高速公路RSU不停車場強檢測系統的研究與設計

柳輝 王凱波 李志宏 張卿

摘要 針對現有高速公路ETC系統的路側單元（RSU）檢測問題，文章研發出一套不停車場強檢測系統，詳細闡述檢測系統各個組成部分的設計以及系統的實現過程，利用可拆卸的車載檢測裝置，可以對RSU進行場強圖的繪制。對收到的RSU信號進行處理，獲取當前點位的場強值。由96個點位組成了當前位置的RSU的場強圖。此方法提高了RSU的檢測速度，將場強值轉換成可視化、圖形化的界面圖像，使檢測更加直觀有效，更好地理解和應用該系統。

關鍵詞 高速公路；ETC系統；路側單元；相控陣天線；射頻電路

中圖分類號 TP311.52 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0001-04

0 引言

自2008年起，我國陸續投資了8.6萬億元進行基礎設施的建設，高速公路里程長度更是突飛猛進地發展。截至2022年年底，我國高速公路已建成通車的總里程突破了177 300 km^[1]。20世紀90年代早期，ETC收費系統陸續被我國市場引進，并逐步在我國交通發達地區和經濟發達地區得到廣泛應用。不停車收費系統在我國的廣泛運行，標志著我國的高速公路收費系統相關的研究與應用水平與國際先進水平逐步接近^[2]。

但是目前不同生產廠家的產品在其可靠性、安全性及運行質量等方面還存在著缺陷與不足，特別是受到器件選擇、環境溫度等因素的影響較大，不能完全保證車輛在通過收費站時通信繳費的可靠性。圍繞GB/T 20851.1—2019標準，安捷倫等國際大公司設計了ETC設備射頻一致性測試系統等自動化測試系統，此類系統技術覆蓋全面、結構靈活，既可以支持國家標準測試要求，也可以支持其他標準ETC設備測試。目前該系統已經作為行業領導品牌進駐國家智能交通系統工程技術研究中心，并主要用于ETC認證測試服務測試設備。但是，此類自動化測試系統存在高素質的技術人員不足、測試設備成本比較高、測試技術要求高等問題^[1]。

針對以上問題，該文研究了一套不停車場強檢測系統，該系統能夠定量分析車道中無線信號場強分布情況、物理層參數異常情況，發現及協助解決現場信號強度過弱、信號覆蓋面過小、物理層參數不正確的非正常狀態。通過對ETC的運維檢測，使ETC設備安全可靠，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。該系統可安裝于測試用轎車頂部或專用手推車上，用于滿足ETC現場的信號場強測試需求。同時該系統留有接口，可以連接頻譜分析儀，對ETC天線進行進一步的物理層分析。

為了降低測試難度，系統軟件生成可視化的簡易的車道場強分布圖，測試人員通過簡單的培訓即可快速上手。同時為了供專業人員進一步分析，系統軟件可以形成專業的物理層特性測試報告，集大眾與專業于一體。

1 相關技術介紹

1.1 ETC系統

ETC系統主要由路側單元（RSU）和車載單元（OBU）組成。車載單元（OBU）內存儲車輛的車牌、車型和車輛參數等基本信息，OBU上插入的用戶卡內存儲用戶信息和收費信息等。安裝有OBU的車輛進入收費站ETC車道后，觸發RSU發送信號，與OBU利用5.8 GHz專用短程通信（DSRC）方式進行信息交互，最后收費車道根據收費結果對當前收費車輛采取攔截或是放行處理^[3]。

影響ETC系統性能的因素很多，其中不僅包括物理層參數，也包括設備的通信協議、兼容性、互操作性等等。物理層性能，如載波頻率、發射功率、占用帶寬、調制系數、位速率等可通過通用測試儀表按照相關標準規定的測試方法進行測試，從而解決問題^[3]。

1.2 GB/T 20851.1

GB/T 20851.1《電子收費專用短程通信》系列國家標準，共分為5個部分，分別為物理層、數據鏈路層、應用層、設備應用和物理層主要參數測試方法。

物理層規定了ETC關鍵設備（包括RSU和OBU）的載波頻率、發射功率、調制方式、編碼方式、天線性能等物理層主要參數；數據鏈路層規定了通信數據偵的格式、專用通信鏈路建立過程、MAC子層和LLC子層規程等；應用層部分對應用層進行規定；設備應用部分規定了電子收費的安全機制、數據組織格式、關鍵設備的電氣、環境特性等技術要求；第５部分測試方法規定了ETC關鍵設備的發射機主要參數的測試方法^[3]。

1.3 相關硬件器件原理

（1）混頻器。原理是將信號頻率由一個量值變換為另一個量值的過程。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（RF）α與本振（LO）β產生的信號相乘，獲得輸出信號（IF）：

cosαcosβ=[cos（α+β）+cos（α?β）]/2 （1）

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

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

2 不停車場強檢測系統的設計與實現

2.1 檢測系統整體設計

該系統分為檢測部分、通訊部分、顯示部分以及其他部分。如圖1所示。

場強檢測部分主要提供了當前檢測的RSU的當前位置的場強值，該部分由96個場強單元組成，每個場強單元包括天線、模擬板、數字板、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。模擬板使用多個射頻模塊組合而成，能夠將帶有調制信號的5.8 GHz信號降至可轉為數字信號的5M信號。數字板將接收到的5M信號轉換成數字信號處理后進行存儲。

相位定位部分主要提供了當前檢測的RSU與檢測系統的相對位置，該部分由8個相位單元（兩個為一對）組成，每個相位單元包括天線、模擬板、數字板、連接線纜及用于屏蔽噪聲的屏蔽罩，如圖3所示。與場強單元相同，將5.8 GHz頻率信號經過處理存儲在數字板內。與場強單元不同的是，相位與場強的解碼算法不同，場強僅存儲檢波后的波形，而相位存儲的是一組正弦波，并且將其解碼獲取RSU信息。

通訊部分主要是負責將96個場強單元與8個相位單元儲存的數字信號上傳至中心，由上位機負責計算。顯示部分通過上位機軟件實現，通過軟件可以對系統硬件設備進行管理、顯示當前檢測結果、保存導出歷史結果等。

2.2 射頻模塊設計

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、晶振。微帶天線從RSU獲取5.83/5.84 GHz信號，與本振、晶振、小型單片機組成后發出的5.835 GHz信號進行混頻處理，獲得5M信號，達到從5G到5M的一個降頻處理。由于混頻器的輸入要求，需要將信號簡單通過濾波放大處理至干凈的信號，再進行混頻?；祛l之后進入檢波器進行信號的整合，成為模擬板的輸出信號。

2.3 不停車場強檢測系統的實現

首先信號通過天線進入模擬板：此時的信號是RSU最原始的5G帶調制信號，首先需要將其進行濾波和放大，濾波的目的是消除目標信號以外的其他信號，但經過濾波后會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。

經過處理后的信號與本振生成的5.835 GHz信號進行混頻。選擇生成5.835 GHz進行混頻的原因是，RSU設備會發出5.83 GHz或者5.84 GHz頻率的信號，由于兩個頻率的信號都需要接收到并且降頻，如果分別降頻會比較復雜，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大，設計起來也不會麻煩。

混頻之后，信號變成了5M的帶有調制的正弦波，經過一系列濾波放大，進入AD8310檢波器中進行波形檢出。通過調整電容電阻的值來對充電時間和濾波平整度進行調整，最終輸出較為正確的檢波信號。

檢波信號通過外接ipex線直接從模擬板接到數字板。在數字板上經過數模轉換芯片，將5M轉化成數字信號傳到FPGA芯片中。

當數字信號傳到FPGA內部后，通過ADS8326模塊將數字信號轉換成數據存入SDRAMFIFO中。當上位機需要當前單元存儲的數據時，上位機向單元發出收取數據指令。單片機將數據前后加上起始碼、命令碼、校驗和等返回信令信息，將一個完整的帶數據的返回信令送到內網發送模塊，將信令發送到中心板，進而傳送給上位機。

數據傳送到上位機后，經過上位機解析再次變成數據。將數據轉換成十進制并求它們最大值的平均值，求得的結果便是最終的采樣值。場強值的獲?。簣鰪娭?已知采樣值×校準獲得的對應值。

3 系統測試

3.1 測試方案設計

工具：檢測車整車、實際場地的RSU設備、安全裝置（路障、反光背心等）。

場地：帶有RSU設備的實際收費場地。

將檢測車停在RSU一定的測試距離。對系統進行單次靜態、多次同位置靜態、多次不同位置靜態、單次動態以及多次動態測試，用來檢驗系統的功能性及穩定性。

3.2 測試效果

通過測試，能夠得到真實穩定的場強色塊圖，如圖4所示。

4 結論

高速公路不停車收費系統（ETC）是一個涉及計算機網絡、無線通信、交通工程等多學科、多專業的綜合性系統。不停車場強檢測系統可以有效提高檢測RSU設備的效率，降低檢測難度，并且該系統一系列操作都在車內進行，有效保護了檢測人員在高速車流中的安全。相信在進一步的完善和推廣下，該系統能夠為高速公路發展助力，為我國基建發展貢獻微薄之力。

參考文獻

[1]黃凱. 高速公路ETC系統測試平臺設計研究[D]. 西安：長安大學， 2018.

[2]蔡強. ETC高速公路電子不停車收費系統的研究與設計[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學， 2016.

[3]田曉莊. 基于ETC應用的DSRC空口數據監聽分析儀的設計與實現[D]. 北京：中國科學院大學（工程管理與信息技術學院）， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者簡介：柳輝（1972—），男，本科，高級工程師，研究方向：電氣自動化。