ETC系统中路边单元的设计

李新友 孙 仲 许 菲 王 昱

（武汉理工大学信息工程学院1） 武汉 430070） （武汉市城市路桥收费管理中心2） 武汉 430050）

电子不停车收费 （electronic toll collection，ETC）系统是一种基于5.8GHz专用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）技术，通过射频识别获取车载单元记载的车辆信息来实现车辆识别，并配合后台数据管理系统完成相应的缴费、记录等操作，实现车辆不停车收费的智能交通系统（inteligence transport system，ITS）.

专用短程通信（DSRC）是智能交通系统运作的协议基础，2007年中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会发布了GB／T20851－2007《电子收费专用短程通信》［1］国家标准，其技术参数见表1.

表1 DSRC物理层上下行链路参数

表1列出了GB／T 20851－2007－1电子收费专用短程通信协议物理层中所规定的关键技术指标.其中下行链路由路边单元（road side unit，RSU）完成，上行链路由车载单元（on board unit，OBU）实现［2］.本文讨论的就是路边单元RSU的设计.

1 系统总体设计

RSU系统结构框图见图1，可分为射频部分和基带部分.射频部分包括射频接收模块、射频发射模块、收发微带天线阵列；基带部分包括MCU微处理器、安全认证模块、数据存储模块、网络接口模块等部分.

图1 RSU系统结构框图

MCU微处理器是RSU的控制核心，协调各个模块有序的完成DSRC协议所要求的交易流程.

网络接模块口负责将RSU成功交易所获得OBU的数据通过网口上传，同时接受后台管理系统的远程控制.

安全认证模块负责RSU对OBU进行认证，负责对空中接口的数据进行加密解密，提高交易信息的安全性.数据存储模块用于当网络有故障时临时存储交易信息，同时存放网络下发的交易黑白名单.

射频发射模块负责将RSU中单片机产生的基带数据调制到5.8GHz.射频接收模块负责接收OBU发出的5.8GHz射频信号并从中解调出基带信号［3］.射频发射与射频接收电路通过T／R射频开关分时复用微带天线.

2 系统关键部件设计

2.1 RSU微带天线阵列设计

RSU系统中选用微带天线来收发射频信号.微带天线是一种片状金属结构天线，外观一般为附于带有接地平面的电介质薄板上的矩形单个金属贴片或阵列，微带天线由一个或多个这样的贴片组成，可以利用成熟的PCB线路板工艺制作，成本低，适合于RSU的小型化［4］.

设计微带天线首先要选定介质板.介质板是一片具有均匀介电常数一定厚度的电介质薄板，一面附有金属铜箔作为地平面，另一面印刷有微带天线.本设计中选用厚度为1.0mm材质为聚四氟乙烯PTFE的PCB作为介质板，介电常数为2.55.

图2是RSU微带天线的基本天线单元，设计为一带切角的方形铜箔，馈电点从图中A点处接入即可实现右旋圆极化.中心频率和介电常数决定天线的尺寸［5］，本RSU的天线设计为通过T／R射频开关收发共用，故天线的谐振频率取为接收与发射4个信道公共的中心频率5.82GHz，带宽取为5.785～5.845GHz.借助理论计算与HFSS软件仿真，确定基本天线单元的尺寸为图中a＝15.5mm，b＝2mm.图中A点处的开路线用于微调天线阵在中心频率处的阻抗与驻波值.

图2 微带天线基本单元

由于RSU需要发射较大的功率，以及较高的接受灵敏度，因此RSU微带天线的需要设计较高的增益.为了满足此要求RSU天线在设计上选择了微带阵列形式.

图3给出了8单元微带阵列天线的几何排列和馈电网络.整个天线阵是由2个2×2阵列并联而成，射频信号从图中A点背馈接入，要求A点处的输入阻抗为50Ω，则左右2个2×2天线阵列的输入阻抗各为100Ω.每个2×2阵列是由4个相同形状的基本单元旋转对称排列而成，每个基本单元与相邻单元之间相位相差90，各单元的相位值标示见图3中，相邻单元间距为25.8 mm，约为半波长.

图3 8单元微带天线阵列

通过HFSS软件仿真结果可以确定该8单元微带天线阵在5.785～5.845GHz频率范围内增益约为15dBi，驻波比＜1.3.

2.2 射频接收电路设计

为了降低了系统复杂度，射频接收电路采用单次混频超外差式接收电路结构［6］.接收电路电路结构如图4所示，主要包括低噪声放大器、混频器、中频滤波器与中频AGC放大器、本地振荡器、检波器、低频放大与整形六大部分.

图4 RSU射频接收电路框图

天线接收的信号首先经2级低噪声放大器（LNA）进行放大，2级LNA间增加射频介质带通滤波器抑制带外噪声信号；放大后的射频信号与本振信号进行混频，将射频信号转换为固定的中频；中频信号再经中频声表滤波器滤波、中频AGC放大、检波还原出基带信号；基带信号还需放大与整形才能达到单片机所能辨认的数字信号电平幅度.

2.2.1 本地振荡器设计 无线通信系统中本地振荡器通常的实现方法是一片PLL锁相环频率合成器芯片（如ADF4107等）配合一款压控振荡器芯片实现［7］.本设计基于简化的原则选用了美国HITTITE公司的集成频综器件HMC5833LP6CE.该器件的优势在于其内置了PLL与VCO，外围电路简单.图5给出了基于HMC5833的本地振荡器电路.通过芯片外接五线式（CEN，SCK，SDI，SEN，SDO）数字接口可以控制芯片内部的寄存器进行预置和调整，实现输出频率范围从5.70～5.85GHz，步进为1MHz的频率调整，参考源取为10MHz.HMC5833输出功率约＋2 dBm.

图5 本地振荡电路

2.2.2 低噪声放大器设计 LNA位于射频接收机的前端，对整个系统的接收性能起着至关重要的作用.现今许多射频接收机中低噪声放大器LNA的设计是基于分立的解决方案，其原因是使用晶体管的分立解决方案会使放大器的噪声系数NF与MMIC（单片微波集成电路）LNA相比较低.但分立的解决方案缺点明显，如集成度不高、占用空间大、阻抗匹配麻烦、调试困难、设计门槛高.而MMIC LNA电路，外围元件数量少、开发周期短，并且由于大多数MMIC LNA具有内部偏压和反馈电路，这些器件上的阻抗匹配更加简便，噪声性能也能较好控制.因此，经过综合考虑，本设计中采用的是基于MMIC LNA的电路设计方案.在设计中对许多LNA芯片的参数进行比较，最后确定选用美国AVAGO公司的 MGA－665P8芯片作为射频小信号放大器.

MGA－665P8低噪声放大器是专为0.5～6 GHz频率范围内的无线应用所设计，输入输出匹配到50Ω，电源偏置电路简单.在3.3V工作电压5.8GHz频率时，噪声系数NF小于1.5dB，增益达到15dB.图6给出了MGA－665P8组成的低噪声放大电路图.

2.2.3 中频AGC放大电路设计 在RSU接收单元中AGC的动态范围对系统的性能有很大影响，本设计中采用两级ADI公司的AD8367 AGC芯片实现［8］，可实现－5～－75dBm动态，AGC控制范围可达70dB.图7给出了AD8367的中频AGC放大电路图.

图6 低噪声放大电路

图7 中频AGC放大电路

2.2.4 对数检波电路设计 RSU接收的数据是经过OBU发射的经过FM0编码的512kbit／s位速率的数据，信号脉宽为1～2μs，其全零码为1 024kHz.

故检波电路选用了ADI公司快速对数放大检波器AD8307，该芯片延迟时间＜15ns，足以应付1 024kHz的全零码接收.对数检波电路如图8所示.

图8 对数检波电路

2.3 射频发射电路设计

RSUD的射频发射电路采取利用基带信号直接调制载波的结构.发射模块电路结构如图9所示，主要包括载波振荡器、ASK调制器、数控衰减器、功率发大器四大部分.

图9 RSU射频发射电路框图

载波振荡器用于产生5.83和5.84GHz两个信道的下行载波频率，采用和接收模块中本地振荡器相同的实现方案，用HMC5833实现.

ETC系统专用短程通信规定上下行链路采用ASK调制方式主要原因是：首先ASK短距离通信中抗衰落能力强，其次ASK调制方式的解调电路简单，只需包络微波检波二极管，有利于降低成本.在ETC专用短程通信系统中，ASK调制器的载波振荡振幅在Amax和Amin2种状态切换，如图10所示，调制度ma定义为：

我国国标要求调制度ma处于0.5～0.9之间.

图10 ASK调制度

ETC系统中ASK调制器通常的设计方法是采用模拟衰减器，利用基带信号的1和0控制模拟衰减器的不同衰减幅度实现.该方法的优点是调制度连续可调，缺点是调制度可调范围不大且电路略显复杂.

本设计选用两个射频开关设计了一款固定调制度产生电路，电路结构如图11所示.当基带数据TX＿DATA为1时，单刀双掷射频开关RF SW1和RF SW2同时接到上端，载波信号无衰减送至后级；当TX＿DATA为0时，单刀双掷开关RF SW1和RF SW2同时接到下端，载波信号通过三个电阻构成的π型衰减器送至后级；选用不同的电阻即可控制衰减器的衰减量，从而达到控制ASK调制器的调制度的目的.由于电路中π型衰减器的电阻值一旦确定，其衰减量就是确定的，电路的调制度就被确定下来，所以本方案是一个固定调制度ASK产生电路.通过合理选取π型衰减器的电阻值即可使调制度ma在5%～95%之间可调，达到国标要求.

RSU发射数据的位速率是256kb／s，经过FM0编码后信号脉宽为2～4μs，其全零码为512 kHz.ASK调制器中射频开关选择为HMC536LP2E，其开关速度＜100ns，能够满足RSU发射256kb／s全零FM0码的需要.

图11 固定调制度ASK调制电路

用于共享微带天线的T／R射频收发开关也选为HMC536LP2E，其输入功率可达33dBm，满足RSU收发射频信号的需要.

RSU发射模块中设计数控衰减电路的作用是调节 RSU 的发射功率［9－10］，满足 ETC车道通信距离和通信区域的要求.设计中选用6位数字衰减器HMC425实现功率调节，输出0.5～31.5 dBm，步进0.5dB可调.

2.4 基带电路设计

基带电路设计包括RSU中单片机的选型、安全认证、数据存储及网络接口部分的实现.

设计中选用ST公司的ARM7系列单片机STR712，该单片机的优势是自带DSRC协议要求的硬件HDLC和硬件FM0编解码电路，可以极大减轻单片机处理RDSC协议编程的工作量.

数据存储模块通过给单片机扩展了SD卡读卡器实现.

安全认证模块即PSAM卡读写电路.STR712自带操作PSAM卡所需的ISO7816读写总线.

设计中选用韩国WIZNET公司的W5200实现网络接口功能.该网络芯片的优势是其具有完整的全硬件TCP／IP协议栈，及以太网链路层和物理层；W5200与单片机的连接通过SPI接口实现，单片机只需通过SPI串口对该网络接口芯片进行网络参数的配置即可，W5200与单片机的数据传输也通过高速SPI串口实现，即W5200实现了SPI串口转网口的功能.W5200有多达8个socket端口，能满足RSU交易、下载等需要.该方案的优点是避免了单片机端较复杂的TCP／IP协议编程，开发成本低.

3 结束语

ETC技术作为智能交通和物联网技术的重要分支近年来一直保持快速增长的态势.本文基于5.8GHz DSRC技术设计了ETC系统中的路边单元，给出了系统总体设计、射频与基带部分的设计过程.重点描述了RSU中射频部分8单元天线阵列、微波接收与微波发射电路的设计.

RSU收发模块在实际工程测试中的主要性能指标如表2所列.测试结果表明，RSU射频模块各项技术指标均已达到和超过设计要求.

表2 RSU射频收发模块测试结果

本RSU的硬件设计方案电路简洁，成本低，编程工作量较小，符合我国自由流ETC收费系统的发展趋势，具有非常好的应用前景.

［1］中国国家标准化管理委员会.GB／T 20851－2007，电子收费专用短程通信［S］.北京：中国国家标准化管理委员会，2007.

［2］许 菲，李新友.ETC系统中车载单元的研究与设计［J］.武汉理工大学学报：交通科学与工程版，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.

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［5］崔昌云，史小卫，黄丘林，等.5.8GHz右手圆极化微带天线阵［C］∥2009年全国微波毫米波会议论文集（上册），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，陈永泰.基于ADF4106的串行数字锁相频率合成的设计［J］.现代计算机，2007（3）：69－71.

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［9］罗 佳.不停车收费系统中DSRC综合测试仪的实现［D］.武汉：华中师范大学，2011.

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