高集成度国标ETC射频收发器应用设计分析

中心议题：
        *ETC系统应用

中国的公路不停车收费(ETC)系统应用市场越来越大，为了促进ETC应用的快速发展和成熟，国家相关部门开展了高速公路联网不停车收费的试点工程，比如，京津翼地区和长三角地区，所以对车载单元(OBU)的需求量也随之大幅增加。

目前市场上应用的OBU多数是通过分立元器件设计实现的，存在一致性、稳定性和可靠性的问题。博通(BEKEN)集成电路于2010年年初推出用于ETC系统的射频收发器芯片BK5822，是目前世界上唯一一款集成了包括接收、发射和唤醒在内的全部射频功能的国标ETC收发器，其性能指标完全符合国家标准GB/T 20851.1-2007和GB/T 20851.2-2007。BK5822设计实现的OBU完全解决了上述问题，批量生产的OBU具有一致性以及稳定可靠性。

与应用分立元器件设计实现的OBU方案相比，BK5822仅需少量外部器件，最大程度上节约了PCB面积和外围器件的成本，缩短了研发周期，提高产品生产的成品率，BK5822集成了OBU所需的全部射频功能模块，使设计更为简单，研发调试更容易，量产的OBU产品性能更稳定。

基本技术特性

BK5822射频收发器内部集成了完整的射频收发和调制解调功能，并嵌入了数据帧处理功能，进行FM0的编解码。同时BK5822还集成了唤醒电路，能够在电流很低的睡眠状态被唤醒，满足了ETC OBU在睡眠状态超低功耗的要求。BK5822采用了常用的小尺寸28pin 5mm×5mm QFN封装(图1)，加上简单的外围应用电路，大大减小了在PCB上所占用的空间，从而节省了成本。

图1: BK5822 5mm×5mm QFN封装芯片

BK5822射频收发器的基本特性如下：工作频段5.7GHz~5.85GHz；能够同时接收5.83GHz和5.84GHz两个信道的信号；数据速率：上行512kbps，下行256kbps；输出功率为2dBm(传导)；接收链路集成了AGC功能，能动态调整接收链路的增益；接收灵敏度达-60dBm；ASK调制方式，FM0编解码；内置唤醒电路，唤醒灵敏度为-42dBm；发射功耗为40mA；接收功耗为35mA；支持2.6V到3.6V的电源电压；睡眠状态的电流为13μA；最高8MHz的4线SPI接口。

主要功能模块

BK5822全部集成了ETC OBU的各射频功能模块，图2为BK5822射频收发器内部的系统框图，下面结合图2对各功能模块进行简要的描述。

图2: BK5822射频收发器内部的系统框图

发射模块(请做粗宋)：对于发射有四种常用的工作模式，分别为发射单载波信号、发射正常burst信号、发射PN9连续信号、发射全“0”数据信号。发射正常Burst信号，用户只需向发射的FIFO中直接写入所需要发射的数据，BK5822检测到FIFO中有数据后，打开发射相关电路，将数据调制到载波上，发送出去，数据发送结束后，发射相关电路关闭，进入待机状态。其它三种工作模式用于测试模式，完成射频性能的测试。发射的调制深度是可调的，由数据调制前的Ramp决定；发射功率也是可调控的，通过相应寄存器的设置来实现，功率的调节范围可达到22dB。

接收模块(请做粗宋)：接收机采用低中频结构，在下变频后的Rx Filter是一个中间频率在5MHz的带通滤波器。当使BK5822进入接收状态，并且BK5822接收到数据包结束标志后，便自动将Rx关闭，同时中断引脚发出接收中断，BK5822进入待机状态，直到FIFO里面的数据被读空，或者清除接收中断后，接收才重新打开以等待接收数据。如果BK5822没有接收到数据包结束标志，将一直处于接收状态，此时如果要退出接收状态进入待机状态，需要通过相应寄存器设置强制关闭接收模块。为了对BK5822接收的信号进行更好的解调和解码，BK5822内部集成了一个AGC（自动增益控制），实现接收链路增益的自动调节。

唤醒模块(请做粗宋)：对14KHz方波进行检测，检测到N个方波后，BK5822给出唤醒中断信号。这里的N可由用户设定，范围是1~16。BK5822内部集成了带通的鉴频器，实现10KHz~20KHz范围内的方波能够产生唤醒中断，大大减小了误唤醒的概率。
 

系统应用分析

应用BK5822设计ETC OBU，电路实现方面十分简单，图3是应用BK5822设计ETC OBU的系统框图。从图可看出，整个OBU系统主要有两颗芯片，一个是主控芯片MCU，另一个是射频收发器BK5822。BK5822的外围应用器件很少，一颗是32.768MHz的晶振，其它主要是匹配电路应用的无源器件。发射、接收和唤醒部分的匹配电路均采用单端输出和输入的结构，便于研发调试和外围器件的成本控制。接收和发射共用一个微波天线，通过一个PIN微波二极管来控制收发的切换。微波天线具有圆极化的特性，方向性较强，应用普通PCB板材实现的PCB板上印制微波天线，大幅降低了成本。

图3: 应用BK5822实现的ETC OBU系统框图

主控MCU通过SPI来控制射频收发器BK5822，从而实现整个OBU的功能。BK5822提供一个最高速率可达8MHz的SPI接口，它由四根信号线组成，分别为MOSI、MISO、CLK和CSN。通过SPI接口，用户通过读写寄存器的方式进行数据传输和控制。

实际应用BK5822实现的OBU，在程序初始化后，一般来说，只是通过两个中断信号触发MCU之后，才与BK5822进行数据传输。一个中断信号为唤醒中断，另一个为IRQ中断。IRQ的中断信号在接收到数据或发射完数据后产生。具体MCU和BK5822的交互流程图如图4所示。

图4: MCU和BK5822交互流程图