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电子收费系统射频收发器的设计
摘要
电子收费系统（ETC）是近年来发展较快的交通控制系统之一。ETC系统是一种专用短程通信（DSRC）应用，它运行在5.8GHz频段，用于收费站的路边单元（RSU）和车辆上的车载单元（OBU）之间的通信。整个系统基于射频识别技术。ETC系统是用0.18mu;m 的CMOS技术实现的，这是一种成本低、易于集成的射频电路技术。
本文设计了基于低成本射频收发器的 ETC 系统紧凑偶极子天线。射频收发器采用幅移键控 (ASK) 调制技术实现。在发送端，采用E类功率放大器用于放大信号功率。为了发送和接收信号，采用工作在5.8GHz频段的偶极子天线。在接收端，采用低功耗和能源高效低噪声放大器 (LNA) ，那样会降低功耗并且减小噪声系数。下变频信号采用自混频器。这种设计的结果表明工作收发器在5.8GHz频率的收发器高达400 Mbps的数据输入速率。
目录
1.引言
1.1 电子收费（ETC）系统
电子收费（ETC）系统是无线通信的重要应用之一，其主要目的是为了避免因车辆通行费的收取在道路上造成时间延误。该系统能够确定车辆的类型，无论车辆有没有在ETC系统登记，因此可以做到不停车收费。无线通信需要在收费站安装的天线和后面段落要讨论的车载单元设备之间进行一个集合。对于没有安装ETC系统或者其它ETC卡的车辆的ETC系统的操作可以用两个步骤来解释。第一步，ETC卡可以在机场提车的任何地方租到；第二步，ETC卡嵌入到专用的ETC通道与共享的ETC通道的ETC设备上。专用的ETC通道只有安装了ETC卡的车辆可以通过，反之普通的通道即允许安装了ETC卡的车辆通过，也允许普通车辆通过，但是那些没有安装ETC卡的车辆必须付费才可以通过。这种共享通道的主要缺点在于即使车辆配备了ETC卡，如果它排在了任何没有配备ETC卡的车辆后面，它将会使得等待时间增加。
ETC系统采用射频识别技术。这个系统主要用于安装在车辆上的车载单元（OBU）与安装在收费站的路边单元（RSU）之间的专用短程通信（DSRC）。正如图1.1所显示的，安装了OBU的车辆可以不停车通过收费站。当安装了ETC的车辆通过时，系统会自动记录费用并且进行扣费。韩国和日本的ETC系统采用了利用ASK调制的5.8GHz的专用短程通信系统。许多之前实现的ETC工程都是基于昂贵的SiGe-BiCMOS工艺，采用了大量的外部设备，如滤波器之类的。因此，为了使ETC系统缩小体积，减少成本来提高效率，一个完全集成的CMOS收发器实现了，它可以更多的兼容，方便地与其他应用如汽车导航系统，智能手机等结合。ETC系统的设计实现了每辆车只能被一个收费站检测到，这样就保证了收费系统与车辆之间的数据交换。该系统的主要控制在于接收器，它必须与收费通道进行准确地通信。为了实现准确通信就要求接收器具有准确的灵敏度。如果接收器灵敏度过低，它就不能准确识别最近的收费通道，这样就会出现来自其它通道的干扰，从而导致车辆检测中断。因此，接收器的第一级利用低噪声放大器（LNA）以减少噪声和足够增益的功率消耗和低输入回波损耗。设计时应考虑的另一个重要方面是，它应该消耗很少的功率。在许多以前使用ASK调制的工程中，利用锁相环（PLL）是将基带信号向下转换为射频信号。但是在这种没有PLL的设计中，低功耗的实现是通过LNA完成的。天线应设计成这样，它不会干扰其他频段的频率，并且应该有一个窄波束具有高增益。
1.2 论文的结构
本论文的结构如下。第二章详细介绍射频发射器，以及作为射频信号传输器的各组成部分。第三章介绍射频接收器模块，主要集中在接收机的关键部件——低噪声放大器（LNA）的设计概述。在接收机中使用的其他组件也在本节中简要讨论。天线设计在第四章中简要讨论。第五章介绍发射机和接收机的最终布局，并在不同的数据速率的最终提取结果，以及简要讨论这项工作的未来，并给出建议。
1.3 结论
在本次论文工作中实现了一个紧凑的偶极天线为基础的射频收发器的电子收费（ETC）系统。作为其中的一部分，对射频发射器和射频接收器模块进行了设计和模拟。在射频接收块电容器模块推荐使用交叉耦合的共栅放大器。EM模拟器的ADS已经在以5.8 GHz为工作频率紧凑的片外偶极天线上实现。天线基板设计基于印刷电路板（PCB）。
2 发射器
发射器通常用于产生和发射携带信息或信号的电磁波。发射器产生交流电流，该电流被应用于天线，从而产生无线电波。在无线电、移动电话、无线计算机网络、飞机、雷达装置等日常生活中都有很多应用，发射器的主要功能是将载波信号与射频信号相结合，从而产生调制信号。在下面的段落中将会介绍，射频发射机结构包括压控振荡器，ASK调制器和射频功率放大器提出了随着电路布局后提取的仿真结果。
射频发射器
射频发射机的一般结构如图2.1所示。它包括一个压控振荡器（VCO）、运行在5.8 GHz信号频率的ASK调制器和功率放大器（PA）。
图2,.1 ASK发射器框图
2.1 振荡器（VCO）
电压控制振荡器是许多模拟电路和数字电路中最重要的一个模块。振荡器电路产生一个输出电压，振荡。与输入电压根据VCO输出电压发生变化。在很宽的频率范围，即从一个很低的工作频率压控振荡器（几Hz）到一个很高的频率（几百GHz）。压控振荡器的中心频率被确定为周期性输出信号时产生的VCO的控制电压设定在零电压。通过调谐VCO的控制电压，所需的中心频率可以得到。对于一般的压控振荡器的设计，电容为变容二极管控制VCO的振荡频率。一个或一个以上的方法可以达到对VCO的振荡频率调节的目的。压控振荡器有多种方式实现，环形振荡器和LC压控振荡器最常见的类型。
2.1.1 环形振荡器
环形振荡器一般都是指定的，因为它们是由许多增益级或延迟反馈，即最后阶段的输出反馈，反馈到第一阶段的输入。在环形振荡器的设计中，包括速度、功耗、面积和应用领域（3）等都有很多的折衷方案。一个环形振荡器一般用于时钟生成子系统。因为它易于集成，环形振荡器作为许多数字和模拟电路的基本构建块。环形振荡器的主要用途是作为多串口数据通信的时钟恢复电路。基本上，一个环形振荡器必须提供2pi;相移，它也会在中心频率为振荡频率提供单位增益。如果有N个任何环形振荡器的阶段，每个阶段必须提供pi;氮有助于pi;相移的相移和剩下的相移pi;完成2pi;总相移。因此，剩下的相移由直流反转（4）提供。任何环形振荡器延迟阶段可以是单端或差分。直流逆变发生阶段奇数说2n 1用于单端延迟阶段和阶段偶数说2n用于时滞阶段。与单端和差分延迟阶段如图2.2所示环形振荡器。
图2.2：（a）单端环形振荡器
（b）差分环形振荡器
通常，在某些情况下环形压控振荡器优于LC压控振荡器，因为它消耗较少的芯片面积，无需使用笨重的电感器，而且与LC压控振荡器相比，环形振荡器的功耗更低。但是，采用环形振荡器实现良好的频率稳定性是非常困难的。同事说环形振荡器比LC压控振荡器产生更多的相位噪声，因此为了达到相同的相位噪声（5），环形振荡器比LC压控振荡器消耗450倍的电流，。由于噪声的影响在任何通信信道中都比较多，为了获得良好的信号强度，LC压控振荡器更好地避免了噪声的影响。由于ETC系统需要一个频率5.8 GHz和准确的噪声干扰应尽量减少为了接收来自车辆的信号，所以我们首选LC压控振荡器而不是环形振荡器电路。
2.1.2 LC压控振荡器
LC压控振荡器是由串联或并联的电感器和电容器组成的LC 电路。一般LC电路可能包含电阻和电抗元件。在大多数情况下，LC电路通常表示为串联或并联RLC电路（6）如图2.3所示。
图2.3：（a）并联LC电路
（b）串联LC电路
对串、并联RLC网络，阻抗函数可以表示为方程2.1和2.2所示：
LC谐振的谐振频率的omega;0表示是由方程2.3：
从以上方程的谐振频率omega;0等于电阻R，因此电路的阻抗是纯电阻相等于零。在共振频率下，电路的阻抗是感应的。对于谐振频率以上的频率，电路的阻抗主要是电容。对RLC串联电路，条件是完全相反的。此外，对于任何电感的最重要的因素是考虑Q因子。Q因子是一个确定带宽的任何电感器相对于其中心频率（fc）。如果一个特定的电感器具有高的Q因子，那么它意味着有低的阻尼，使得电路的振荡是连续的较长时间。此外，更高的问因子具有较高的抑制频谱能量远离共振频率。通常对于任何电感，在中心频率的振荡的因子峰。通常，Q因子是在谐振频率来表示（fr）为：
Q因子还描述了阻抗或阻抗的大小，清晰度相的陡度。所以，Q因子在-3dB带宽也可以给出如下：
在共振的串联和并联RLC电路的Q值可以表示如下：
图2.4：（a）并联和（b）串联LC电路的幅度和相位图
2.1.3 互耦微分拓扑
在设计LC压控振荡器的时候考虑了很多方法，包括线性反馈方法和负电阻概念。所以，同样的分析方法应用于压控振荡器的设计。振荡器可以使用多个LC谐振器实现微分运算，因此这种配置的LC压控振荡器称为交叉耦合差分振荡器或负阻振荡器（7）。负面的阻力在M1和M2的漏极和表示为（8）：
（2.9）
对于任何交叉耦合差分晶体管配置，LC压控振荡器可以设计为包含有NMOS和PMOS器件的四种拓扑结构。因此我们
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