高集成度國標(biāo)ETC射頻收發(fā)器應(yīng)用系統(tǒng)

中國的公路不停車收費(fèi)（ETC）系統(tǒng)應(yīng)用市場越來越大，為了促進(jìn)ETC應(yīng)用的快速發(fā)展和成熟，國家相關(guān)部門開展了高速公路聯(lián)網(wǎng)不停車收費(fèi)的試點(diǎn)工程，比如，京津翼地區(qū)和長三角地區(qū)，所以對(duì)車載單元（OBU）的需求量也隨之大幅增加。

目前市場上應(yīng)用的OBU多數(shù)是通過分立元器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，存在一致性、穩(wěn)定性和可靠性的問題。博通（BEKEN）集成電路于2010年年初推出用于ETC系統(tǒng)的射頻收發(fā)器芯片BK5822，是目前世界上唯一一款集成了包括接收、發(fā)射和喚醒在內(nèi)的全部射頻功能的國標(biāo)ETC收發(fā)器，其性能指標(biāo)完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20851.1-2007和GB/T 20851.2-2007。BK5822設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的OBU完全解決了上述問題，批量生產(chǎn)的OBU具有一致性以及穩(wěn)定可靠性。

與應(yīng)用分立元器件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的OBU方案相比，BK5822僅需少量外部器件，最大程度上節(jié)約了PCB面積和外圍器件的成本，縮短了研發(fā)周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的成品率，BK5822集成了OBU所需的全部射頻功能模塊，使設(shè)計(jì)更為簡單，研發(fā)調(diào)試更容易，量產(chǎn)的OBU產(chǎn)品性能更穩(wěn)定。

基本技術(shù)特性

BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部集成了完整的射頻收發(fā)和調(diào)制解調(diào)功能，并嵌入了數(shù)據(jù)幀處理功能，進(jìn)行FM0的編解碼。同時(shí)BK5822還集成了喚醒電路，能 夠在電流很低的睡眠狀態(tài)被喚醒，滿足了ETC OBU在睡眠狀態(tài)超低功耗的要求。BK5822采用了常用的小尺寸28pin 5mm×5mm QFN封裝（圖1），加上簡單的外圍應(yīng)用電路，大大減小了在PCB上所占用的空間，從而節(jié)省了成本。

　　圖1： BK5822 5mm×5mm QFN封裝芯片

BK5822射頻收發(fā)器的基本特性如下：工作頻段5.7GHz~5.85GHz；能夠同時(shí)接收5.83GHz和5.84GHz兩個(gè)信道的信號(hào)；數(shù)據(jù)速率：上行512kbps，下行256kbps；輸出功率為2dBm（傳導(dǎo)）；接收鏈路集成了AGC功能，能動(dòng)態(tài)調(diào)整接收鏈路的增益；接收靈敏度達(dá)-60dBm；ASK調(diào)制方式，F(xiàn)M0編解碼；內(nèi)置喚醒電路，喚醒靈敏度為-42dBm；發(fā)射功耗為40mA；接收功耗為35mA；支持2.6V到3.6V的電源電壓；睡眠狀態(tài)的電流為13μA；最高8MHz的4線SPI接口。

主要功能模塊

BK5822全部集成了ETC OBU的各射頻功能模塊，圖2為BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖，下面結(jié)合圖2對(duì)各功能模塊進(jìn)行簡要的描述。

　　圖2： BK5822射頻收發(fā)器內(nèi)部的系統(tǒng)框圖

發(fā)射模塊（請(qǐng)做粗宋）：對(duì)于發(fā)射有四種常用的工作模式，分別為發(fā)射單載波信號(hào)、發(fā)射正常burst信號(hào)、發(fā)射PN9連續(xù)信號(hào)、發(fā)射全“0”數(shù)據(jù)信號(hào)。發(fā) 射正常Burst信號(hào)，用戶只需向發(fā)射的FIFO中直接寫入所需要發(fā)射的數(shù)據(jù)，BK5822檢測到FIFO中有數(shù)據(jù)后，打開發(fā)射相關(guān)電路，將數(shù)據(jù)調(diào)制到載 波上，發(fā)送出去，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，發(fā)射相關(guān)電路關(guān)閉，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。其它三種工作模式用于測試模式，完成射頻性能的測試。發(fā)射的調(diào)制深度是可調(diào)的，由數(shù)據(jù)調(diào)制前的Ramp決定；發(fā)射功率也是可調(diào)控的，通過相應(yīng)寄存器的設(shè)置來實(shí)現(xiàn)，功率的調(diào)節(jié)范圍可達(dá)到22dB。

接收模塊（請(qǐng)做粗宋）：接收機(jī)采用低中頻結(jié)構(gòu)，在下變頻后的Rx Filter 是一個(gè)中間頻率在5MHz的帶通濾波器。當(dāng)使BK5822進(jìn)入接收狀態(tài)，并且BK5822接收到數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志后，便自動(dòng)將Rx關(guān)閉，同時(shí)中斷引腳發(fā)出接 收中斷，BK5822進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直到FIFO里面的數(shù)據(jù)被讀空，或者清除接收中斷后，接收才重新打開以等待接收數(shù)據(jù)。如果BK5822沒有接收到數(shù)據(jù) 包結(jié)束標(biāo)志，將一直處于接收狀態(tài)，此時(shí)如果要退出接收狀態(tài)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，需要通過相應(yīng)寄存器設(shè)置強(qiáng)制關(guān)閉接收模塊。為了對(duì)BK5822接收的信號(hào)進(jìn)行更好 的解調(diào)和解碼，BK5822內(nèi)部集成了一個(gè)AGC（自動(dòng)增益控制），實(shí)現(xiàn)接收鏈路增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

喚醒模塊（請(qǐng)做粗宋）：對(duì)14KHz方波進(jìn)行檢測，檢測到N個(gè)方波后，BK5822給出喚醒中斷信號(hào)。這里的N可由用戶設(shè)定，范圍是1~16。BK5822內(nèi)部集成了帶通的鑒頻器，實(shí)現(xiàn)10KHz~20KHz范圍內(nèi)的方波能夠產(chǎn)生喚醒中斷，大大減小了誤喚醒的概率。

系統(tǒng)應(yīng)用分析

應(yīng)用BK5822設(shè)計(jì)ETC OBU，電路實(shí)現(xiàn)方面十分簡單，圖3是應(yīng)用BK5822設(shè)計(jì)ETC OBU的系統(tǒng)框圖。從圖可看出，整個(gè)OBU系統(tǒng)主要有兩顆芯片，一個(gè)是主控芯片MCU， 另一個(gè)是射頻收發(fā)器BK5822。BK5822的外圍應(yīng)用器件很少，一顆是32.768MHz的晶振，其它主要是匹配電路應(yīng)用的無源器件。發(fā)射、接收和喚 醒部分的匹配電路均采用單端輸出和輸入的結(jié)構(gòu)，便于研發(fā)調(diào)試和外圍器件的成本控制。接收和發(fā)射共用一個(gè)微波天線，通過一個(gè)PIN微波二極管來控制收發(fā)的切 換。微波天線具有圓極化的特性，方向性較強(qiáng)，應(yīng)用普通PCB板材實(shí)現(xiàn)的PCB板上印制微波天線，大幅降低了成本。

　　圖3： 應(yīng)用BK5822實(shí)現(xiàn)的ETC OBU系統(tǒng)框圖。

主控MCU通過SPI來控制射頻收發(fā)器BK5822，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)OBU的功能。BK5822提供一個(gè)最高速率可達(dá)8MHz的SPI接口，它由四根信號(hào)線組成，分別為MOSI、MISO、CLK和CSN。通過SPI接口，用戶通過讀寫寄存器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制。

實(shí)際應(yīng)用BK5822實(shí)現(xiàn)的OBU，在程序初始化后，一般來說，只是通過兩個(gè)中斷信號(hào)觸發(fā)MCU之后，才與BK5822進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一個(gè)中斷信號(hào)為喚 醒中斷，另一個(gè)為IRQ中斷。IRQ的中斷信號(hào)在接收到數(shù)據(jù)或發(fā)射完數(shù)據(jù)后產(chǎn)生。具體MCU和BK5822的交互流程圖如圖4所示。

　　圖4： MCU和BK5822交互流程圖