ETC系統中路邊單元的設計

李新友 孫 仲 許 菲 王 昱

（武漢理工大學信息工程學院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）系統是一種基于5.8GHz專用短程通信（dedicated short range communications，DSRC）技術，通過射頻識別獲取車載單元記載的車輛信息來實現車輛識別，并配合后臺數據管理系統完成相應的繳費、記錄等操作，實現車輛不停車收費的智能交通系統（inteligence transport system，ITS）.

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

表1 DSRC物理層上下行鏈路參數

表1列出了GB／T 20851－2007－1電子收費專用短程通信協議物理層中所規定的關鍵技術指標.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［2］.本文討論的就是路邊單元RSU的設計.

1 系統總體設計

RSU系統結構框圖見圖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、射頻發射模塊、收發微帶天線陣列；基帶部分包括MCU微處理器、安全認證模塊、數據存儲模塊、網絡接口模塊等部分.

圖1 RSU系統結構框圖

MCU微處理器是RSU的控制核心，協調各個模塊有序的完成DSRC協議所要求的交易流程.

網絡接模塊口負責將RSU成功交易所獲得OBU的數據通過網口上傳，同時接受后臺管理系統的遠程控制.

安全認證模塊負責RSU對OBU進行認證，負責對空中接口的數據進行加密解密，提高交易信息的安全性.數據存儲模塊用于當網絡有故障時臨時存儲交易信息，同時存放網絡下發的交易黑白名單.

射頻發射模塊負責將RSU中單片機產生的基帶數據調制到5.8GHz.射頻接收模塊負責接收OBU發出的5.8GHz射頻信號并從中解調出基帶信號［3］.射頻發射與射頻接收電路通過T／R射頻開關分時復用微帶天線.

2 系統關鍵部件設計

2.1 RSU微帶天線陣列設計

RSU系統中選用微帶天線來收發射頻信號.微帶天線是一種片狀金屬結構天線，外觀一般為附于帶有接地平面的電介質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］.

設計微帶天線首先要選定介質板.介質板是一片具有均勻介電常數一定厚度的電介質薄板，一面附有金屬銅箔作為地平面，另一面印刷有微帶天線.本設計中選用厚度為1.0mm材質為聚四氟乙烯PTFE的PCB作為介質板，介電常數為2.55.

圖2是RSU微帶天線的基本天線單元，設計為一帶切角的方形銅箔，饋電點從圖中A點處接入即可實現右旋圓極化.中心頻率和介電常數決定天線的尺寸［5］，本RSU的天線設計為通過T／R射頻開關收發共用，故天線的諧振頻率取為接收與發射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微帶天線的需要設計較高的增益.為了滿足此要求RSU天線在設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絡.整個天線陣是由2個2×2陣列并聯而成，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軟件仿真結果可以確定該8單元微帶天線陣在5.785～5.845GHz頻率范圍內增益約為15dBi，駐波比＜1.3.

2.2 射頻接收電路設計

為了降低了系統復雜度，射頻接收電路采用單次混頻超外差式接收電路結構［6］.接收電路電路結構如圖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2級低噪聲放大器（LNA）進行放大，2級LNA間增加射頻介質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，將射頻信號轉換為固定的中頻；中頻信號再經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字信號電平幅度.

2.2.1 本地振蕩器設計 無線通信系統中本地振蕩器通常的實現方法是一片PLL鎖相環頻率合成器芯片（如ADF4107等）配合一款壓控振蕩器芯片實現［7］.本設計基于簡化的原則選用了美國HITTITE公司的集成頻綜器件HMC5833LP6CE.該器件的優勢在于其內置了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）數字接口可以控制芯片內部的寄存器進行預置和調整，實現輸出頻率范圍從5.70～5.85GHz，步進為1MHz的頻率調整，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 低噪聲放大器設計 LNA位于射頻接收機的前端，對整個系統的接收性能起著至關重要的作用.現今許多射頻接收機中低噪聲放大器LNA的設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、調試困難、設計門檻高.而MMIC LNA電路，外圍元件數量少、開發周期短，并且由于大多數MMIC LNA具有內部偏壓和反饋電路，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，經過綜合考慮，本設計中采用的是基于MMIC LNA的電路設計方案.在設計中對許多LNA芯片的參數進行比較，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頻率范圍內的無線應用所設計，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放大電路設計 在RSU接收單元中AGC的動態范圍對系統的性能有很大影響，本設計中采用兩級ADI公司的AD8367 AGC芯片實現［8］，可實現－5～－75dBm動態，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 對數檢波電路設計 RSU接收的數據是經過OBU發射的經過FM0編碼的512kbit／s位速率的數據，信號脈寬為1～2μs，其全零碼為1 024kHz.

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

圖8 對數檢波電路

2.3 射頻發射電路設計

RSUD的射頻發射電路采取利用基帶信號直接調制載波的結構.發射模塊電路結構如圖9所示，主要包括載波振蕩器、ASK調制器、數控衰減器、功率發大器四大部分.

圖9 RSU射頻發射電路框圖

載波振蕩器用于產生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方案，用HMC5833實現.

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

我國國標要求調制度ma處于0.5～0.9之間.

圖10 ASK調制度

ETC系統中ASK調制器通常的設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.該方法的優點是調制度連續可調，缺點是調制度可調范圍不大且電路略顯復雜.

本設計選用兩個射頻開關設計了一款固定調制度產生電路，電路結構如圖11所示.當基帶數據TX＿DATA為1時，單刀雙擲射頻開關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RF SW1和RF SW2同時接到下端，載波信號通過三個電阻構成的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調制器的調制度的目的.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，電路的調制度就被確定下來，所以本方案是一個固定調制度ASK產生電路.通過合理選取π型衰減器的電阻值即可使調制度ma在5%～95%之間可調，達到國標要求.

RSU發射數據的位速率是256kb／s，經過FM0編碼后信號脈寬為2～4μs，其全零碼為512 kHz.ASK調制器中射頻開關選擇為HMC536LP2E，其開關速度＜100ns，能夠滿足RSU發射256kb／s全零FM0碼的需要.

圖11 固定調制度ASK調制電路

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

RSU發射模塊中設計數控衰減電路的作用是調節 RSU 的發射功率［9－10］，滿足 ETC車道通信距離和通信區域的要求.設計中選用6位數字衰減器HMC425實現功率調節，輸出0.5～31.5 dBm，步進0.5dB可調.

2.4 基帶電路設計

基帶電路設計包括RSU中單片機的選型、安全認證、數據存儲及網絡接口部分的實現.

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

數據存儲模塊通過給單片機擴展了SD卡讀卡器實現.

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.

設計中選用韓國WIZNET公司的W5200實現網絡接口功能.該網絡芯片的優勢是其具有完整的全硬件TCP／IP協議棧，及以太網鏈路層和物理層；W5200與單片機的連接通過SPI接口實現，單片機只需通過SPI串口對該網絡接口芯片進行網絡參數的配置即可，W5200與單片機的數據傳輸也通過高速SPI串口實現，即W5200實現了SPI串口轉網口的功能.W5200有多達8個socket端口，能滿足RSU交易、下載等需要.該方案的優點是避免了單片機端較復雜的TCP／IP協議編程，開發成本低.

3 結束語

ETC技術作為智能交通和物聯網技術的重要分支近年來一直保持快速增長的態勢.本文基于5.8GHz DSRC技術設計了ETC系統中的路邊單元，給出了系統總體設計、射頻與基帶部分的設計過程.重點描述了RSU中射頻部分8單元天線陣列、微波接收與微波發射電路的設計.

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

表2 RSU射頻收發模塊測試結果

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

［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系統中車載單元的研究與設計［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，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，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的串行數字鎖相頻率合成的設計［J］.現代計算機，2007（3）：69－71.

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

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

［10］中華人民共和國交通運輸部公路科學研究院.收費公路聯網電子不停車收費技術要求［S］.北京：人民交通出版社，2011.