[기고] RF 트랜시버를 이용한 전자 통행료 징수 RSU 모듈 개발하기
  • 2021-02-03
  • 신윤오 기자, yoshin@elec4.co.kr
  • 글/ 타이란 선 제품 엔지니어, 빌 왕시스템, 숀 리우, 아론 헤 시스템 애플리케이션 엔지니어, 아나로그디바이스


OBU 설치가 늘어나면서 ETC 애플리케이션 사용이 고속도로에서 도시로 확대되면서 주차 요금 및 차량 정보 수집 등에 활용되고 있다. 현재 주차 요금 및 차량 정보 수집 시스템은 카메라를 기반으로 하므로, 도시 환경에서 ETC 애플리케이션은 ETC 노변 장치(RSU)를 카메라 시스템에 통합하는 것이 바람직하다. 이 글에서는 AD9361 무선 주파수(RF) 트랜시버를 이용한 ETC RSU 모듈 구현을 살펴볼 것이다.

머리말


2019년 중국에서는 정부 정책으로 인해 전자 통행료 징수(ETC) 애플리케이션이 폭발적으로 성장했다. 차량 탑재 장치(OBU)가 장착된 자동차 수는 기존 8,000만 대에서 단 1년 만에 2억 대로 증가했다.



OBU 설치가 늘어나면서 ETC 애플리케이션 사용이 고속도로에서 도시로 확대되면서 주차 요금 및 차량 정보 수집 등에 활용되고 있다. 현재 주차 요금 및 차량 정보 수집 시스템은 카메라를 기반으로 하므로, 도시 환경에서 ETC 애플리케이션은 ETC 노변 장치(roadside unit, RSU)를 카메라 시스템에 통합하는 것이 바람직하다.

이 글에서는 AD9361 무선 주파수(RF) 트랜시버를 이용한 ETC RSU 모듈 구현을 살펴볼 것이다. 타깃 애플리케이션은 중국의 ETC RSU이므로, 중국의 표준 GB/T 20851-2019 ‘전자 통행료 징수 - 전용 단거리 통신’1을 준수해야 한다. 모듈은 크기가 11cm × 6cm로 매우 작아서 카메라 시스템 내에 쉽게 통합할 수 있다. 뿐만 아니라 단순한 RF 계측기로도 구성할 수 있어 고객의 생산 라인에서 ETC RSU 모듈을 테스트하는 데 사용할 수도 있다. 고객은 생산 라인에 고가의 RF 계측기를 사용할 필요가 없으므로 막대한 비용 절감도 가능하다.

표준 요약

GB/T 20851-2019 표준에 따른 ETC RSU 물리 계층 요구사항은 표 1과 표 2에 요약되어 있다.





AD9361 기반 ETC RSU 솔루션


그림 1은 AD9361 기반 ETC RSU 모듈의 블록 다이어그램이다. 모듈의 앞면과 뒷면은 그림 2에서 볼 수 있다.




아나로그디바이스의 AD9361은 광범위한 애플리케이션용으로 구성할 수 있는 고도로 통합된 RF 트랜시버이다. 이 디바이스는 모든 트랜시버 기능을 제공하는 데 필요한 모든 RF, 혼성 신호, 디지털 블록을 단일 디바이스에 통합했다.

AD9361은 다음과 같이, ETC RSU 애플리케이션에 매우 유용한 다양한 기능을 갖추고 있는 것이 특징이다.

첫째, AD9361은 송신 경로와 수신 경로 모두에 프로그래밍 가능한 다상 FIR 필터를 통합하고 있어 모든 디지털 도메인 필터링을 FPGA가 아닌 AD9361 내부에서 수행할 수 있다. 이에 따라 많은 FPGA 자원을 절약하거나, 더 저렴한 FPGA를 선택할 수 있다. 예를 들어 고객은 수신 대역폭 요구사항을 만족하기 위해 아나로그디바이스가 제공하는 필터 마법사 툴을 사용하여 FIR 필터 응답을 설계하고 튜닝한 다음 필터 계수를 AD9361에 다운로드할 수 있다.



둘째, AD9361에는 DCXO 기능이 있다. 즉, AD9361은 외부 크리스털을 위한 커패시터를 통합하고 있다. AD9361은 커패시터를 튜닝할 수 있으며, 이는 AD9361이 외부 크리스털 주파수를 매우 정밀하게 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 일반적인 구현에서 고객은 RF PLL N 분주기를 조정하여 RF 주파수 허용오차 요구사항을 만족하지만, 비트율 정확도 요구사항을 만족하는 것은 크리스털 성능에 달려 있는데 이것은 조정할 수 없다.

이에 반해 AD9361 기반 솔루션의 경우, 고객은 DCXO 기능을 사용하여 크리스털 주파수를 튜닝함으로써 비트율 정확도와 RF 주파수 허용오차를 동시에 만족할 수 있다. 또한 룩업 테이블(LUT)을 생성하여 크리스털 주파수 온도 드리프트를 보상할 수 있기 때문에 ETC RSU 모듈이 전체 작동 온도 범위에서 주파수 허용오차와 비트율 정확도 요구사항을 만족하도록 보장할 수 있다.

셋째, AD9361은 수신기 AGC(automatic gain control) 기능을 구현한다. AD9361에는 저속 AGC와 고속 AGC의 2가지 모드가 있다.

완전 자동으로 동작하므로 고객은 FPGA에서 어떠한 수신기 이득 제어 기능도 구현할 필요가 없다. 고속 AGC 모드는 ETC RSU 애플리케이션에 매우 유용하다. 이득 조정이 업링크 파일럿 신호의 여러 시작 심볼에서 안정화되도록 테스트된다.

송신 경로의 경우, 먼저 FPGA가 송신기 디지털 베이스밴드 신호를 AD9361에 전송한다. AD9361 내에서 디지털 베이스밴드 신호는 먼저 필터링되어 10.24MSPS에서 163.84MSPS로 보간된다. 다음으로 DAC는 디지털 베이스밴드 신호를 아날로그 베이스밴드 신호로 변환한 다음, 저역 통과 필터링한다.

세 번째로, 신호는 채널 1에서는 5.83GHz의 RF 신호로, 채널 2에서는 5.84GHz로 상향 변환된다. 송신기 RF 영역에서 AD9361은 감쇠기를 통합하고 있어 AD9361의 송신기 출력 전력을 80dB 이상의 범위에서 제어할 수 있다. 감쇠기는 송신기 출력 전력 레벨뿐 아니라 전체 송신기 링크의 이득 온도 보상을 조정하는 데 사용할 수 있다. 그런 다음 송신기 신호가 프런트엔드 모듈(FEM) 내의 전력 증폭기(PA)로 전달되어 추가로 증폭된 다음, 마이크로스트립 저역 통과 필터(LPF)를 통과하여 송신기 스퓨리어스 방사 요구사항을 만족하도록 고조파를 제거한 후, 마지막으로 안테나로 신호가 전달된다.

이 ETC RSU 모듈 설계에서 AD9361의 송신기 감쇠는 8dB로 설정돼 안테나 포트의 출력 전력이 29dBm에 도달할 수 있다. 이는 AD9361이 고온에서의 이득 감소와 저온의 이득 증가를 모두 보상하기에 충분한 감쇠 동적 범위를 갖는다는 것을 의미한다.

수신 경로의 경우, 먼저 안테나의 RF 신호가 LPF를 통과한 다음 FEM 내의 저잡음 증폭기(LNA)로 공급되고, 이후 대역 통과 필터(BPF)를 통과하여 대역 외 간섭 신호를 제거한다. AD9361 수신 경로 내에서 신호는 추가로 증폭된 다음 아날로그 베이스밴드로 하향 변환된다. 아날로그 베이스밴드 신호는 저역 통과 필터링된 다음 ADC에 의해 디지털 베이스밴드 신호로 변환된다. 디지털 영역에서, 이 신호는 수신 대역폭 요구사항을 만족하도록 필터링되고, 163.84MSPS에서 10.24MSPS로 데시메이션된다. 그 후, AD9361가 이 신호를 FPGA로 전송한다.

전력 솔루션의 경우, 모듈 입력 전압은 5V이다. ADP5014는 4개의 고성능, 저잡음 벅 레귤레이터를 결합하고 있다. ADP5014는 5V를 3.3V, 2.5V, 1.8V, 1.3V로 변환한다. 5V 입력과 ADP5014의 4개 출력 전압이 FEM, AD9361, FPGA 및 MCU를 위한 모든 전압 레일을 제공한다.

송신기 테스트 결과

표준에 정의된 모든 송신기 테스트 사례를 테스트한 결과, AD9361 기반 ETC RSU 모듈은 매우 여유 있게 테스트를 통과했다. 몇 가지 주요 테스트 사례를 그림 3에서 그림 6까지 캡처된 화면으로 볼 수 있다.




수신기 테스트 결과


표준에 정의된 모든 수신기 테스트 사례를 테스트한 결과, AD9361 기반 ETC RSU 모듈은 매우 여유 있게 테스트를 통과했다. 수신기 감도 테스트의 경우 FM0 코딩, ASK 변조된 신호가 신호 발생기에 다운로드된다. 복조 알고리즘은 FPGA 내에 구현된다.

ETC RSU 모듈 수신기 감도는 -95dBm로서, 요구되는 -70dBm보다 훨씬 우수하다. 그림 7은 입력 신호가 -95dBm일 때 I/Q 데이터 FET 그래프와 I/Q 데이터 크기 그래프를 보여준다. 입력 신호 레벨이 -95dBm일 때 신호는 여전히 매우 양호한 SNR을 갖는 것을 볼 수 있다.

최대 입력 전력, 수신 대역폭, 채널 내 간섭 제거, 인접 채널 간섭 제거 및 블로킹 제거와 같은 다른 테스트 사례에 대해서도, 이 모듈은 모든 테스트를 통과했다.



간단한 RF 계측기 구현


이 ETC RSU 모듈은 간단한 RF 계측기로 구성하여 고객의 생산 라인에서 ETC RSU 모듈과 안테나 모듈을 테스트할 수 있다.

AD9361에는 2개의 RF 채널이 있다. 1개 채널은 ETC RSU 모듈을 구현하는 데 사용되며, 나머지 1개의 RF 채널은 온보드 고방향성 마이크로스트립 커플러와 함께 반사 손실 테스트에 사용된다.

모듈 송신기 테스트에서는 AD9361 수신 신호 강도 표시기(RSSI) 기능이 사용된다. AD9361의 RSSI 기능은 보정 후 0.25dB 정확도를 갖는데, 이는 ETC RSU 모듈 출력 전력을 테스트하기에 충분하다.

모듈 수신기 테스트의 경우, AD9361 출력 전력을 1개 또는 2개 전력 레벨에서 보정할 수 있다. 그런 다음 AD9361 내부 감쇠기를 사용하여 수신기를 테스트하기 위해 광범위하고 정확한 출력 전력을 제공할 수 있다.

맺음말

AD9361을 사용하여 소형 ETC RSU 모듈을 설계할 수 있다. 아나로그디바이스는 하드웨어와 펌웨어를 모두 포함하여 완벽한 레퍼런스 디자인을 제공한다. 이 모듈은 손쉽게 카메라 시스템에 통합하거나 표준 ETC RSU 모듈 단독으로 사용할 수 있다. 이 디바이스는 표준 GB/T 20851-2019에 정의된 모든 ETC RSU 요구사항을 통과한다. 또한 간단한 RF 계측기로 구성할 수 있어 고객의 생산 라인에서 사용할 수 있다.


 참고문헌 

1. GB/T 20851-2019 “Electronic Toll Collection-Dedicated Short Range Communication.”


 저자 소개 

타이란 선(Tairan Sun)은 2017년 스태프 제품 애플리케이션 엔지니어로 ADI 상하이에 입사했다. 그 전에는 DJI에서 알고리즘 엔지니어로, ZTE에서 아키텍처 엔지니어로 근무했다. 2012년에 상하이교통대학에서 회로 및 시스템 이공 석사학위를 받았다. 2009년에 허페이 공과대학에서 전자공학 및 정보공학 학사학위를 받았다. 문의: tairan.sun@analog.com.

빌 왕(Bill Wang)은 ADI 베이징의 시스템 애플리케이션 엔지니어이다. 2017년에 ADI에 입사했다. 2014년에 광저우대학에서 광정보 과학 및 기술 학사학위를, 2017년에 화중과학기술대학에서 광전검출 기술 석사학위를 받았다. 문의: bill.wang@analog.com.

숀 리우(Shawn Liu)는 애플리케이션 엔지니어이며 2019년에 ADI에 입사했다. ADI의 광대역 RF 트랜시버 제품을 지원하는 ADI의 센트럴 애플리케이션 센터팀에 속해 있다. 2015년에 텐진과학기술대학에서 학사학위를, 2019년에 텐진대학에서 석사학위를 받았다. 문의: shawn.liu@analog.com.

아론 헤(Aaron He)는 ADI 상하이의 시스템 애플리케이션 엔지니어이며, 2017년에 ADI에 입사했다. ADI 합류 전에는 에릭슨에서 수석 RF 엔지니어로 근무했다. 무선 통신 기지국 설계, 통합 및 생산 테스트 시스템 개발에 10년 이상 풍부한 경험을 갖고 있다. 2001년에 시안교통대학에서 통신공학 학사학위를, 2006년에 화중과학기술대학에서 마이크로파공학 석사학위를 받았다. 문의: aaron.he@analog.com.

 

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