基于軟件無線電的ETC無線電環境監測設備

李曉光

摘要：隨著全國高速公路正式取消省界收費站，電子不停車收費系統（ETC）在高速公路網中扮演越來越重要的角色。其正常運行需要在特定頻段需要穩定的電磁環境，因此介紹并設計了一種基于軟件無線電概念（SDR）的監測系統。具體設計包括一種微波微帶陣列天線設計、一種基于SDR的高中頻設計信號變換采集硬件實現和一種采用pyQT和Numpy庫設計的軟件環境與界面。經過實測，該系統可較好地實現對ETC無線電環境的監測。

關鍵詞：軟件無線電; ETC;微帶陣列天線;pyQT;Numpy

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0222-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

ETC Radio Environment Monitoring Device based on Software Defined Radio

LI Xiao-guang

（Third Research Institute of Ministry of Public Security， Shanghai 201204， China）

Abstract： As highway network cancelled the provincial border toll collection stations， the Electronic Toll Collection （ETC）system plays a much more important role in highway network. Because its normal operation needs stable electro-magnetic environment in certain band， it introduces a monitoring system based on Software-Defined Radio （SDR） concept. The detailed design includes a microwave microstrip array antenna， a hardware implementation based on high intermediate frequency SDR design， and a software environment and user interface based on pyQT and Numpy. Verified by testing， this system could fulfill the ETC radio environment monitoring capability.

Key words： software-defined radio; ETC; microstrip array antenna; pyQT; numpy

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隨著我國高速公路事業的快速發展，和汽車總保有量的大幅增加，伴隨2019年底全國高速公路正式取消省界收費站，無線電子收費技術（Electronic Toll Collection，ETC）在社會公共交通基礎設施中扮演了越來越重要的角色。作為一種依賴于射頻（Radio Frequency，RF）通訊的車-路側通訊技術，ETC設備的正常運行必然取決于其架設周邊的無線電電磁環境。近些年來隨著無線通訊技術的發展和電子設備的數量增加，無線電頻譜資源日益稀少，ETC設備面臨的電磁環境日益復雜。但長期以來，在高速公路出入口和路上龍門架處布置的ETC天線和設備只有開通階段的功能性調試和測試，缺乏長期使用時對整個特定無線電頻段環境的實時監測能力。另一方面，傳統上采用分立元件和模擬射頻前端的大型無線電監測設備由于體積龐大、耗電高等問題，并不適合在戶外現場移動使用。所以在高速公路的日常維護中，需要一種便攜、現場可以快速搭建，可以監測ETC標準頻段范圍內各種電磁波及整個電磁環境的監測設備。

1 軟件無線電的特點和優勢

軟件無線電（Software-Defined Radio）技術是一種較新型的無線通訊技術。軟件無線電技術（SDR）一開始被應用在軍用方面，主要解決陸海空多軍種多頻段、多通信制式的兼容、共存、互通問題。組成結構上來看，軟件無線電由天線、模擬射頻前端、AD-DA轉換器件、天線、DSP和信號處理軟件算法組成。其最明顯的技術特征是將以數字-模擬（DA）轉換和模擬-數字（AD）轉換器件為代表的混合信號電路在整個無線電接收電路中的位置顯著提前。暨使用后端的高速數字芯片或者帶有高速接口的計算機來直接處理比較原始的無線電信號。這樣做的優點是可以直接處理接收到的無線電信號波形，使用先進定量的數字濾波和調制解調算法，將微弱或者畸變的信號轉變為正常清晰可以順利辨識的信號。

2 ETC無線電環境監測設備的系統組成

本設備基于軟件無線電平臺以及天線、軟硬件系統的配合，結合射頻信號與機械傳感器信號的實時環境數據，對周邊無線電空間的在ETC特定頻率分布情況并確定干擾源的相對位置。該系統旨在幫助高速公路ETC管理人員能夠了解周邊環境下ETC頻段射頻信號的分布情況，并對無線電空間中的干擾源進行定位。

2.1 天線設計

本系統中的天線設計采用低副瓣、高增益的線極化微帶陣列天線。根據預期尺寸將陣列設計為水平4個和垂直4個總共16個單元的二維陣列，選用Rogers羅杰斯4350B基板，厚度1mm，阻抗50歐姆，中心頻率5.8GHz。天線陣列的示意圖如圖1所示。

5.8GHz微帶天線的尺寸標注如圖2所示，其陣列幾何尺寸參數為Wp=18.79mm，Lp=15.16mm，Sx=36.18mm，Sy=45.72mm，phi=33.51deg。

2.2 硬件設計

本系統使用了一種基于高度集成的射頻集成電路結構設計，采用2.6GHz的高中頻設計：信號經由射頻開關、低噪聲放大器、鏡像抑制濾波器和貼片巴倫組成的射頻前端電路，進入RFMD公司的RFFC5072芯片構成的壓控振蕩器和混頻器電路。在此進行一級混頻后，變為2.6GHz左右的中頻信號，進入美信公司的MAX2837芯片組成的收發器電路。在收發器電路中完成二級混頻后變成可以直接進行模數變換的低頻信號。再經過美信公司的MAX5864芯片，這個集成了8位精度分辨率22Msps速率的數模-模數轉換芯片，將時域上的模擬信號變為數字信號。然后通過8位數字總線將未處理的數據送給可編程邏輯器件賽靈思公司的XC2C64芯片。最后經過CPLD處理后進入微處理器LPC4320用USB2.0接口傳輸進上位PC計算機。 整個設計框圖如圖3所示。

2.3 軟件設計

本套設備的主控程序采用Python3語言實現，基于PyQT5和Numpy庫編寫。程序實現了以下功能：

可與便攜式ETC抗干擾設備射頻硬件和機械硬件進行連接，并顯示系統的連接狀態，且可以防止多次連接，同時對系統進行校準歸零。可對使用軟硬件系統進行空間掃描，使用聲音和進度條的方式提醒其掃描過程，并將掃描結果用圖形的方式顯示，并將其數據填入相應數據表項中，并且在掃描過程中禁用其他按鈕。

可對系統的指定方向上增加或者減少角度，并且角度可以任意調整，也可以以10度的間隔增減。獲取系統的當前機械指向方位角，并且將其和零點方位角的差值用極坐標表示法顯示出來。

可獲取當前系統所在機械指向方向的ETC頻段無線電信號強度值，并將其值顯示。可以自動尋找掃描過程中ETC頻段無線信號強度最大的機械指向方位角。同時可以對單次無線電空間掃描的全部數據用JSON格式保存，還可以將JSON文件導入并且以圖形方式顯示，并將其數據填入相應數據表項中。其軟件界面如圖4所示。

經過測試，可以在200米范圍內準確測量到干擾源的方位角，誤差在正負10度以內。

3 結束語

本文設計的基于軟件無線電的ETC無線電環境監測設備，從天線、硬件和軟件三個方面闡述了其具體組成，具備成本適中、便攜、使用方便等特點，具有較為廣闊的應用空間。

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【通聯編輯：梁書】