基于软件无线电的ETC无线电环境监测设备

李晓光

摘要：随着全国高速公路正式取消省界收费站，电子不停车收费系统（ETC）在高速公路网中扮演越来越重要的角色。其正常运行需要在特定频段需要稳定的电磁环境，因此介绍并设计了一种基于软件无线电概念（SDR）的监测系统。具体设计包括一种微波微带阵列天线设计、一种基于SDR的高中频设计信号变换采集硬件实现和一种采用pyQT和Numpy库设计的软件环境与界面。经过实测，该系统可较好地实现对ETC无线电环境的监测。

关键词：软件无线电; ETC;微带阵列天线;pyQT;Numpy

中图分类号：TP393       文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）17-0222-02

開放科学（资源服务）标识码（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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随着我国高速公路事业的快速发展，和汽车总保有量的大幅增加，伴随2019年底全国高速公路正式取消省界收费站，无线电子收费技术（Electronic Toll Collection，ETC）在社会公共交通基础设施中扮演了越来越重要的角色。作为一种依赖于射频（Radio Frequency，RF）通讯的车-路侧通讯技术，ETC设备的正常运行必然取决于其架设周边的无线电电磁环境。近些年来随着无线通讯技术的发展和电子设备的数量增加，无线电频谱资源日益稀少，ETC设备面临的电磁环境日益复杂。但长期以来，在高速公路出入口和路上龙门架处布置的ETC天线和设备只有开通阶段的功能性调试和测试，缺乏长期使用时对整个特定无线电频段环境的实时监测能力。另一方面，传统上采用分立元件和模拟射频前端的大型无线电监测设备由于体积庞大、耗电高等问题，并不适合在户外现场移动使用。所以在高速公路的日常维护中，需要一种便携、现场可以快速搭建，可以监测ETC标准频段范围内各种电磁波及整个电磁环境的监测设备。

1 软件无线电的特点和优势

软件无线电（Software-Defined Radio）技术是一种较新型的无线通讯技术。软件无线电技术（SDR）一开始被应用在军用方面，主要解决陆海空多军种多频段、多通信制式的兼容、共存、互通问题。组成结构上来看，软件无线电由天线、模拟射频前端、AD-DA转换器件、天线、DSP和信号处理软件算法组成。其最明显的技术特征是将以数字-模拟（DA）转换和模拟-数字（AD）转换器件为代表的混合信号电路在整个无线电接收电路中的位置显著提前。暨使用后端的高速数字芯片或者带有高速接口的计算机来直接处理比较原始的无线电信号。这样做的优点是可以直接处理接收到的无线电信号波形，使用先进定量的数字滤波和调制解调算法，将微弱或者畸变的信号转变为正常清晰可以顺利辨识的信号。

2 ETC无线电环境监测设备的系统组成

本设备基于软件无线电平台以及天线、软硬件系统的配合，结合射频信号与机械传感器信号的实时环境数据，对周边无线电空间的在ETC特定频率分布情况并确定干扰源的相对位置。该系统旨在帮助高速公路ETC管理人员能够了解周边环境下ETC频段射频信号的分布情况，并对无线电空间中的干扰源进行定位。

2.1 天线设计

本系统中的天线设计采用低副瓣、高增益的线极化微带阵列天线。根据预期尺寸将阵列设计为水平4个和垂直4个总共16个单元的二维阵列，选用Rogers罗杰斯4350B基板，厚度1mm，阻抗50欧姆，中心频率5.8GHz。天线阵列的示意图如图1所示。

5.8GHz微带天线的尺寸标注如图2所示，其阵列几何尺寸参数为Wp=18.79mm，Lp=15.16mm，Sx=36.18mm，Sy=45.72mm，phi=33.51deg。

2.2 硬件设计

本系统使用了一种基于高度集成的射频集成电路结构设计，采用2.6GHz的高中频设计：信号经由射频开关、低噪声放大器、镜像抑制滤波器和贴片巴伦组成的射频前端电路，进入RFMD公司的RFFC5072芯片构成的压控振荡器和混频器电路。在此进行一级混频后，变为2.6GHz左右的中频信号，进入美信公司的MAX2837芯片组成的收发器电路。在收发器电路中完成二级混频后变成可以直接进行模数变换的低频信号。再经过美信公司的MAX5864芯片，这个集成了8位精度分辨率22Msps速率的数模-模数转换芯片，将时域上的模拟信号变为数字信号。然后通过8位数字总线将未处理的数据送给可编程逻辑器件赛灵思公司的XC2C64芯片。最后经过CPLD处理后进入微处理器LPC4320用USB2.0接口传输进上位PC计算机。 整个设计框图如图3所示。

2.3 软件设计

本套设备的主控程序采用Python3语言实现，基于PyQT5和Numpy库编写。程序实现了以下功能：

可与便携式ETC抗干扰设备射频硬件和机械硬件进行连接，并显示系统的连接状态，且可以防止多次连接，同时对系统进行校准归零。可对使用软硬件系统进行空间扫描，使用声音和进度条的方式提醒其扫描过程，并将扫描结果用图形的方式显示，并将其数据填入相应数据表项中，并且在扫描过程中禁用其他按钮。

可对系统的指定方向上增加或者减少角度，并且角度可以任意调整，也可以以10度的间隔增减。获取系统的当前机械指向方位角，并且将其和零点方位角的差值用极坐标表示法显示出来。

可获取当前系统所在机械指向方向的ETC频段无线电信号强度值，并将其值显示。可以自动寻找扫描过程中ETC频段无线信号强度最大的机械指向方位角。同时可以对单次无线电空间扫描的全部数据用JSON格式保存，还可以将JSON文件导入并且以图形方式显示，并将其数据填入相应数据表项中。其软件界面如图4所示。

经过测试，可以在200米范围内准确测量到干扰源的方位角，误差在正负10度以内。

3 结束语

本文设计的基于软件无线电的ETC无线电环境监测设备，从天线、硬件和软件三个方面阐述了其具体组成，具备成本适中、便携、使用方便等特点，具有较为广阔的应用空间。

参考文献：

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【通联编辑：梁书】