??? 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:
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??? (1)式中,λ=載波的波長(zhǎng)=5cm;P₀=RSU發(fā)射機(jī)的功率輸出=18dBm;G_t為RSU的天線增益=13dB;G_r=OBU的天線增益=6dB;L_s=車輛擋風(fēng)玻璃造成的損耗=-5dB;S_min=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BPSK副載波調(diào)制后,再發(fā)射回RSU接收機(jī),故接收功率為:
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??? (2)式中,L_b為OBU的副載波調(diào)制和轉(zhuǎn)發(fā)損耗,約為-6dB;R為上行鏈路時(shí)OBU與RSU接收機(jī)的距離。所以當(dāng)R為5m～11m的正常通信范圍時(shí),RSU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?熏故RSU接收機(jī)的RF信號(hào)與本振" title="本振">本振LO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" title="帶通濾波器">帶通濾波器、低噪聲放大器、混頻器" title="混頻器">混頻器、中頻帶通濾波器和中頻放大及BPSK解調(diào)電路組成。

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??? 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)。考慮其全面的性能,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:
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??? (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:
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??? (4)式中,k=波爾茲曼常數(shù),T=室溫(290K),B=中頻帶寬=1MHz?熏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:
???

??? 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。通常考慮的弱信號(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1dB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IP₃=∞,(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;G_i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:
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得(IP₃)₀=-8dBm。
??? 一般而言,1dB輸入壓縮點(diǎn)P_1dB-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P_1dB-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)P_max=(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。

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??? 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°。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。

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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。

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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1dB壓縮點(diǎn)小、噪聲系數(shù)小和增益大的作為前級(jí)放大。要注意低噪管的防靜電保護(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76dB左右。因?yàn)樵鲆娓?很容易導(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100Ω左右。
2.5 RSU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。

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