基于DSRC协议的5.8 GHz收发电路设计与实现

谢星　于玮　+孙玲　管图华　+陆高勇

摘 要： 提出了一种应用于专用短程通信（DSRC）协议的5.8 GHz收发电路的设计方案，给出了5.8 GHz收发电路的硬件设计方法，包括检波电路、接收电路、唤醒电路和发射电路的设计，最后列出了射频前端的测试方法。测试结果表明，该5.8 GHz收发电路的设计完全符合DSRC协议国家标准，并且验证了该设计方案的可行性与成功性，该系统性能稳定、实用性强，具有很好的市场推广价值。

关键字： 专用短程通信； 5.8 GHz收发电路； 射频前端； DSRC协议国家标准

中图分类号： TN911.7?34 文献标识码： A 文章编号： 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

电子不停车收费系统（ETC）集成了无线射频识别技术、自动车辆识别技术和收费管理技术，特别是其中应用的车路信息交换技术已经逐渐形成了交通专用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技术体系[1]。DSRC中的各种协议逐渐成为ITS车路间通信的标准协议。我国DSRC工作频段选定在5.8 GHz[2]。正是在这样的背景下，本文设计并实现了基于DSRC协议的5.8 GHz短距离收发系统。该收发系统在交通运输部公路科学研究院交通智能运输系统工程研究中心进行了测试。

1 5.8 GHz收发电路设计与实现

1.1 5.8 GHz收发电路系统概述

5.8 GHz收发电路系统由接收电路、唤醒电路和发射电路三部分组成，如图1所示。5.8 GHz射频收发系统主要用于连接高频信号与基带信号[3]。该电路将接收到的高频信号送至微处理器（MCU）进行数据处理，然后再由发射电路将处理好的数据信号发送出去，从而实现车载单元（OBU）与路侧单元（RSU）的无线通信。

1.2 检波部分电路的设计

本次设计天线部分采用的是微带线矩形贴片天线，由于发射和接收共用1个天线，所以采用了射频开关进行处理，射频开关由微处理器来控制，天线的公共端接在射频开关的RFC管脚，射频开关的RF1和RF2分别接到发射端和接收端，如图2所示。

5.8 GHz天线接收到从RSU发射出来的信号，经过ASK检波电路进行解调，然后解调信号由唤醒电路和接收电路进行相应的处理。本次设计采用二极管检波解调方式，二极管采用AVAGO公司HSMS?2864系列的肖特基二极管，工作频率为915 MHz、2.45 GHz和5.80 GHz，完全满足该收发系统的设计需求[4]。

1.3 唤醒电路设计

唤醒电路主要接收来自RSU发出的14 kHz唤醒信号，该唤醒信号用来触发OBU进入工作模式。OBU处于省电模式时，只有唤醒电路处于正常工作模式；而MCU处于睡眠模式时，其他电路处于掉电状态。当OBU接收到RSU发送的15～17个周期14 kHz的方波唤醒信号时，唤醒电路将接收到的信号进行放大，放大后的唤醒信号用来唤醒MCU，随后MCU控制电源控制电路，给OBU其他模块供电，进入正常的工作状态。唤醒电路功能框图如图3所示。

唤醒电路设计的关键是低功耗，因为唤醒电路一直处于工作状态，所以在电路芯片的选择上首先要考虑的是芯片的功耗。唤醒电路采用二极管检波的解调方式，解调后的信号经过运算放大器和比较器后输出唤醒MCU。本文运算放大器采用MAXIM公司的低功耗芯片MAX9913，比较器采用MAX9119，满足唤醒电路对静态功耗的设计要求。

1.4 接收电路的设计

5.8 GHz接收电路主要用于接收RSU发送的数字信号，在电路的设计上，接收电路和唤醒电路共用1个二极管检波。由于RSU发出的唤醒信号是频率为14 kHz的方波，而数据信号的频率为500 kHz，所以不能使用唤醒电路的放大电路对数据信号进行放大，而需要1条单独的放大电路，该电路只有在MCU被唤醒后才处于工作状态。

数字信号的接收电路是用集成运算放大器和比较器的结构来实现的，接收端信号的放大是通过SGM8051、SGM721和SGM722共同来实现的。比较器选用MAXIM公司的MAX985，速度比唤醒电路使用的比较器快，以满足信号速率的要求，其具有低功耗、低电压的特性，符合接收电路低功耗的设计原则[5]。数据接收电路的结构如图4所示。

1.5 发射电路设计

本次设计选用了江苏省专用集成电路设计重点实验室自主研发的5.8 GHz发射芯片作为发射模块。射频芯片实际发射电路如图5所示。

图5中PA_OUT发射端连接天线的射频开关，此开关用来控制发射与接收的天线；基带控制通过3线式串行总线来配置射频芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引脚功能、锁相环PLL和基准分频器等。

在对发射芯片寄存器进行配置和PLL频率进行初始化后，发射芯片的DINBB引脚接收到OBU系统中的MCU发送出的数据信号；发射芯片将该数据信号进行筛选后，送至调制器的ASK进行调制；然后在经过放大器进行输出功率放大后，天线输出高频信号，输出的高频信号与RSU进行数据交换。

3 结 语

本文基于DSRC协议的5.8 GHz收发电路的研究，分别对检波电路、接收电路、唤醒电路、发射电路进行了设计和实现。实际测试结果表明，完全符合国家标准。本文方法具有良好的稳定性、可靠性，具有很好的市场推广价值，该系统将有望运用在一些实际的短距离无线通信领域中。

注：本文通讯作者为管图华。

参考文献

[1] 王笑京，蔡华，宋向辉，等.电子收费系统技术于工程应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全国智能运输系统标准化技术委员会.GB/T 20851.1?2007 电子收费专用短程通信 第1部分：物理层[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 张迪.ETC系统中OBU侧DSRC协议的设计与实现[D].济南：山东大学，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.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[6] 中华人民共和国电子工业部.GB7496?87 信息处理系统?数据通信?高级数据链路控制规程?帧结构[S].北京：中国标准出版社，1987.

1.5 发射电路设计

本次设计选用了江苏省专用集成电路设计重点实验室自主研发的5.8 GHz发射芯片作为发射模块。射频芯片实际发射电路如图5所示。

图5中PA_OUT发射端连接天线的射频开关，此开关用来控制发射与接收的天线；基带控制通过3线式串行总线来配置射频芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引脚功能、锁相环PLL和基准分频器等。

在对发射芯片寄存器进行配置和PLL频率进行初始化后，发射芯片的DINBB引脚接收到OBU系统中的MCU发送出的数据信号；发射芯片将该数据信号进行筛选后，送至调制器的ASK进行调制；然后在经过放大器进行输出功率放大后，天线输出高频信号，输出的高频信号与RSU进行数据交换。

3 结 语

本文基于DSRC协议的5.8 GHz收发电路的研究，分别对检波电路、接收电路、唤醒电路、发射电路进行了设计和实现。实际测试结果表明，完全符合国家标准。本文方法具有良好的稳定性、可靠性，具有很好的市场推广价值，该系统将有望运用在一些实际的短距离无线通信领域中。

注：本文通讯作者为管图华。

参考文献

[1] 王笑京，蔡华，宋向辉，等.电子收费系统技术于工程应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全国智能运输系统标准化技术委员会.GB/T 20851.1?2007 电子收费专用短程通信 第1部分：物理层[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 张迪.ETC系统中OBU侧DSRC协议的设计与实现[D].济南：山东大学，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.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[6] 中华人民共和国电子工业部.GB7496?87 信息处理系统?数据通信?高级数据链路控制规程?帧结构[S].北京：中国标准出版社，1987.

1.5 发射电路设计

本次设计选用了江苏省专用集成电路设计重点实验室自主研发的5.8 GHz发射芯片作为发射模块。射频芯片实际发射电路如图5所示。

图5中PA_OUT发射端连接天线的射频开关，此开关用来控制发射与接收的天线；基带控制通过3线式串行总线来配置射频芯片寄存器，控制芯片的工作模式、引脚功能、锁相环PLL和基准分频器等。

在对发射芯片寄存器进行配置和PLL频率进行初始化后，发射芯片的DINBB引脚接收到OBU系统中的MCU发送出的数据信号；发射芯片将该数据信号进行筛选后，送至调制器的ASK进行调制；然后在经过放大器进行输出功率放大后，天线输出高频信号，输出的高频信号与RSU进行数据交换。

3 结 语

本文基于DSRC协议的5.8 GHz收发电路的研究，分别对检波电路、接收电路、唤醒电路、发射电路进行了设计和实现。实际测试结果表明，完全符合国家标准。本文方法具有良好的稳定性、可靠性，具有很好的市场推广价值，该系统将有望运用在一些实际的短距离无线通信领域中。

注：本文通讯作者为管图华。

参考文献

[1] 王笑京，蔡华，宋向辉，等.电子收费系统技术于工程应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 全国智能运输系统标准化技术委员会.GB/T 20851.1?2007 电子收费专用短程通信 第1部分：物理层[S].北京：中国标准出版社，2007.

[3] 张迪.ETC系统中OBU侧DSRC协议的设计与实现[D].济南：山东大学，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.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[6] 中华人民共和国电子工业部.GB7496?87 信息处理系统?数据通信?高级数据链路控制规程?帧结构[S].北京：中国标准出版社，1987.