基于DSRC協議的5.8 GHz收發(fā)電路設計與實現

謝星　于瑋　+孫玲　管圖華　+陸高勇

摘 要： 提出了一種應用于專用短程通信（DSRC）協議的5.8 GHz收發(fā)電路的設計方案，給出了5.8 GHz收發(fā)電路的硬件設計方法，包括檢波電路、接收電路、喚醒電路和發(fā)射電路的設計，最后列出了射頻前端的測試方法。測試結果表明，該5.8 GHz收發(fā)電路的設計完全符合DSRC協議國家標準，并且驗證了該設計方案的可行性與成功性，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實用性強，具有很好的市場推廣價值。

關鍵字： 專用短程通信； 5.8 GHz收發(fā)電路； 射頻前端； DSRC協議國家標準

中圖分類號： TN911.7?34 文獻標識碼： 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

電子不停車收費系統(tǒng)（ETC）集成了無線射頻識別技術、自動車輛識別技術和收費管理技術，特別是其中應用的車路信息交換技術已經逐漸形成了交通專用短程通信（Dedicated Short Range Communication，DSRC）技術體系[1]。DSRC中的各種協議逐漸成為ITS車路間通信的標準協議。我國DSRC工作頻段選定在5.8 GHz[2]。正是在這樣的背景下，本文設計并實現了基于DSRC協議的5.8 GHz短距離收發(fā)系統(tǒng)。該收發(fā)系統(tǒng)在交通運輸部公路科學研究院交通智能運輸系統(tǒng)工程研究中心進行了測試。

1 5.8 GHz收發(fā)電路設計與實現

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）進行數據處理，然后再由發(fā)射電路將處理好的數據信號發(fā)送出去，從而實現車載單元（OBU）與路側單元（RSU）的無線通信。

1.2 檢波部分電路的設計

本次設計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個天線，所以采用了射頻開關進行處理，射頻開關由微處理器來控制，天線的公共端接在射頻開關的RFC管腳，射頻開關的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，經過ASK檢波電路進行解調，然后解調信號由喚醒電路和接收電路進行相應的處理。本次設計采用二極管檢波解調方式，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)的設計需求[4]。

1.3 喚醒電路設計

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進入工作模式。OBU處于省電模式時，只有喚醒電路處于正常工作模式；而MCU處于睡眠模式時，其他電路處于掉電狀態(tài)。當OBU接收到RSU發(fā)送的15～17個周期14 kHz的方波喚醒信號時，喚醒電路將接收到的信號進行放大，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。

喚醒電路設計的關鍵是低功耗，因為喚醒電路一直處于工作狀態(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方式，解調后的信號經過運算放大器和比較器后輸出喚醒MCU。本文運算放大器采用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)功耗的設計要求。

1.4 接收電路的設計

5.8 GHz接收電路主要用于接收RSU發(fā)送的數字信號，在電路的設計上，接收電路和喚醒電路共用1個二極管檢波。由于RSU發(fā)出的喚醒信號是頻率為14 kHz的方波，而數據信號的頻率為500 kHz，所以不能使用喚醒電路的放大電路對數據信號進行放大，而需要1條單獨的放大電路，該電路只有在MCU被喚醒后才處于工作狀態(tài)。

數字信號的接收電路是用集成運算放大器和比較器的結構來實現的，接收端信號的放大是通過SGM8051、SGM721和SGM722共同來實現的。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計原則[5]。數據接收電路的結構如圖4所示。

1.5 發(fā)射電路設計

本次設計選用了江蘇省專用集成電路設計重點實驗室自主研發(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，此開關用來控制發(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和基準分頻器等。

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

3 結 語

本文基于DSRC協議的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)射電路進行了設計和實現。實際測試結果表明，完全符合國家標準。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值，該系統(tǒng)將有望運用在一些實際的短距離無線通信領域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

參考文獻

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

[2] 全國智能運輸系統(tǒng)標準化技術委員會.GB/T 20851.1?2007 電子收費專用短程通信 第1部分：物理層[S].北京：中國標準出版社，2007.

[3] 張迪.ETC系統(tǒng)中OBU側DSRC協議的設計與實現[D].濟南：山東大學，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.短距離無線數據通信入門與實戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.

[6] 中華人民共和國電子工業(yè)部.GB7496?87 信息處理系統(tǒng)?數據通信?高級數據鏈路控制規(guī)程?幀結構[S].北京：中國標準出版社，1987.

1.5 發(fā)射電路設計

本次設計選用了江蘇省專用集成電路設計重點實驗室自主研發(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，此開關用來控制發(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和基準分頻器等。

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

3 結 語

本文基于DSRC協議的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)射電路進行了設計和實現。實際測試結果表明，完全符合國家標準。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值，該系統(tǒng)將有望運用在一些實際的短距離無線通信領域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

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1.5 發(fā)射電路設計

本次設計選用了江蘇省專用集成電路設計重點實驗室自主研發(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，此開關用來控制發(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和基準分頻器等。

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

3 結 語

本文基于DSRC協議的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)射電路進行了設計和實現。實際測試結果表明，完全符合國家標準。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值，該系統(tǒng)將有望運用在一些實際的短距離無線通信領域中。

注：本文通訊作者為管圖華。

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