高速公路RSU不停车场强检测系统的研究与设计

柳辉 王凯波 李志宏 张卿

摘要 针对现有高速公路ETC系统的路侧单元（RSU）检测问题，文章研发出一套不停车场强检测系统，详细阐述检测系统各个组成部分的设计以及系统的实现过程，利用可拆卸的车载检测装置，可以对RSU进行场强图的绘制。对收到的RSU信号进行处理，获取当前点位的场强值。由96个点位组成了当前位置的RSU的场强图。此方法提高了RSU的检测速度，将场强值转换成可视化、图形化的界面图像，使检测更加直观有效，更好地理解和应用该系统。

关键词 高速公路；ETC系统；路侧单元；相控阵天线；射频电路

中图分类号 TP311.52 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）04-0001-04

0 引言

自2008年起，我国陆续投资了8.6万亿元进行基础设施的建设，高速公路里程长度更是突飞猛进地发展。截至2022年年底，我国高速公路已建成通车的总里程突破了177 300 km^[1]。20世纪90年代早期，ETC收费系统陆续被我国市场引进，并逐步在我国交通发达地区和经济发达地区得到广泛应用。不停车收费系统在我国的广泛运行，标志着我国的高速公路收费系统相关的研究与应用水平与国际先进水平逐步接近^[2]。

但是目前不同生产厂家的产品在其可靠性、安全性及运行质量等方面还存在着缺陷与不足，特别是受到器件选择、环境温度等因素的影响较大，不能完全保证车辆在通过收费站时通信缴费的可靠性。围绕GB/T 20851.1—2019标准，安捷伦等国际大公司设计了ETC设备射频一致性测试系统等自动化测试系统，此类系统技术覆盖全面、结构灵活，既可以支持国家标准测试要求，也可以支持其他标准ETC设备测试。目前该系统已经作为行业领导品牌进驻国家智能交通系统工程技术研究中心，并主要用于ETC认证测试服务测试设备。但是，此类自动化测试系统存在高素质的技术人员不足、测试设备成本比较高、测试技术要求高等问题^[1]。

针对以上问题，该文研究了一套不停车场强检测系统，该系统能够定量分析车道中无线信号场强分布情況、物理层参数异常情况，发现及协助解决现场信号强度过弱、信号覆盖面过小、物理层参数不正确的非正常状态。通过对ETC的运维检测，使ETC设备安全可靠，通行更安全、便捷、高效，从而提升人民群众的获得感、幸福感、安全感，真正做到畅行天下。该系统可安装于测试用轿车顶部或专用手推车上，用于满足ETC现场的信号场强测试需求。同时该系统留有接口，可以连接频谱分析仪，对ETC天线进行进一步的物理层分析。

为了降低测试难度，系统软件生成可视化的简易的车道场强分布图，测试人员通过简单的培训即可快速上手。同时为了供专业人员进一步分析，系统软件可以形成专业的物理层特性测试报告，集大众与专业于一体。

1 相关技术介绍

1.1 ETC系统

ETC系统主要由路侧单元（RSU）和车载单元（OBU）组成。车载单元（OBU）内存储车辆的车牌、车型和车辆参数等基本信息，OBU上插入的用户卡内存储用户信息和收费信息等。安装有OBU的车辆进入收费站ETC车道后，触发RSU发送信号，与OBU利用5.8 GHz专用短程通信（DSRC）方式进行信息交互，最后收费车道根据收费结果对当前收费车辆采取拦截或是放行处理^[3]。

影响ETC系统性能的因素很多，其中不仅包括物理层参数，也包括设备的通信协议、兼容性、互操作性等等。物理层性能，如载波频率、发射功率、占用带宽、调制系数、位速率等可通过通用测试仪表按照相关标准规定的测试方法进行测试，从而解决问题^[3]。

1.2 GB/T 20851.1

GB/T 20851.1《电子收费专用短程通信》系列国家标准，共分为5个部分，分别为物理层、数据链路层、应用层、设备应用和物理层主要参数测试方法。

物理层规定了ETC关键设备（包括RSU和OBU）的载波频率、发射功率、调制方式、编码方式、天线性能等物理层主要参数；数据链路层规定了通信数据侦的格式、专用通信链路建立过程、MAC子层和LLC子层规程等；应用层部分对应用层进行规定；设备应用部分规定了电子收费的安全机制、数据组织格式、关键设备的电气、环境特性等技术要求；第５部分测试方法规定了ETC关键设备的发射机主要参数的测试方法^[3]。

1.3 相关硬件器件原理

（1）混频器。原理是将信号频率由一个量值变换为另一个量值的过程。具有这种功能的电路称为混频器（或变频器）。混频器将天线上接收到的射频信号（RF）α与本振（LO）β产生的信号相乘，获得输出信号（IF）：

cosαcosβ=[cos（α+β）+cos（α?β）]/2 （1）

（2）频率发生器。频率发生器是指产生频率精确度为定值的信号源。频率发生器输入为高精度的晶振，输出一般为电信号，满足频率、幅度和谱纯度的要求。在该系统中充当本振。

（3）射频检波器。从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波，包括平方律检波器、包络检波器、同步检波器，该系统主要使用包络检波器。从调幅信号中将低频信号解调出来的过程，就叫作包络检波。也就是说，包络检波是幅度检波。包络检波常用的方法是采用二极管进行单向过滤后再进行低通滤波。

2 不停车场强检测系统的设计与实现

2.1 检测系统整体设计

该系统分为检测部分、通讯部分、显示部分以及其他部分。如图1所示。

场强检测部分主要提供了当前检测的RSU的当前位置的场强值，该部分由96个场强单元组成，每个场强单元包括天线、模拟板、数字板、连接线缆及用于屏蔽噪声的屏蔽罩，如图2所示。天线使用定制的射频天线，可接收5.8 GHz频率信号。模拟板使用多个射频模块组合而成，能够将带有调制信号的5.8 GHz信号降至可转为数字信号的5M信号。数字板将接收到的5M信号转换成数字信号处理后进行存储。

相位定位部分主要提供了当前检测的RSU与检测系统的相对位置，该部分由8个相位单元（两个为一对）组成，每个相位单元包括天线、模拟板、数字板、连接线缆及用于屏蔽噪声的屏蔽罩，如图3所示。与场强单元相同，将5.8 GHz频率信号经过处理存储在数字板内。与场强单元不同的是，相位与场强的解码算法不同，场强仅存储检波后的波形，而相位存储的是一组正弦波，并且将其解码获取RSU信息。

通讯部分主要是负责将96个场强单元与8个相位单元储存的数字信号上传至中心，由上位机负责计算。显示部分通过上位机软件实现，通过软件可以对系统硬件设备进行管理、显示当前检测结果、保存导出历史结果等。

2.2 射频模块设计

射频降频模块包含滤波器、放大器、混频器、本振模块、小型单片机、晶振。微带天线从RSU获取5.83/5.84 GHz信号，与本振、晶振、小型单片机组成后发出的5.835 GHz信号进行混频处理，获得5M信号，达到从5G到5M的一个降频处理。由于混频器的输入要求，需要将信号简单通过滤波放大处理至干净的信号，再进行混频。混频之后进入检波器进行信号的整合，成为模拟板的输出信号。

2.3 不停车场强检测系统的实现

首先信号通过天线进入模拟板：此时的信号是RSU最原始的5G带调制信号，首先需要将其进行滤波和放大，滤波的目的是消除目标信号以外的其他信号，但经过滤波后会有一定程度上的功率衰减，因此需要用放大器满足混频器的输入范围。

经过处理后的信号与本振生成的5.835 GHz信号进行混频。选择生成5.835 GHz进行混频的原因是，RSU设备会发出5.83 GHz或者5.84 GHz频率的信号，由于两个频率的信号都需要接收到并且降頻，如果分别降频会比较复杂，因此选择了5.835 GHz作为中间值，5.835 GHz与5.83 GHz混频之后是5M，与5.84 GHz也是，这样就将输入频率的范围扩大，设计起来也不会麻烦。

混频之后，信号变成了5M的带有调制的正弦波，经过一系列滤波放大，进入AD8310检波器中进行波形检出。通过调整电容电阻的值来对充电时间和滤波平整度进行调整，最终输出较为正确的检波信号。

检波信号通过外接ipex线直接从模拟板接到数字板。在数字板上经过数模转换芯片，将5M转化成数字信号传到FPGA芯片中。

当数字信号传到FPGA内部后，通过ADS8326模块将数字信号转换成数据存入SDRAMFIFO中。当上位机需要当前单元存储的数据时，上位机向单元发出收取数据指令。单片机将数据前后加上起始码、命令码、校验和等返回信令信息，将一个完整的带数据的返回信令送到内网发送模块，将信令发送到中心板，进而传送给上位机。

数据传送到上位机后，经过上位机解析再次变成数据。将数据转换成十进制并求它们最大值的平均值，求得的结果便是最终的采样值。场强值的获取：场强值=已知采样值×校准获得的对应值。

3 系统测试

3.1 测试方案设计

工具：检测车整车、实际场地的RSU设备、安全装置（路障、反光背心等）。

场地：带有RSU设备的实际收费场地。

将检测车停在RSU一定的测试距离。对系统进行单次静态、多次同位置静态、多次不同位置静态、单次动态以及多次动态测试，用来检验系统的功能性及稳定性。

3.2 测试效果

通过测试，能够得到真实稳定的场强色块图，如图4所示。

4 结论

高速公路不停车收费系统（ETC）是一个涉及计算机网络、无线通信、交通工程等多学科、多专业的综合性系统。不停车场强检测系统可以有效提高检测RSU设备的效率，降低检测难度，并且该系统一系列操作都在车内进行，有效保护了检测人员在高速车流中的安全。相信在进一步的完善和推广下，该系统能够为高速公路发展助力，为我国基建发展贡献微薄之力。

参考文献

[1]黄凯. 高速公路ETC系统测试平台设计研究[D]. 西安：长安大学， 2018.

[2]蔡强. ETC高速公路电子不停车收费系统的研究与设计[D]. 郑州：解放军信息工程大学， 2016.

[3]田晓庄. 基于ETC应用的DSRC空口数据监听分析仪的设计与实现[D]. 北京：中国科学院大学（工程管理与信息技术学院）， 2017.

收稿日期：2023-12-06

作者简介：柳辉（1972—），男，本科，高级工程师，研究方向：电气自动化。