謝星　于瑋　+孫玲　管圖華　+陸高勇

摘 要： 提出了一種應(yīng)用于專用短程通信（DSRC）協(xié)議的5.8 GHz收發(fā)電路的設(shè)計(jì)方案，給出了5.8 GHz收發(fā)電路的硬件設(shè)計(jì)方法，包括檢波電路、接收電路、喚醒電路和發(fā)射電路的設(shè)計(jì)，最后列出了射頻前端的測試方法。測試結(jié)果表明，該5.8 GHz收發(fā)電路的設(shè)計(jì)完全符合DSRC協(xié)議國家標(biāo)準(zhǔn)，并且驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性與成功性，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)用性強(qiáng)，具有很好的市場推廣價(jià)值。

關(guān)鍵字： 專用短程通信； 5.8 GHz收發(fā)電路； 射頻前端； DSRC協(xié)議國家標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）17?0009?04

Abstract： According to the dedicated short?range communication （DSRC） protocol， a design scheme of 5.8 GHz transceiver circuit was proposed. The hardware design method of the transceiver circuit （including detection circuit and the receiver circuit and the wake?up circuit and the launch circuit） at 5.8 GHz is given. The testing method of the radio frequency front end is described. The testing results show that the circuit design method is in line with DSRC national standards. The feasibility of the design program was verified. The transceiver circuit has the features of stable performance and high practicability.

Keywords： dedicated short range communication； 5.8 GHz transceiver circuit； radio frequency front end； national standard of DSRC protocol

0 引 言

電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）集成了無線射頻識別技術(shù)、自動(dòng)車輛識別技術(shù)和收費(fèi)管理技術(shù)，特別是其中應(yīng)用的車路信息交換技術(shù)已經(jīng)逐漸形成了交通專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術(shù)體系[1]。DSRC中的各種協(xié)議逐漸成為ITS車路間通信的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。我國DSRC工作頻段選定在5.8 GHz[2]。正是在這樣的背景下，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSRC協(xié)議的5.8 GHz短距離收發(fā)系統(tǒng)。該收發(fā)系統(tǒng)在交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院交通智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程研究中心進(jìn)行了測試。

1 5.8 GHz收發(fā)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.1 5.8 GHz收發(fā)電路系統(tǒng)概述

5.8 GHz收發(fā)電路系統(tǒng)由接收電路、喚醒電路和發(fā)射電路三部分組成，如圖1所示。5.8 GHz射頻收發(fā)系統(tǒng)主要用于連接高頻信號與基帶信號[3]。該電路將接收到的高頻信號送至微處理器（MCU）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后再由發(fā)射電路將處理好的數(shù)據(jù)信號發(fā)送出去，從而實(shí)現(xiàn)車載單元（OBU）與路側(cè)單元（RSU）的無線通信。

1.2 檢波部分電路的設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)天線部分采用的是微帶線矩形貼片天線，由于發(fā)射和接收共用1個(gè)天線，所以采用了射頻開關(guān)進(jìn)行處理，射頻開關(guān)由微處理器來控制，天線的公共端接在射頻開關(guān)的RFC管腳，射頻開關(guān)的RF1和RF2分別接到發(fā)射端和接收端，如圖2所示。

5.8 GHz天線接收到從RSU發(fā)射出來的信號，經(jīng)過ASK檢波電路進(jìn)行解調(diào)，然后解調(diào)信號由喚醒電路和接收電路進(jìn)行相應(yīng)的處理。本次設(shè)計(jì)采用二極管檢波解調(diào)方式，二極管采用AVAGO公司HSMS?2864系列的肖特基二極管，工作頻率為915 MHz、2.45 GHz和5.80 GHz，完全滿足該收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求[4]。

1.3 喚醒電路設(shè)計(jì)

喚醒電路主要接收來自RSU發(fā)出的14 kHz喚醒信號，該喚醒信號用來觸發(fā)OBU進(jìn)入工作模式。OBU處于省電模式時(shí)，只有喚醒電路處于正常工作模式；而MCU處于睡眠模式時(shí)，其他電路處于掉電狀態(tài)。當(dāng)OBU接收到RSU發(fā)送的15～17個(gè)周期14 kHz的方波喚醒信號時(shí)，喚醒電路將接收到的信號進(jìn)行放大，放大后的喚醒信號用來喚醒MCU，隨后MCU控制電源控制電路，給OBU其他模塊供電，進(jìn)入正常的工作狀態(tài)。喚醒電路功能框圖如圖3所示。

喚醒電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是低功耗，因?yàn)閱拘央娐芬恢碧幱诠ぷ鳡顟B(tài)，所以在電路芯片的選擇上首先要考慮的是芯片的功耗。喚醒電路采用二極管檢波的解調(diào)方式，解調(diào)后的信號經(jīng)過運(yùn)算放大器和比較器后輸出喚醒MCU。本文運(yùn)算放大器采用MAXIM公司的低功耗芯片MAX9913，比較器采用MAX9119，滿足喚醒電路對靜態(tài)功耗的設(shè)計(jì)要求。

1.4 接收電路的設(shè)計(jì)

5.8 GHz接收電路主要用于接收RSU發(fā)送的數(shù)字信號，在電路的設(shè)計(jì)上，接收電路和喚醒電路共用1個(gè)二極管檢波。由于RSU發(fā)出的喚醒信號是頻率為14 kHz的方波，而數(shù)據(jù)信號的頻率為500 kHz，所以不能使用喚醒電路的放大電路對數(shù)據(jù)信號進(jìn)行放大，而需要1條單獨(dú)的放大電路，該電路只有在MCU被喚醒后才處于工作狀態(tài)。

數(shù)字信號的接收電路是用集成運(yùn)算放大器和比較器的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的，接收端信號的放大是通過SGM8051、SGM721和SGM722共同來實(shí)現(xiàn)的。比較器選用MAXIM公司的MAX985，速度比喚醒電路使用的比較器快，以滿足信號速率的要求，其具有低功耗、低電壓的特性，符合接收電路低功耗的設(shè)計(jì)原則[5]。數(shù)據(jù)接收電路的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.5 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用了江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的5.8 GHz發(fā)射芯片作為發(fā)射模塊。射頻芯片實(shí)際發(fā)射電路如圖5所示。

圖5中PA_OUT發(fā)射端連接天線的射頻開關(guān)，此開關(guān)用來控制發(fā)射與接收的天線；基帶控制通過3線式串行總線來配置射頻芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引腳功能、鎖相環(huán)PLL和基準(zhǔn)分頻器等。

在對發(fā)射芯片寄存器進(jìn)行配置和PLL頻率進(jìn)行初始化后，發(fā)射芯片的DINBB引腳接收到OBU系統(tǒng)中的MCU發(fā)送出的數(shù)據(jù)信號；發(fā)射芯片將該數(shù)據(jù)信號進(jìn)行篩選后，送至調(diào)制器的ASK進(jìn)行調(diào)制；然后在經(jīng)過放大器進(jìn)行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號，輸出的高頻信號與RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié) 語

本文基于DSRC協(xié)議的5.8 GHz收發(fā)電路的研究，分別對檢波電路、接收電路、喚醒電路、發(fā)射電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測試結(jié)果表明，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。本文方法具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，具有很好的市場推廣價(jià)值，該系統(tǒng)將有望運(yùn)用在一些實(shí)際的短距離無線通信領(lǐng)域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

參考文獻(xiàn)

[1] 王笑京，蔡華，宋向輝，等.電子收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)于工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全國智能運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 20851.1?2007 電子收費(fèi)專用短程通信 第1部分：物理層[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] 張迪.ETC系統(tǒng)中OBU側(cè)DSRC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[4] SASHO N， MINAMI K， FUJITA H， et al. Single?chip 5.8 GHz DSRC transceiver with dual?mode of ASK and Pi/4?QPSK [C]// Proceedings of IEEE Radio and Wireless Symposium. [S.l.]： IEEE， 2008： 799?802.

[5] 李文仲，段朝玉.短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6] 中華人民共和國電子工業(yè)部.GB7496?87 信息處理系統(tǒng)?數(shù)據(jù)通信?高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程?幀結(jié)構(gòu)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

1.5 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用了江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的5.8 GHz發(fā)射芯片作為發(fā)射模塊。射頻芯片實(shí)際發(fā)射電路如圖5所示。

圖5中PA_OUT發(fā)射端連接天線的射頻開關(guān)，此開關(guān)用來控制發(fā)射與接收的天線；基帶控制通過3線式串行總線來配置射頻芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引腳功能、鎖相環(huán)PLL和基準(zhǔn)分頻器等。

在對發(fā)射芯片寄存器進(jìn)行配置和PLL頻率進(jìn)行初始化后，發(fā)射芯片的DINBB引腳接收到OBU系統(tǒng)中的MCU發(fā)送出的數(shù)據(jù)信號；發(fā)射芯片將該數(shù)據(jù)信號進(jìn)行篩選后，送至調(diào)制器的ASK進(jìn)行調(diào)制；然后在經(jīng)過放大器進(jìn)行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號，輸出的高頻信號與RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié) 語

本文基于DSRC協(xié)議的5.8 GHz收發(fā)電路的研究，分別對檢波電路、接收電路、喚醒電路、發(fā)射電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測試結(jié)果表明，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。本文方法具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，具有很好的市場推廣價(jià)值，該系統(tǒng)將有望運(yùn)用在一些實(shí)際的短距離無線通信領(lǐng)域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

參考文獻(xiàn)

[1] 王笑京，蔡華，宋向輝，等.電子收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)于工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全國智能運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 20851.1?2007 電子收費(fèi)專用短程通信 第1部分：物理層[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] 張迪.ETC系統(tǒng)中OBU側(cè)DSRC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[4] SASHO N， MINAMI K， FUJITA H， et al. Single?chip 5.8 GHz DSRC transceiver with dual?mode of ASK and Pi/4?QPSK [C]// Proceedings of IEEE Radio and Wireless Symposium. [S.l.]： IEEE， 2008： 799?802.

[5] 李文仲，段朝玉.短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6] 中華人民共和國電子工業(yè)部.GB7496?87 信息處理系統(tǒng)?數(shù)據(jù)通信?高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程?幀結(jié)構(gòu)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.

1.5 發(fā)射電路設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)選用了江蘇省專用集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的5.8 GHz發(fā)射芯片作為發(fā)射模塊。射頻芯片實(shí)際發(fā)射電路如圖5所示。

圖5中PA_OUT發(fā)射端連接天線的射頻開關(guān)，此開關(guān)用來控制發(fā)射與接收的天線；基帶控制通過3線式串行總線來配置射頻芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引腳功能、鎖相環(huán)PLL和基準(zhǔn)分頻器等。

在對發(fā)射芯片寄存器進(jìn)行配置和PLL頻率進(jìn)行初始化后，發(fā)射芯片的DINBB引腳接收到OBU系統(tǒng)中的MCU發(fā)送出的數(shù)據(jù)信號；發(fā)射芯片將該數(shù)據(jù)信號進(jìn)行篩選后，送至調(diào)制器的ASK進(jìn)行調(diào)制；然后在經(jīng)過放大器進(jìn)行輸出功率放大后，天線輸出高頻信號，輸出的高頻信號與RSU進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

3 結(jié) 語

本文基于DSRC協(xié)議的5.8 GHz收發(fā)電路的研究，分別對檢波電路、接收電路、喚醒電路、發(fā)射電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測試結(jié)果表明，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)。本文方法具有良好的穩(wěn)定性、可靠性，具有很好的市場推廣價(jià)值，該系統(tǒng)將有望運(yùn)用在一些實(shí)際的短距離無線通信領(lǐng)域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

參考文獻(xiàn)

[1] 王笑京，蔡華，宋向輝，等.電子收費(fèi)系統(tǒng)技術(shù)于工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全國智能運(yùn)輸系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 20851.1?2007 電子收費(fèi)專用短程通信 第1部分：物理層[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

[3] 張迪.ETC系統(tǒng)中OBU側(cè)DSRC協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

[4] SASHO N， MINAMI K， FUJITA H， et al. Single?chip 5.8 GHz DSRC transceiver with dual?mode of ASK and Pi/4?QPSK [C]// Proceedings of IEEE Radio and Wireless Symposium. [S.l.]： IEEE， 2008： 799?802.

[5] 李文仲，段朝玉.短距離無線數(shù)據(jù)通信入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6] 中華人民共和國電子工業(yè)部.GB7496?87 信息處理系統(tǒng)?數(shù)據(jù)通信?高級數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程?幀結(jié)構(gòu)[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1987.