Desarrollo de módulo electrónico de unidad de cobro de peaje de carretera con transceptor de RF

Introducción

En 2019, las solicitudes de cobro electrónico de peaje (ETC) en China aumentaron drásticamente debido a la política gubernamental. El número de automóviles con unidades a bordo (OBU) aumentó de 80 millones a 200 millones en un año. Junto con este auge en la instalación de OBU, el uso de aplicaciones ETC se ha expandido de la carretera a la ciudad para cosas como tarifas de estacionamiento y recopilación de información del vehículo. Actualmente, los sistemas para recopilar información sobre tarifas de estacionamiento y vehículos se basan en cámaras. Por lo tanto, para aplicaciones urbanas de ETC, es deseable integrar una unidad de carretera ETC (RSU) en el sistema de cámara. Este artículo describe la implementación del módulo ETC RSU utilizando el transceptor de radiofrecuencia (RF) AD9361. Sus objetivos son las ETC RSU de China, lo que significa que debe cumplir con el estándar chino GB/T 20851-2019 "Cobro de peaje electrónico: comunicación dedicada de corto alcance".¹ El módulo tiene un tamaño bastante compacto, 11 cm × 6 cm, por lo que es fácil de integrar dentro del sistema de la cámara. Además, este módulo ETC RSU también puede configurarse como un instrumento RF simple, que podría usarse para probar el módulo ETC RSU en la línea de producción del cliente. Los clientes no necesitarían un costoso instrumento de RF en su línea de producción, lo que generaría grandes ahorros.

resumen estándar

De acuerdo con GB/T 20851-2019, el requisito de capa física de ETC RSU se resume en las tablas 1 y 2.

Tabla 1. Resumen de los requisitos de la capa física principal de RSU Downlink ETC

Arreglo	La descripción
Frecuencia de carga	Canal 1: 5830 MHz Canal 2: 5840 MHz
Ancho de banda de reacondicionamiento (OBW)	≤5MHz
Tolerancia de frecuencia	±10 × 10-6
DEBER	≤33dBm
emisión puntiaguda	30 MHz a 1 GHz	≤–36dBm/100kHz
	2400 MHz a 2483,5 MHz	≤–40dBm/1MHz
	3400MHz a 3530MHz	≤–40dBm/1MHz
	5725MHz a 5850MHz*	≤–33dBm/100kHz
	Otra frecuencia: 1 GHz a 20 GHz	≤–30dBm/1MHz
Tasa de fuga del canal adyacente	≤–30dB
tipo de modificación	PREGUNTA
Profundidad de modificación	70% a 90%
Codificación de datos	FM0
Tasa de bits	256 kbps
Precisión de tasa de bits	±100 × 10-6
*2,5 veces el ancho de banda de la portadora lejos de la frecuencia de la portadora

Tabla 2. Resumen de los requisitos de la capa física del enlace ascendente principal de ETC RSU

Arreglo	La descripción
Frecuencia de carga	Canal 1: 5790 MHz Canal 2: 5800 MHz
Tolerancia de frecuencia	±200 × 10-6
Sensibilidad del receptor	≤–70dBm
Potencia máxima de entrada	≥–20dBm
Tasa de rechazo de intrusión de canal	<+10dB
Tasa de rechazo de interferencias de canales contiguos	<–20dB
Tasa de rechazo de bloque	<–30dB
Obtener ancho de banda	Canal 1	Canal 2
	Máximo: 5787.5MHz a 5792,5 MHz	Máximo: 5797.5MHz a 5802,5 MHz
	Mínimo: 5788.5MHz a 5791,5 MHz	Mínimo: 5799.5MHz a 5801,5 MHz
tipo de modificación	PREGUNTA
Profundidad de modificación	70% a 90%
Codificación de datos	FM0
Tasa de bits	512 kbps
Precisión de tasa de bits	±100 × 10-6

Solución ETC RSU basada en AD9361

En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques de un módulo ETC RSU basado en AD9361. En la Figura 2 se muestran las vistas frontal y trasera.

Dispositivos analógicos El AD9361 es un transceptor de RF completamente integrado que se puede configurar para una amplia variedad de aplicaciones. El dispositivo integra todos los bloques digitales, de señal mixta y de RF necesarios para proporcionar todas las funciones del transceptor en un solo dispositivo.

Vale la pena señalar que el AD9361 tiene varias características que son muy útiles en aplicaciones ETC RSU.

En primer lugar, tanto en la ruta de transmisión como en la de recepción, el AD9361 incorpora filtros FIR polifásicos programables, lo que significa que todo el filtrado de dominio digital se puede realizar dentro del AD9361, en lugar de en el FPGA. Esto ahorra una gran cantidad de recursos de FPGA y se puede seleccionar un FPGA de menor costo. Por ejemplo, para cumplir con el requisito de ancho de banda recibido, un cliente podría usar el Filtro asistente una herramienta proporcionada por Analog Devices para diseñar y ajustar la respuesta del filtro FIR y luego obtener el coeficiente del filtro para cargarlo en el AD9361.

En segundo lugar, el AD9361 tiene una función DCXO, lo que significa que el AD9361 integra el condensador para el cristal externo. El AD9361 es intuneable, lo que significa que el AD9361 puede controlar con precisión la frecuencia del cristal externo. En la aplicación general, el cliente ajusta el divisor RF PLL N para cumplir con el requisito de tolerancia de frecuencia de RF, pero depende del rendimiento del cristal para cumplir con el requisito de precisión de la tasa de bits y no es ajustable. Para una solución basada en AD9361, el cliente puede usar la función DCXO para ajustar la frecuencia del cristal para cumplir con la precisión de la tasa de bits y la tolerancia de frecuencia de RF al mismo tiempo. Y se puede crear una tabla de búsqueda para compensar la corriente de temperatura de la frecuencia del cristal para garantizar que el módulo ETC RSU cumpla con los requisitos de tolerancia de frecuencia y precisión de tasa de bits en el rango completo de temperatura de funcionamiento.

En tercer lugar, el AD9361 implementa las funciones AGC del receptor. Hay dos modos: AGC lento y AGC rápido. Es completamente automático y el cliente no necesita implementar ninguna función de control de ganancia del receptor en el FPGA. El modo AGC rápido es muy útil en aplicaciones ETC RSU y se prueba para estabilizar la configuración de ganancia dentro de diferentes símbolos iniciales de la señal piloto de enlace ascendente.

Para la ruta de transmisión, el FPGA primero envía la señal de banda base digital desde el transmisor al AD9361. Dentro del AD9361, la señal digital de banda base primero se filtra e interpola de 10,24 MSPS a 163,84 MSPS. En segundo lugar, los DAC convierten la señal de banda base digital en una señal de banda base analógica, y luego se filtra por paso bajo. En tercer lugar, se convierte en una señal de RF de 5,83 GHz para el canal 1 o de 5,84 GHz para el canal 2. En el dominio de RF del transmisor, el AD9361 incorpora un atenuador que puede controlar la potencia de salida del transmisor AD9361 en un rango mayor que 80 dB. El atenuador se puede utilizar para ajustar el nivel de potencia de salida del transmisor, así como para compensar la temperatura de todo el enlace del transmisor. La señal del transmisor luego se alimenta al amplificador de potencia (PA) dentro del módulo frontal (FEM), y se amplifica aún más y luego pasa a través de un filtro de paso bajo (LPF) de microbanda para rechazar los armónicos para encontrar el transmisor parásito. requisito de transmisión, y finalmente la señal alimenta la antena. En nuestro diseño de módulo ETC RSU, la potencia de salida en el puerto de la antena podría alcanzar los 29 dBm con la atenuación del transmisor AD9361 configurada en 8 dB, lo que significa que el AD9361 tiene un rango dinámico de atenuación suficiente para compensar la reducción en la ganancia a alta temperatura y la aumento de la ganancia a baja temperatura.

Para la ruta de recepción, la señal de RF de la antena primero pasa a través del LPF, luego alimenta el amplificador de bajo ruido (LNA) dentro del FEM, luego pasa a través de un filtro de paso de banda (BPF) para eliminar las señales de interferencia fuera de banda para rechazar . Dentro de la ruta de recepción AD9361, se hace amplificarlo aún más y luego convertirlo a banda base analógica. La señal de banda base analógica se filtra en paso bajo, luego el ADC la convierte en una señal de banda base digital. En el dominio digital, la señal se filtra para cumplir con el requisito de ancho de banda de recepción y se reduce de 163,84 MSPS a 10,24 MSPS. El AD9361 luego envía la señal al FPGA.

Para la solución de fuente de alimentación, el voltaje de entrada del módulo es de 5V. El ADP5014 combina cuatro reguladores reductores de bajo ruido y alto rendimiento. Convierte 5 V a 3,3 V, 2,5 V, 1,8 V y 1,3 V. La entrada de 5 V y los cuatro voltajes de salida del ADP5014 proporcionan todos los rieles de voltaje para EMF, AD9361, FPGA y MCU.

Resultados de la prueba del transmisor

Todos los casos de prueba del transmisor definidos en el estándar han sido probados y el módulo ETC RSU basado en AD9361 pasó la prueba por un amplio margen. Algunos casos de prueba clave se capturan en pantalla en las Figuras 3 a 6.

Resultados de la prueba del receptor

Se probaron todos los casos de prueba de receptor definidos en el estándar y el módulo ETC RSU basado en AD9361 pasó la prueba por un amplio margen. Para las pruebas de sensibilidad del receptor, se carga una señal modulada codificada ASK FM0 en el generador de señales. El algoritmo de demodulación se implementa dentro de la FPGA.

La sensibilidad del receptor del módulo ETC RSU es de -95 dBm, mucho mejor que los -70 dBm requeridos. La figura 7 es el gráfico FFT de los datos I/Q y el gráfico de amplitud de los datos I/Q con una señal de entrada de –95 dBm. Se muestra que la señal aún tiene una SNR bastante buena cuando el nivel de la señal de entrada es de -95 dBm.

En otros casos de prueba, como potencia de entrada máxima, ancho de banda de recepción, rechazo de interferencia en el canal, rechazo de interferencia en el canal cercano y rechazo de bloqueo, el módulo pasó todas las pruebas.

Una implementación simple del instrumento RF

Este módulo ETC RSU se puede configurar como un instrumento RF simple para probar el módulo ETC RSU y el módulo de antena en la línea de producción del cliente.

El AD9361 tiene dos canales de RF. Un canal se usa para implementar el módulo ETC RSU, y el otro canal de RF, con un acoplador microstrip de alta conductancia integrado, se usa para la prueba de pérdida de retorno.

Para la prueba del transmisor del módulo, se utiliza la función Obtener indicador de intensidad de la señal (RSSI) AD9361. La función RSSI del AD9361 tiene una precisión de 0,25 dB después de la calibración y es suficiente para probar la potencia de salida del módulo ETC RSU.

Para la prueba del receptor del módulo, la potencia de salida del AD9361 se puede calibrar en uno o dos niveles de potencia. Luego, el atenuador interno AD9361 se puede usar para proporcionar una amplia gama de potencia de salida precisa para probar el receptor.

Conclusión

Se puede diseñar un módulo ETC RSU de tamaño compacto utilizando el AD9361. Analog Devices proporciona el diseño de referencia completo, incluido el hardware y el firmware. Este módulo puede integrarse fácilmente en un sistema de cámara o usarse solo como un módulo ETC RSU estándar. Cumple con todos los requisitos de ETC RSU definidos en GB/T 20851-2019. Además, podría configurarse como un instrumento de RF simple, que podría usarse en la línea de producción del cliente.

Referencias

¹ES/T 20851-2019"Peaje - Comunicaciones dedicadas de corto alcance.”