應(yīng)用于5.8GHz ETC自由流路徑識別系統(tǒng)的高靈敏度接收電路及其FPGA實現(xiàn)

■ 陳喆 于海

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應(yīng)用于5.8GHz ETC自由流路徑識別系統(tǒng)的高靈敏度接收電路及其FPGA實現(xiàn)

■ 陳喆 于海

隨著國內(nèi)高速公路快速發(fā)展以及路網(wǎng)的形成，如何實現(xiàn)對自由流多路徑的識別，精準(zhǔn)的計算車輛高速公路上的實際路程，成為了高速公路不停車自動收費管理系統(tǒng)應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。本文提出了基于FPGA的接收電路設(shè)計思路，能夠大幅降低普通MCU軟件解碼方案帶來的誤差，提高自由流標(biāo)識場景下的交易成功率。

5.8GHz是中國電子不停車收費（ETC）的專用頻段。在不停車收費應(yīng)用場景中，車速一般在40 km/h以內(nèi)，通信距離小于15米，RSU接收靈敏度達到-70dbm即可滿足要求，因此在國標(biāo)《電子收費專用短程通信》（GB-T 20851系列標(biāo)準(zhǔn)）中定義RSU的接收靈敏度≤-70dbm。但在自由流路徑標(biāo)識場景下，車速可高達120km/h以上，這就需要大幅擴大天線的覆蓋范圍，達到30米以上，以保證車輛經(jīng)過時能夠有足夠的交易時間。因此自由流場景下RSU的接收靈敏度需要遠(yuǎn)高于-70dbm才能達到足夠高的交易的成功率。

由于高速公路車輛在出口和入口之間存在多種行車路徑，如車主選擇不同的路徑的時候［2-3］，收費系統(tǒng)的計費標(biāo)準(zhǔn)和通行費的拆分均不相同，這樣就需要在現(xiàn)有的聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加多路徑識別系統(tǒng)對車輛在高速公路上的行駛路徑進行精準(zhǔn)識別，這樣才可以保證整個聯(lián)網(wǎng)收費系統(tǒng)費用計算的準(zhǔn)確性和可靠性。

廣東是國內(nèi)高速公路路網(wǎng)最為復(fù)雜的省份，按照省委省政府關(guān)于“十二五”期間撤消16個區(qū)域間主線收費站、17個停車人工標(biāo)識站，實現(xiàn)高速公路聯(lián)網(wǎng)收費“一張網(wǎng)”，提升高速公路服務(wù)水平的工作部署，省交通運輸廳確定對ETC車輛采用5.8GHz ETC自由流路徑識別技術(shù)實現(xiàn)“按實際路徑收費、按實際路徑拆分”收費，這就要求解決ETC用戶在高速自由流通行狀態(tài)下的路徑精確識別難題。

在不停車收費應(yīng)用場景中，ETC車道建設(shè)的5.8G 路側(cè)單元（RSU），與經(jīng)過該車道的車輛上安裝的車載單元（OBU）建立通信鏈路，對OBU內(nèi)配套發(fā)行的非現(xiàn)金支付卡做自動扣費處理，從而實現(xiàn)不停車收費功能。這樣的應(yīng)用環(huán)境，ETC車輛的車速一般在40km/h以內(nèi)，通信距離小于15米，RSU接收靈敏度達到-70dbm即可滿足要求。然而為實現(xiàn)多路徑識別，需要在高速公路不同路徑的道路上建設(shè)5.8G自由流標(biāo)識點。在標(biāo)識點龍門架上安裝RSU與道路上自由通過的車輛內(nèi)安裝的OBU實時通信，將標(biāo)識點編號寫入OBU中。此場景下，車速可達120km/h以上，這就需要大幅擴大天線的覆蓋范圍到30米以上，以保證車輛經(jīng)過時能夠有足夠的交易時間。自由流場景下RSU的接收靈敏度越高，交易的成功率也越高。

在國標(biāo)《電子收費專用短程通信》（GBT 20851系列標(biāo)準(zhǔn)）中，規(guī)定RSU接收采用ASK調(diào)制，F(xiàn)M0編解碼，為速率512kbps，靈敏度≤-70dbm。該指標(biāo)采用軟件解碼即可輕易達到，因此ETC車道的RSU多采用MCU對信號中頻采樣，判斷調(diào)制信號的高低電平變化，生成中斷信號，并通過軟件在中斷內(nèi)完成FM0的解碼。該方案在信號強度不足時，解碼成功率將會急劇惡化。首先因為中斷信號存在搶占、遺漏等現(xiàn)象，導(dǎo)致位解碼失?。黄浯尾捎密浖桨?，軟件關(guān)中斷、判斷時序等操作，本身也會影響收發(fā)端的時鐘同步，導(dǎo)致一個位解碼失敗后，很大概率造成失序，所有數(shù)據(jù)解碼失??；第三采用MCU中斷和軟件解碼依賴于發(fā)端信號的高低電平轉(zhuǎn)換精度，當(dāng)出現(xiàn)雜波、發(fā)端調(diào)制不足時，可能電平轉(zhuǎn)換的時機處于0和1的判斷區(qū)間之間，導(dǎo)致誤判。

本文是在以上已有條件下探討實現(xiàn)基于5.8G DSRC的多路徑解決方案對RSU設(shè)備的潛在要求和解決方案。提出通過采用FPGA和高精度時鐘，對中頻信號做采樣積分，實現(xiàn)硬件FM0編解碼，大幅提升RSU接收靈敏度和信號適應(yīng)性的方案。

圖1：高速公路多路徑識別

高速公路多路徑識別相關(guān)背景及原理

高速公路聯(lián)網(wǎng)后，從地點A到達地點B存在多種可選路徑。車主選用不同的路徑導(dǎo)致行駛的高速里程不同，或者涉及的道路業(yè)主不同。因此在收費標(biāo)準(zhǔn)、路費拆分方面，也需要采用不同的方案。多路徑識別是指通過一定的手段識別車輛行駛的路徑，作為收費或者拆分結(jié)算的依據(jù)。

當(dāng)車主通過路徑A和路徑B時，行駛的距離和道路的業(yè)主不同。如果按距離收費，則車輛行駛路徑A應(yīng)該比路徑B收費更多。

為實現(xiàn)對ETC車輛的路徑標(biāo)識，需要在不同路徑上建設(shè)標(biāo)識點。標(biāo)識點一般采用龍門架方式，按車道安裝RSU。當(dāng)ETC車輛經(jīng)過龍門架時，RSU喚醒車輛內(nèi)的OBU并建立無線連接，將標(biāo)識點編碼寫入OBU內(nèi)。建設(shè)方式如圖2所示：

車輛到達ETC出口時，ETC車道RSU喚醒OBU，讀出寫入的標(biāo)識點信息，并傳到車道軟件實現(xiàn)按行駛路徑精確計算應(yīng)收路費。

如圖2所示，在自由流場景下，車輛可能以120km/h甚至更高的時速通過龍門架，以每次標(biāo)識耗時150ms，最高車速160km/h計算，通信區(qū)域至少需要160*1000/3600*0.15=6.7米?？紤]到多輛車可能并行行駛，三輛車串行交易，需要的距離至少為20米。如果進一步考慮交易重發(fā)、碰撞、二次交易、高檔車信號衰減等異常場景，天線的覆蓋距離針對一般車輛場景，最好能夠達到30米以上的交易距離。此外因為自由流場景下沒有欄桿，無法讓車輛停在交易區(qū)內(nèi)反復(fù)通信，這就要求RSU有足夠高的接收靈敏度來保證成功率，普通ETC車道一個RSU的靈敏度只能達到-70dbm或者略高，單RSU遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足98%以上標(biāo)識成功率的設(shè)計要求。

廣東省作為全國首個大規(guī)模投入生產(chǎn)環(huán)境的5.8GHz ETC自由流路徑識別應(yīng)用，經(jīng)過科研攻關(guān)，提出了采用FPGA硬件解碼的技術(shù)方案，實現(xiàn)了基于FPGA硬件面積積分的通信區(qū)域高靈敏度接收技術(shù)，設(shè)備接收機的接收能力顯著提高，隨著接收機接收靈敏度的提高，可大大提高OBU通信距離。應(yīng)用該技術(shù)后，天線接收靈敏度提升到-95dbm以上，OBU的通信距離可以達到40米左右，極大的延長了通信區(qū)域的時間，提升通車速度。很好地滿足了5.8GHz ETC自由流路徑識別的成功率要求。系統(tǒng)運營以來，ETC自由流標(biāo)識點成功率達到了98.26%以上，本技術(shù)實現(xiàn)了良好的應(yīng)用效果。

圖 2 ：系統(tǒng)部署

5.8G已成為交通領(lǐng)域的專用頻段，在此基礎(chǔ)上已發(fā)展成熟了ETC電子不停車系統(tǒng)。

圖 3： FPGA解碼電路

系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本方案將接收到的5.8G模擬射頻型號混頻后轉(zhuǎn)換為中頻信號，使用A/D采樣電路將中頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，進一步通過FPGA做數(shù)字信號處理，完成原始信號的接收解碼。采用FPGA對ASK調(diào)制的FM0編碼的解碼，建立在基于FPGA硬件面積積分的原理之上，設(shè)備接收機的接收能力顯著提高，可大幅提高OBU通信距離。

通過FPGA硬件接收技術(shù)，大幅提高了接收電路的內(nèi)部時鐘精度和編解碼的處理速度。時鐘精度的提高使天線在收到OBU信號包頭后，與OBU信號實現(xiàn)時鐘同步，OBU發(fā)出的每個bit位通過面積積分可精確判斷出0和1值。并且任何因干擾導(dǎo)致的某個bit位誤判，不會影響到下一個bit位的判斷，從而使接受靈敏度提高4db～8db。此外編解碼處理速度的提升，也使傳統(tǒng)軟件解碼中出現(xiàn)的中斷搶占、屏蔽不復(fù)存在，成功率亦可進一步提升4db左右。綜合二者，靈敏度可以有6～12db的提升，通信距離比傳統(tǒng)軟件編解碼提高2～4倍。經(jīng)測試，采用該技術(shù)后，OBU的接收距離可以達到40米左右。

圖3為基于FPGA的高靈敏度解碼電路的功能框圖：

其中“RF前端處理”為射頻電路，通過天線引入接收信號，經(jīng)混頻、濾波后由低噪放放大，輸出經(jīng)整形的模擬中頻信號供數(shù)模轉(zhuǎn)換（A/D轉(zhuǎn)換）。“A/D轉(zhuǎn)換”包含數(shù)字轉(zhuǎn)換器，對輸入的中頻信號采樣，數(shù)字整形，并保持原本信號的頻率特征不失真。“FPGA信號處理”階段，通過FPGA編程實現(xiàn)對數(shù)字信號的ASK解調(diào)，同時包含了解調(diào)所需的各類數(shù)字信號處理功能，如數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)抽取、放大等，最終輸出代表ASK每個比特時序面積積分的數(shù)字化的比特流。“數(shù)字解碼”從比特流中提取最終的應(yīng)用數(shù)據(jù)信息，完成前向糾錯等處理。其中“FPGA信號處理”與“數(shù)字解碼”兩部分功能，由FPGA實現(xiàn)。

圖 4 ：高靈敏度積分電路

FPGA解調(diào)實現(xiàn)高靈敏度接收

根據(jù)《電子收費專用短程通信》（GB-T 20851）系列國家標(biāo)準(zhǔn)，OBU發(fā)給RSU的數(shù)據(jù)速率為512kbps。假定射頻前端電路輸出的中頻信號以40Mhz為中心，以70*2*512khz為采樣頻率。以抽取率1：1計算，每比特采樣值為：（70*2*512k）/512k=140 S/bit。根據(jù)恩奎斯特采樣定理，該采樣數(shù)據(jù)完全包含了RSU所接收到的512khz的頻率特征。

經(jīng)過采樣，形成了以30Mhz左右為中心頻點的數(shù)字化采樣信號。以該數(shù)字中心頻點為外部時鐘驅(qū)動，F(xiàn)PGA解調(diào)模塊對每個bit時序內(nèi)的采樣值積分，并根據(jù)積分?jǐn)?shù)值，判斷ASK調(diào)制的高低電平。

圖4說明在出現(xiàn)較大干擾的場景下，如何通過同步時鐘積分過濾干擾，實現(xiàn)高靈敏度接收電路。

傳統(tǒng)軟件MCU解碼電路，根據(jù)輸入ASK模擬信號的高低電平，判斷fm0編碼的0/1轉(zhuǎn)換。在遇到干擾時，會當(dāng)作一次高低電平變化。因為軟件MCU存在漏中斷問題，額外引入的電平變化可能導(dǎo)致整個序列的解碼失敗。

本方案通過數(shù)字化采樣后，F(xiàn)PGA可對該比特時間段內(nèi)的所有電平值做積分。這樣個別區(qū)域的干擾，并不會對該比特時間窗內(nèi)的整體平均值產(chǎn)生太大影響。從而大幅提高對干擾的耐受度，提升設(shè)備的接收靈敏度。此外在個別比特的判斷出現(xiàn)錯誤時，因為時鐘的精確同步，可以在后續(xù)比特的時間窗內(nèi)正常判斷高低電平變化，將錯誤限制在干擾發(fā)生的比特，后續(xù)通過數(shù)據(jù)鏈路層校驗恢復(fù)，仍然可以得到正常的數(shù)據(jù)結(jié)果。

結(jié)語

為滿足對高速公路網(wǎng)絡(luò)中的ETC車輛行駛道路路徑進行精準(zhǔn)識別，需要對現(xiàn)有的ETC車道RSU做技術(shù)升級，以滿足自由流高速行駛條件下的遠(yuǎn)距離標(biāo)識。提高RSU接收靈敏度，應(yīng)對沿途的各類復(fù)雜干擾環(huán)境，是本方案的核心目標(biāo)。本文通過在現(xiàn)有的5.8G通信技術(shù)上引入基于FPGA硬件面積積分的通信區(qū)域高靈敏度接技術(shù)，最大可實現(xiàn)-105dbm的接收靈敏度，比普通ETC車道RSU的接受范圍增大10倍以上，可大幅提升ETC車輛的多路徑標(biāo)識準(zhǔn)確性。

作者單位：廣東聯(lián)合電子服務(wù)股份有限公司（陳喆）、深圳成谷科技有限公司（于海）