256kb／s，經(jīng)過FM0編碼后信號脈寬為2～4μs，其全零碼為512 kHz.ASK調(diào)制器中射頻開關(guān)選擇為HMC536LP2E，其開關(guān)速度＜100ns，能夠滿足RSU發(fā)射256kb／s全零FM0碼的需要.

圖11 固定調(diào)制度ASK調(diào)制電路

用于共享微帶天線的T／R射頻收發(fā)開關(guān)也選為HMC536LP2E，其輸入功率可達33dBm，滿足RSU收發(fā)射頻信號的需要.

RSU發(fā)射模塊中設(shè)計數(shù)控衰減電路的作用是調(diào)節(jié) RSU 的發(fā)射功率［9－10］，滿足 ETC車道通信距離和通信區(qū)域的要求.設(shè)計中選用6位數(shù)字衰減器HMC425實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，輸出0.5～31.5 dBm，步進0.5dB可調(diào).

2.4 基帶電路設(shè)計

基帶電路設(shè)計包括RSU中單片機的選型、安全認證、數(shù)據(jù)存儲及網(wǎng)絡(luò)接口部分的實現(xiàn).

設(shè)計中選用ST公司的ARM7系列單片機STR712，該單片機的優(yōu)勢是自帶DSRC協(xié)議要求的硬件HDLC和硬件FM0編解碼電路，可以極大減輕單片機處理RDSC協(xié)議編程的工作量.

數(shù)據(jù)存儲模塊通過給單片機擴展了SD卡讀卡器實現(xiàn).

安全認證模塊即PSAM卡讀寫電路.STR712自帶操作PSAM卡所需的ISO7816讀寫總線.

設(shè)計中選用韓國WIZNET公司的W5200實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口功能.該網(wǎng)絡(luò)芯片的優(yōu)勢是其具有完整的全硬件TCP／IP協(xié)議棧，及以太網(wǎng)鏈路層和物理層；W5200與單片機的連接通過SPI接口實現(xiàn)，單片機只需通過SPI串口對該網(wǎng)絡(luò)接口芯片進行網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的配置即可，W5200與單片機的數(shù)據(jù)傳輸也通過高速SPI串口實現(xiàn)，即W5200實現(xiàn)了SPI串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的功能.W5200有多達8個socket端口，能滿足RSU交易、下載等需要.該方案的優(yōu)點是避免了單片機端較復(fù)雜的TCP／IP協(xié)議編程，開發(fā)成本低.

3 結(jié)束語

ETC技術(shù)作為智能交通和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要分支近年來一直保持快速增長的態(tài)勢.本文基于5.8GHz DSRC技術(shù)設(shè)計了ETC系統(tǒng)中的路邊單元，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計、射頻與基帶部分的設(shè)計過程.重點描述了RSU中射頻部分8單元天線陣列、微波接收與微波發(fā)射電路的設(shè)計.

RSU收發(fā)模塊在實際工程測試中的主要性能指標如表2所列.測試結(jié)果表明，RSU射頻模塊各項技術(shù)指標均已達到和超過設(shè)計要求.

表2 RSU射頻收發(fā)模塊測試結(jié)果

本RSU的硬件設(shè)計方案電路簡潔，成本低，編程工作量較小，符合我國自由流ETC收費系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，具有非常好的應(yīng)用前景.

［1］中國國家標準化管理委員會.GB／T 20851－2007，電子收費專用短程通信［S］.北京：中國國家標準化管理委員會，2007.

［2］許 菲，李新友.ETC系統(tǒng)中車載單元的研究與設(shè)計［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報：交通科學(xué)與工程版，2011，35（5）：1049－1052.

［3］LI Xinyou，XU Zebin，GUO Jinxu.Research and design of the DSRC device measuring instrument［C］∥2nd International Conference on Computer Science and Electronics Engineering［C］∥Paris：Atlantis Press，2013：1256－1259.

［4］XIA Yingqing，LUO Jia.RHCP patch antenna for automotive DSRC system［C］∥6thInternational Conference on Wireless Communications Networking and MobileComputing，2010，Page（s）：1－3.

［5］崔昌云，史小衛(wèi)，黃丘林，等.5.8GHz右手圓極化微帶天線陣［C］∥2009年全國微波毫米波會議論文集（上冊），2009，605－608.

［6］ZHOU Hongbao，LUO Bin.Design and budget analysis of RF receiver of 5.8GHz ETC reader［C］∥12thInternational Conference on Communication Technology，2010，Page（s）：354－357.

［7］秦璐璐，陳永泰.基于ADF4106的串行數(shù)字鎖相頻率合成的設(shè)計［J］.現(xiàn)代計算機，2007（3）：69－71.

［8］許 慶，曾瑞鋒，苗一新.ETC.RSU收發(fā)前端模塊設(shè)計［J］.固體電子學(xué)研究與進展，2013，33（1）：63－67.

［9］羅 佳.不停車收費系統(tǒng)中DSRC綜合測試儀的實現(xiàn)［D］.武漢：華中師范大學(xué)，2011.

［10］中華人民共和國交通運輸部公路科學(xué)研究院.收費公路聯(lián)網(wǎng)電子不停車收費技術(shù)要求［S］.北京：人民交通出版社，2011.