柳輝 王凱波 李志宏 張卿

摘要 針對(duì)現(xiàn)有高速公路ETC系統(tǒng)的路側(cè)單元（RSU）檢測(cè)問題，文章研發(fā)出一套不停車場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)闡述檢測(cè)系統(tǒng)各個(gè)組成部分的設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，利用可拆卸的車載檢測(cè)裝置，可以對(duì)RSU進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)圖的繪制。對(duì)收到的RSU信號(hào)進(jìn)行處理，獲取當(dāng)前點(diǎn)位的場(chǎng)強(qiáng)值。由96個(gè)點(diǎn)位組成了當(dāng)前位置的RSU的場(chǎng)強(qiáng)圖。此方法提高了RSU的檢測(cè)速度，將場(chǎng)強(qiáng)值轉(zhuǎn)換成可視化、圖形化的界面圖像，使檢測(cè)更加直觀有效，更好地理解和應(yīng)用該系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞 高速公路；ETC系統(tǒng)；路側(cè)單元；相控陣天線；射頻電路

中圖分類號(hào) TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）04-0001-04

0 引言

自2008年起，我國(guó)陸續(xù)投資了8.6萬(wàn)億元進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，高速公路里程長(zhǎng)度更是突飛猛進(jìn)地發(fā)展。截至2022年年底，我國(guó)高速公路已建成通車的總里程突破了177 300 km^[1]。20世紀(jì)90年代早期，ETC收費(fèi)系統(tǒng)陸續(xù)被我國(guó)市場(chǎng)引進(jìn)，并逐步在我國(guó)交通發(fā)達(dá)地區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。不停車收費(fèi)系統(tǒng)在我國(guó)的廣泛運(yùn)行，標(biāo)志著我國(guó)的高速公路收費(fèi)系統(tǒng)相關(guān)的研究與應(yīng)用水平與國(guó)際先進(jìn)水平逐步接近^[2]。

但是目前不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品在其可靠性、安全性及運(yùn)行質(zhì)量等方面還存在著缺陷與不足，特別是受到器件選擇、環(huán)境溫度等因素的影響較大，不能完全保證車輛在通過收費(fèi)站時(shí)通信繳費(fèi)的可靠性。圍繞GB/T 20851.1—2019標(biāo)準(zhǔn)，安捷倫等國(guó)際大公司設(shè)計(jì)了ETC設(shè)備射頻一致性測(cè)試系統(tǒng)等自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)，此類系統(tǒng)技術(shù)覆蓋全面、結(jié)構(gòu)靈活，既可以支持國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試要求，也可以支持其他標(biāo)準(zhǔn)ETC設(shè)備測(cè)試。目前該系統(tǒng)已經(jīng)作為行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)品牌進(jìn)駐國(guó)家智能交通系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，并主要用于ETC認(rèn)證測(cè)試服務(wù)測(cè)試設(shè)備。但是，此類自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)存在高素質(zhì)的技術(shù)人員不足、測(cè)試設(shè)備成本比較高、測(cè)試技術(shù)要求高等問題^[1]。

針對(duì)以上問題，該文研究了一套不停車場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠定量分析車道中無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)分布情況、物理層參數(shù)異常情況，發(fā)現(xiàn)及協(xié)助解決現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)強(qiáng)度過弱、信號(hào)覆蓋面過小、物理層參數(shù)不正確的非正常狀態(tài)。通過對(duì)ETC的運(yùn)維檢測(cè)，使ETC設(shè)備安全可靠，通行更安全、便捷、高效，從而提升人民群眾的獲得感、幸福感、安全感，真正做到暢行天下。該系統(tǒng)可安裝于測(cè)試用轎車頂部或?qū)Ｓ檬滞栖嚿?，用于滿足ETC現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試需求。同時(shí)該系統(tǒng)留有接口，可以連接頻譜分析儀，對(duì)ETC天線進(jìn)行進(jìn)一步的物理層分析。

為了降低測(cè)試難度，系統(tǒng)軟件生成可視化的簡(jiǎn)易的車道場(chǎng)強(qiáng)分布圖，測(cè)試人員通過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)即可快速上手。同時(shí)為了供專業(yè)人員進(jìn)一步分析，系統(tǒng)軟件可以形成專業(yè)的物理層特性測(cè)試報(bào)告，集大眾與專業(yè)于一體。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 ETC系統(tǒng)

ETC系統(tǒng)主要由路側(cè)單元（RSU）和車載單元（OBU）組成。車載單元（OBU）內(nèi)存儲(chǔ)車輛的車牌、車型和車輛參數(shù)等基本信息，OBU上插入的用戶卡內(nèi)存儲(chǔ)用戶信息和收費(fèi)信息等。安裝有OBU的車輛進(jìn)入收費(fèi)站ETC車道后，觸發(fā)RSU發(fā)送信號(hào)，與OBU利用5.8 GHz專用短程通信（DSRC）方式進(jìn)行信息交互，最后收費(fèi)車道根據(jù)收費(fèi)結(jié)果對(duì)當(dāng)前收費(fèi)車輛采取攔截或是放行處理^[3]。

影響ETC系統(tǒng)性能的因素很多，其中不僅包括物理層參數(shù)，也包括設(shè)備的通信協(xié)議、兼容性、互操作性等等。物理層性能，如載波頻率、發(fā)射功率、占用帶寬、調(diào)制系數(shù)、位速率等可通過通用測(cè)試儀表按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，從而解決問題^[3]。

1.2 GB/T 20851.1

GB/T 20851.1《電子收費(fèi)專用短程通信》系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，共分為5個(gè)部分，分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層、設(shè)備應(yīng)用和物理層主要參數(shù)測(cè)試方法。

物理層規(guī)定了ETC關(guān)鍵設(shè)備（包括RSU和OBU）的載波頻率、發(fā)射功率、調(diào)制方式、編碼方式、天線性能等物理層主要參數(shù)；數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)偵的格式、專用通信鏈路建立過程、MAC子層和LLC子層規(guī)程等；應(yīng)用層部分對(duì)應(yīng)用層進(jìn)行規(guī)定；設(shè)備應(yīng)用部分規(guī)定了電子收費(fèi)的安全機(jī)制、數(shù)據(jù)組織格式、關(guān)鍵設(shè)備的電氣、環(huán)境特性等技術(shù)要求；第５部分測(cè)試方法規(guī)定了ETC關(guān)鍵設(shè)備的發(fā)射機(jī)主要參數(shù)的測(cè)試方法^[3]。

1.3 相關(guān)硬件器件原理

（1）混頻器。原理是將信號(hào)頻率由一個(gè)量值變換為另一個(gè)量值的過程。具有這種功能的電路稱為混頻器（或變頻器）。混頻器將天線上接收到的射頻信號(hào)（RF）α與本振（LO）β產(chǎn)生的信號(hào)相乘，獲得輸出信號(hào)（IF）：

cosαcosβ=[cos（α+β）+cos（α?β）]/2 （1）

（2）頻率發(fā)生器。頻率發(fā)生器是指產(chǎn)生頻率精確度為定值的信號(hào)源。頻率發(fā)生器輸入為高精度的晶振，輸出一般為電信號(hào)，滿足頻率、幅度和譜純度的要求。在該系統(tǒng)中充當(dāng)本振。

（3）射頻檢波器。從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過程稱為解調(diào)或檢波，包括平方律檢波器、包絡(luò)檢波器、同步檢波器，該系統(tǒng)主要使用包絡(luò)檢波器。從調(diào)幅信號(hào)中將低頻信號(hào)解調(diào)出來的過程，就叫作包絡(luò)檢波。也就是說，包絡(luò)檢波是幅度檢波。包絡(luò)檢波常用的方法是采用二極管進(jìn)行單向過濾后再進(jìn)行低通濾波。

2 不停車場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)分為檢測(cè)部分、通訊部分、顯示部分以及其他部分。如圖1所示。

場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)部分主要提供了當(dāng)前檢測(cè)的RSU的當(dāng)前位置的場(chǎng)強(qiáng)值，該部分由96個(gè)場(chǎng)強(qiáng)單元組成，每個(gè)場(chǎng)強(qiáng)單元包括天線、模擬板、數(shù)字板、連接線纜及用于屏蔽噪聲的屏蔽罩，如圖2所示。天線使用定制的射頻天線，可接收5.8 GHz頻率信號(hào)。模擬板使用多個(gè)射頻模塊組合而成，能夠?qū)в姓{(diào)制信號(hào)的5.8 GHz信號(hào)降至可轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)的5M信號(hào)。數(shù)字板將接收到的5M信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)處理后進(jìn)行存儲(chǔ)。

相位定位部分主要提供了當(dāng)前檢測(cè)的RSU與檢測(cè)系統(tǒng)的相對(duì)位置，該部分由8個(gè)相位單元（兩個(gè)為一對(duì)）組成，每個(gè)相位單元包括天線、模擬板、數(shù)字板、連接線纜及用于屏蔽噪聲的屏蔽罩，如圖3所示。與場(chǎng)強(qiáng)單元相同，將5.8 GHz頻率信號(hào)經(jīng)過處理存儲(chǔ)在數(shù)字板內(nèi)。與場(chǎng)強(qiáng)單元不同的是，相位與場(chǎng)強(qiáng)的解碼算法不同，場(chǎng)強(qiáng)僅存儲(chǔ)檢波后的波形，而相位存儲(chǔ)的是一組正弦波，并且將其解碼獲取RSU信息。

通訊部分主要是負(fù)責(zé)將96個(gè)場(chǎng)強(qiáng)單元與8個(gè)相位單元儲(chǔ)存的數(shù)字信號(hào)上傳至中心，由上位機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算。顯示部分通過上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，通過軟件可以對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)備進(jìn)行管理、顯示當(dāng)前檢測(cè)結(jié)果、保存導(dǎo)出歷史結(jié)果等。

2.2 射頻模塊設(shè)計(jì)

射頻降頻模塊包含濾波器、放大器、混頻器、本振模塊、小型單片機(jī)、晶振。微帶天線從RSU獲取5.83/5.84 GHz信號(hào)，與本振、晶振、小型單片機(jī)組成后發(fā)出的5.835 GHz信號(hào)進(jìn)行混頻處理，獲得5M信號(hào)，達(dá)到從5G到5M的一個(gè)降頻處理。由于混頻器的輸入要求，需要將信號(hào)簡(jiǎn)單通過濾波放大處理至干凈的信號(hào)，再進(jìn)行混頻?；祛l之后進(jìn)入檢波器進(jìn)行信號(hào)的整合，成為模擬板的輸出信號(hào)。

2.3 不停車場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

首先信號(hào)通過天線進(jìn)入模擬板：此時(shí)的信號(hào)是RSU最原始的5G帶調(diào)制信號(hào)，首先需要將其進(jìn)行濾波和放大，濾波的目的是消除目標(biāo)信號(hào)以外的其他信號(hào)，但經(jīng)過濾波后會(huì)有一定程度上的功率衰減，因此需要用放大器滿足混頻器的輸入范圍。

經(jīng)過處理后的信號(hào)與本振生成的5.835 GHz信號(hào)進(jìn)行混頻。選擇生成5.835 GHz進(jìn)行混頻的原因是，RSU設(shè)備會(huì)發(fā)出5.83 GHz或者5.84 GHz頻率的信號(hào)，由于兩個(gè)頻率的信號(hào)都需要接收到并且降頻，如果分別降頻會(huì)比較復(fù)雜，因此選擇了5.835 GHz作為中間值，5.835 GHz與5.83 GHz混頻之后是5M，與5.84 GHz也是，這樣就將輸入頻率的范圍擴(kuò)大，設(shè)計(jì)起來也不會(huì)麻煩。

混頻之后，信號(hào)變成了5M的帶有調(diào)制的正弦波，經(jīng)過一系列濾波放大，進(jìn)入AD8310檢波器中進(jìn)行波形檢出。通過調(diào)整電容電阻的值來對(duì)充電時(shí)間和濾波平整度進(jìn)行調(diào)整，最終輸出較為正確的檢波信號(hào)。

檢波信號(hào)通過外接ipex線直接從模擬板接到數(shù)字板。在數(shù)字板上經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，將5M轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)傳到FPGA芯片中。

當(dāng)數(shù)字信號(hào)傳到FPGA內(nèi)部后，通過ADS8326模塊將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)存入SDRAMFIFO中。當(dāng)上位機(jī)需要當(dāng)前單元存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)向單元發(fā)出收取數(shù)據(jù)指令。單片機(jī)將數(shù)據(jù)前后加上起始碼、命令碼、校驗(yàn)和等返回信令信息，將一個(gè)完整的帶數(shù)據(jù)的返回信令送到內(nèi)網(wǎng)發(fā)送模塊，將信令發(fā)送到中心板，進(jìn)而傳送給上位機(jī)。

數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)后，經(jīng)過上位機(jī)解析再次變成數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制并求它們最大值的平均值，求得的結(jié)果便是最終的采樣值。場(chǎng)強(qiáng)值的獲取：場(chǎng)強(qiáng)值=已知采樣值×校準(zhǔn)獲得的對(duì)應(yīng)值。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試方案設(shè)計(jì)

工具：檢測(cè)車整車、實(shí)際場(chǎng)地的RSU設(shè)備、安全裝置（路障、反光背心等）。

場(chǎng)地：帶有RSU設(shè)備的實(shí)際收費(fèi)場(chǎng)地。

將檢測(cè)車停在RSU一定的測(cè)試距離。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行單次靜態(tài)、多次同位置靜態(tài)、多次不同位置靜態(tài)、單次動(dòng)態(tài)以及多次動(dòng)態(tài)測(cè)試，用來檢驗(yàn)系統(tǒng)的功能性及穩(wěn)定性。

3.2 測(cè)試效果

通過測(cè)試，能夠得到真實(shí)穩(wěn)定的場(chǎng)強(qiáng)色塊圖，如圖4所示。

4 結(jié)論

高速公路不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）是一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、無線通信、交通工程等多學(xué)科、多專業(yè)的綜合性系統(tǒng)。不停車場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)系統(tǒng)可以有效提高檢測(cè)RSU設(shè)備的效率，降低檢測(cè)難度，并且該系統(tǒng)一系列操作都在車內(nèi)進(jìn)行，有效保護(hù)了檢測(cè)人員在高速車流中的安全。相信在進(jìn)一步的完善和推廣下，該系統(tǒng)能夠?yàn)楦咚俟钒l(fā)展助力，為我國(guó)基建發(fā)展貢獻(xiàn)微薄之力。

參考文獻(xiàn)

[1]黃凱. 高速公路ETC系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)設(shè)計(jì)研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)， 2018.

[2]蔡強(qiáng). ETC高速公路電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學(xué)， 2016.

[3]田曉莊. 基于ETC應(yīng)用的DSRC空口數(shù)據(jù)監(jiān)聽分析儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)（工程管理與信息技術(shù)學(xué)院）， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者簡(jiǎn)介：柳輝（1972—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。