5.8GHz微波接收機(jī)電路設(shè)計(jì)方案

DSRC 作為一種專用的無(wú)線短距通信協(xié)議，主要針對(duì)固定于車道或路側(cè)的路側(cè)單元(RSU)與轉(zhuǎn)載于移動(dòng)車輛上的車載單元(OBU)之間的通信接口規(guī)范。本文采用廣 泛使用的被動(dòng)式歐洲DSRC標(biāo)準(zhǔn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下：工作頻率為5．8GHz，下行數(shù)據(jù)為FMO編碼，速率為500kbps，調(diào)制方式為幅度(AM)調(diào) 制；上行數(shù)據(jù)為NnZI編碼，速率為250kbps，調(diào)制方式為2MHz或1．5MHz副載波的二進(jìn)制相移鍵控(BP5K)調(diào)制，數(shù)據(jù)誤碼率為10-6。 圖l為DSRC通信系統(tǒng)工作模式。它采用半雙工的通信模式，主要有兩種工作方式：下行和上行方式。 當(dāng)在下行方式時(shí)，RSU為發(fā)射模式，而OBU為接收模式，RSU發(fā)射以AM調(diào)制方式把調(diào)制信號(hào)F AM加到5．8GHz的載波頻率F0上。當(dāng)在上行方式時(shí)，RSU為接收模式，而OBU為發(fā)射模式，RSU發(fā)射連續(xù)的j．SCHz載波FO給OBU，并與 OBU中的2MHz或1．5MHz的副載波BP5K調(diào)制信號(hào)Fm混頻后，再通過(guò)天線反射回R5U上的接收機(jī)進(jìn)行同步解調(diào)。

本文針對(duì)DSRC通信系統(tǒng)給定的要求，提出了一套含OBU和RSU的頻率為5．8GHz的微波接收電路，具有靈敏度高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，并在最后介紹了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)情況。

1 設(shè)計(jì)原理

1．1接收系統(tǒng)的作用距離和靈敏度估算

OBU的下行喚醒作用距離為：

(1) 式中，λ=載波的波長(zhǎng)=5cm；po=RSU發(fā)射機(jī)的功率輸出=18dBm；Gt為RSU的天線增益：13dB；Gr=OBU的天線增益=6dB；Ls= 車輛擋風(fēng)玻璃造成的損耗=-5dB；Smin=OBU的喚醒靈敏度=-40dBm。因此可求得OBU的下行喚醒作用距離在15m左右。

OBU接收到的功率，經(jīng)OBU的BP5K副載波調(diào)制后，再發(fā)射回RSU接收機(jī)，故接收功率為：

(2)式中，Lb為OBU的副載波調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)損耗，約為-6dB；月為上行鏈路時(shí)OBU與RSU接收機(jī)的距離。所以當(dāng)只為5m-1lm的正常通信范圍時(shí)，R5U接收機(jī)射頻端的動(dòng)態(tài)起伏為-84dBm~-97dBm，RSU接收機(jī)靈敏度必須-97dBm。

1．2 RSU接收機(jī)的總體設(shè)計(jì)

本 系統(tǒng)為微波反射式系統(tǒng)，OBU反射RSU發(fā)射機(jī)的載波作為上行發(fā)射載波，故RSU接收機(jī)的RF信號(hào)與本振10信號(hào)相同。所以本接收機(jī)采用零中頻接收方案設(shè) 計(jì)，因?yàn)樯闲懈陛d波BPSK調(diào)制信號(hào)是雙邊帶調(diào)制，它的頻譜位于載頻的兩邊，故不需要鏡頻抑制。如圖2所示，RSU接收機(jī)主要由射頻帶通濾波器、低噪聲放 大器、1昆頻器、中頻帶通濾波器和中頻放大及BPSK解調(diào)電路組成。

針對(duì)系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的要求，在接收機(jī)設(shè)計(jì)中，主要注重以下幾個(gè)方面：接收機(jī)的噪聲系數(shù)設(shè)計(jì)、 接收機(jī)的大動(dòng)態(tài)范圍設(shè)計(jì)、接收機(jī)微波無(wú)源部件的準(zhǔn)確設(shè)計(jì)?？紤]其全 面的性能，在具體電路設(shè)計(jì)中，必須均衡設(shè)計(jì)各級(jí)的噪聲系數(shù)、功率增益，保證各個(gè)無(wú)源部件的準(zhǔn)確性，合理分配部分電路的指標(biāo)，以達(dá)到系統(tǒng)對(duì)接收機(jī)的要求。

1．3 RSU接收機(jī)的靈敏度

對(duì)于相干解調(diào)的BPSK信號(hào)的比特誤碼率BER為：

(3)式中，S／N為輸入信號(hào)的信噪比。因此，為了獲得10-6或更少的數(shù)據(jù)誤碼率，中頻放大器端的信噪比必須大于10．5dB。而RSU接收機(jī)所需的信號(hào)功率可表示為：

PUR=10lg(kT)+10lgB+NF+S/N (4)

(4)式中，k=波爾茲曼常數(shù)，T=室溫(290K)，B=中頻帶寬=1MHz，NF=RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù)，S／N為中頻放大器輸入端信噪比>10．5dB。

RSU中頻放大器前端的噪聲系數(shù)為：

(5)式中，NF1=1／G1=射頻帶通濾波器插入損耗=2dB，NF2=低噪聲放大器噪聲系數(shù)=2.1dB，NF3=混頻器單邊噪聲系數(shù)=5dB，G2=低噪聲放大器增益=24dB (見(jiàn)圖2)。G3=混頻器的增益=-8dB，NF4=中頻帶通濾波器噪聲系數(shù)=3dB。

當(dāng)S／N為最小所需信噪比(10．5dB)時(shí)，可求得RSU接收機(jī)的靈敏度為：

Pmin=(-114+4.2+10.5)dBm≈-99dBm-97dBm

故可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

1．4 RSU接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指以某種方式降低接收機(jī)性能的較強(qiáng)帶外信號(hào)電平與極微弱信號(hào)之比。通?？紤]的弱信號(hào)就是接收靈敏度。動(dòng)態(tài)范圍通常有兩種表現(xiàn)方式，即用IdB增益 壓縮表示的單音動(dòng)態(tài)范圍和三階互調(diào)表示的雙音動(dòng)態(tài)范圍。本接收系統(tǒng)中，主要考慮單音動(dòng)態(tài)范圍。RSU接收機(jī)總的三階互調(diào)輸入截?cái)帱c(diǎn)(IP3)3為：

(6) 式中，(IP3)1=射頻帶通濾波器的I/P=∞，(IP3)2=第一級(jí)LNA的IP3=15dBm，(IP3)3=第二級(jí)LNA的IP3=23dBm； (IP3)4=混頻器的IP3=14dBm；Gi為以上各級(jí)的增益，其中G2=15dB，G3=9dB，兩級(jí)共24dB，其他增益值如圖2所示。故可求 得：

,

得(／P3)o=-8dBm。

一般而言，IdB輸入壓縮點(diǎn)Pldb-in要比三階互調(diào)截?cái)帱c(diǎn)約低10dB，所以RSU接收機(jī)總的Pldb-in約為-18dBm，故接收端動(dòng)態(tài)范圍為 -99dBm--18dBm。本系統(tǒng)正常通信時(shí)接收端工作信號(hào)范圍為-97dBm--84dBm，但因?yàn)榘l(fā)射機(jī)的輸出功率為18dBm，而收發(fā)天線之間的 隔離度>38dB，考慮發(fā)射的強(qiáng)信號(hào)耦合，則接收機(jī)收到的最大信號(hào)Pmax=(18-38)dBm=-20dBm。故實(shí)際接收射頻信號(hào)端動(dòng)態(tài)范圍為 -97dBm~-20dBm。顯然，RSU接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍滿足系統(tǒng)的要求。

1．5 RSU接收機(jī)的微波部件設(shè)計(jì)、仿真和制作

射 頻帶通濾波器采用耦合微帶線三級(jí)級(jí)聯(lián)方式，結(jié)構(gòu)緊湊，寄生通帶的中心頻率較高，適用頻帶范圍大。圖3為帶通濾波器仿真的S21和S11參數(shù)圖，帶通濾波器 3dB帶寬為5．65GHz~5．95GHz，在5．3GHz和6．3GHz帶外頻率點(diǎn)處衰減>20dB。實(shí)際測(cè)試的帶內(nèi)插損S21比仿真設(shè)計(jì)的要 大1~2dB，這是因?yàn)闉V波器相對(duì)頻帶僅為4％左右，此時(shí)耦合線的輻射損耗對(duì)Q值影響大，導(dǎo)致帶內(nèi)衰減加大。

扇形線應(yīng)用于微波有源器件的直流偏置電路中，它與隔直電容一起確保直流偏置與射頻信號(hào)的隔離。扇形的長(zhǎng)度和連線長(zhǎng)度都為中心頻率1／4波長(zhǎng)左右，連線一般作 成彎曲的形式，便于對(duì)其長(zhǎng)度進(jìn)行微調(diào)，夾角為45度如圖4扇形線的S11和S22參數(shù)仿真圖所示，扇形偏線在5．7GHz~5．9GHz頻段內(nèi)，插損小于 0．5dB，其回波損耗約大于40dB，故能較好地對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行隔離。

2 接收機(jī)電路設(shè)計(jì)技術(shù)

2．1 OBU電路設(shè)計(jì)

OBU電路框圖如圖5所示，SB_out為喚醒直流輸出最大信號(hào)， DATA_out為解調(diào)后的下行FMO碼輸出，MOD為下行的2MHz載波的BPSK調(diào)制信號(hào)輸入端，OBU有閑置、下行和上行方式三種工作模式，由WK in和T／R來(lái)選擇控制。OBU的喚醒靈敏度約為-40dBm，轉(zhuǎn)發(fā)損耗約為-6dB。在PCB制作時(shí)，要注意周邊器件盡量靠近IC，布線盡量短，減少分 布參數(shù)的影響。在RF端口接一1／4波長(zhǎng)的短接線到地，保護(hù)OBU不受靜電或其它瞬態(tài)干擾損壞。

2．2 RSU接收機(jī)低噪聲放大電路

為了更好地達(dá)到噪聲與增益的平衡，本系統(tǒng)采用了兩級(jí)低噪聲放大。要把idb壓縮點(diǎn)小、噪聲系數(shù)小和增益大的作為前級(jí)放大。要注意低噪曹的防靜電保護(hù)和電磁屏蔽，防止其振蕩影響性能。

2．3 RSU接收機(jī)混頻器電路設(shè)計(jì)

一 般說(shuō)來(lái)，無(wú)源平衡混頻器的性能最好，它具有較高的二階、三階截獲點(diǎn)，有更好的噪聲平衡性能，但缺點(diǎn)是需要大的本振功率并具有較大的變頻損耗。這里采用無(wú)源 雙平衡混頻器MMIC，在RF信號(hào)頻率為5．8GHz、本振LO輸入功率為10dBm的情況下，變頻損耗為8dB，雙邊噪聲系數(shù)為5dB(雙邊帶為 8dB)，輸入1dB壓縮點(diǎn)為9dBm，三階互調(diào)截?cái)噍斎朦c(diǎn)為14dBm，本振-射頻信號(hào)的隔離度為30dB，本振-中頻的隔離度為25dB。

2．4 RSU接收機(jī)中頻濾波／放大電路

中頻系統(tǒng)的頻率特性如中心頻率、通頻帶、帶內(nèi)起伏、帶外衰減等主要取決于中頻濾波器，通常為L(zhǎng)C型濾波器，這里采用低通-高通構(gòu)成的帶通濾波器。BPSK信 號(hào)的頻譜類似載波抑制的雙邊帶，其帶寬為基帶信號(hào)帶寬的2倍，即500kHz。但考慮到2MHz或1．5MHz作為載波中心頻率，所以濾波器中心頻率為 1．75MHz，3dB帶寬為1MHz，帶外抑制在0．3MHz處大于30dB，濾除因反射強(qiáng)耦合混頻后產(chǎn)生的直流低頻信號(hào)，在10MHz處大于 35dB，防止帶外信號(hào)的干擾。

中頻放大器由四級(jí)組成，前三級(jí)為低噪聲系數(shù)和寬頻帶工作范圍的雙極型放大器MMIC，末級(jí)為視頻寬帶運(yùn)放。四級(jí)增益共為7lB左右。因?yàn)樵鲆娓?，很容易?dǎo)致正反饋產(chǎn)生自激，可在級(jí)間并接穩(wěn)定電阻到地，一般為100歐姆左右。

2．5 日SU接收機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試

RSU 接收機(jī)系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)量方案如下：接收機(jī)本振端輸入頻率為5797．5MHz，功率為10dBm的頻率源，網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8753ET輸出端經(jīng)衰減器衰減后與 接收機(jī)信號(hào)端相連，HP8753ET輸出頻率為5799．5MHz的單頻連續(xù)波，功率可調(diào)整，用頻譜儀測(cè)試中放2MHz頻率處的輸出功率值，測(cè)試結(jié)果如表1。

表1實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表1可見(jiàn)，實(shí)際的本體噪聲要比設(shè)計(jì)的大2dB左右。在輸人為-97dBm處，輸出信號(hào)信噪比S／N為11dB。當(dāng)接收機(jī)信號(hào)端輸入功率為-82dBm時(shí)， 出現(xiàn)削頂失真。但在接收機(jī)信號(hào)端輸入功率為-97dBm·-84dBm時(shí)，增益為+87dB，基本都呈線性放大，滿足系統(tǒng)要求。

本文提出丁一套5．8GHz的微波接收機(jī)電路，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它可應(yīng)用于基于DSRC的高速公路無(wú)線不停車收費(fèi)系統(tǒng)或其他工作頻率為5．8GHz的無(wú)線通信系統(tǒng)。