新型ETC數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

馬 濤，鄭 鑫

(1.天津中興智聯(lián)科技有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，天津 300308；2.中興通訊股份有限公司 天津分公司 微波開發(fā)部，天津 300308)

新型ETC數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

馬 濤*1，鄭 鑫2

(1.天津中興智聯(lián)科技有限公司 產(chǎn)品開發(fā)部，天津 300308；2.中興通訊股份有限公司 天津分公司 微波開發(fā)部，天津 300308)

高速公路不停車收費(fèi)(ETC)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，用戶超過3 200萬(wàn)，參與建設(shè)的廠家近20余家，多廠家、多型號(hào)設(shè)備之間互聯(lián)互通是系統(tǒng)的關(guān)鍵，如何能夠快速準(zhǔn)確地定位設(shè)備之間兼容性的問題，成為當(dāng)務(wù)之急。針對(duì)需求，設(shè)計(jì)了基于科斯塔斯(Costas)環(huán)的新型ETC數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)的工作原理、整體框架和開發(fā)思路。該系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成并規(guī)模應(yīng)用于ETC聯(lián)網(wǎng)工作中，對(duì)故障定位、協(xié)議一致性判定、規(guī)范建設(shè)起到了不可替代的作用。該系統(tǒng)與現(xiàn)有方案相比其靈敏度提升15 dBm，并且具備可同時(shí)偵聽多信道、支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)等突出優(yōu)點(diǎn)。

電子不停車收費(fèi)；科斯塔斯環(huán)；數(shù)據(jù)偵聽；故障定位；高靈敏度；多信道

1 引 言

電子不停車收費(fèi)(Electronic Toll Collection,ETC)系統(tǒng)[1]，在智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System,ITS)中具有特殊的地位，特別是在高速公路及橋梁(包括貫穿城市的大型橋梁)收費(fèi)系統(tǒng)中更顯示其重要性[2]。近年來(lái)，ETC在我國(guó)各省、市、自治區(qū)廣泛推廣，ETC技術(shù)的使用有效提高了人工收費(fèi)效率，緩解了收費(fèi)站車流擁堵狀況[3]。隨著全國(guó)聯(lián)網(wǎng)工作開展以及用戶數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，快速準(zhǔn)確地定位各款設(shè)備之間的兼容性問題是實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通工作的難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)鮮有專門開發(fā)數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)的報(bào)道，但在工作過程中可以了解到部分廠家利用ETC現(xiàn)有設(shè)備開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)偵聽和故障定位工具，但由于其架構(gòu)局限性，并不能很好地完成預(yù)定功能和性能，例如只能偵聽單個(gè)信道、接收靈敏度不足、不能實(shí)時(shí)處理并發(fā)上下行數(shù)據(jù)等，從而造成偵聽丟幀、偵聽距離不夠、分析系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不夠、不直觀等應(yīng)用問題。本文介紹了基于科斯塔斯(Costas)環(huán)的ETC數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)，系統(tǒng)摒棄了現(xiàn)有ETC設(shè)備的架構(gòu)，從根本上解決了現(xiàn)有設(shè)備的不足。本文從總體架構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)等多個(gè)維度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行介紹，系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并規(guī)模應(yīng)用于ETC聯(lián)網(wǎng)工作中，較現(xiàn)有系統(tǒng)性能提升明顯。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)由數(shù)據(jù)偵聽設(shè)備硬件實(shí)體和運(yùn)行于計(jì)算機(jī)上的系統(tǒng)分析軟件兩大部分構(gòu)成。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，數(shù)據(jù)偵聽設(shè)備通過通用串行總線(Universal Serial Bus，USB)接口與電腦(Personal Computer，PC)相連，操作人員通過系統(tǒng)分析軟件配置偵聽設(shè)備本次工作的頻點(diǎn)、需要分析的協(xié)議類型、靈敏度級(jí)別等參數(shù)，然后啟動(dòng)數(shù)據(jù)偵聽設(shè)備，數(shù)據(jù)偵聽設(shè)備會(huì)通過空中接口接收附近處于工作狀態(tài)的所有ETC設(shè)備的數(shù)據(jù)幀，設(shè)備將數(shù)據(jù)幀解碼分析后通過USB接口上傳給系統(tǒng)分析軟件，軟件可將接收到的數(shù)據(jù)幀通過分析窗口或圖形窗口兩種形式進(jìn)行呈現(xiàn)，操作人員可以通過兩種方式詳細(xì)分析被偵聽ETC設(shè)備的空口交互，進(jìn)而進(jìn)行故障定位、判斷協(xié)議一致性和符合度。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

偵聽設(shè)備主要由天線、兩個(gè)濾波模塊、比較器解調(diào)模塊、Costas環(huán)解調(diào)模塊、基帶信號(hào)處理模塊、微處理器模塊、聲光控制模塊、電源網(wǎng)絡(luò)以及外部接口等部分組成。

該系統(tǒng)具備靈敏度高，可同時(shí)監(jiān)聽ETC系統(tǒng)全部信道(含上下行)數(shù)據(jù)，可處理并發(fā)數(shù)據(jù)等突出特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景檢驗(yàn)表明其功能和性能較現(xiàn)有設(shè)備有明顯提升。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要構(gòu)成如下：

(1)對(duì)外提供USB接口，該接口既可完成偵聽設(shè)備與上位機(jī)之間的通信，同時(shí)也為系統(tǒng)提供5 V電源；

(2)對(duì)外提供RS232接口，作為輔助通信接口；

(3)對(duì)外提供直流電源接口，內(nèi)部通過開關(guān)電路與USB供電網(wǎng)絡(luò)兼容；

(4)微處理器小系統(tǒng)主要完成軟件版本存儲(chǔ)及運(yùn)行,與上位機(jī)之間的USB通信,外部接口的切換、通信、控制,聲光指示控制(發(fā)光二極管、蜂鳴器),配置非易失性隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器(Non-Volatile Random Access Memory,NVRAM)，完成版本信息存儲(chǔ)等,現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的版本下載和驅(qū)動(dòng)接口；

(5)FPGA主要完成Costas環(huán)濾波功能實(shí)現(xiàn),反向雙相間空號(hào)編碼(Bi-Phase Space Coding,FM0)解碼、高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制(High-Level Data Link Control,HDLC)解析、接收消息上報(bào),串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Serial Analog-to-Digital Converter,SADC)的時(shí)序控制，接收的信號(hào)強(qiáng)度指示(Received Signal Strength Indication,RSSI)數(shù)值讀取,與微處理器的數(shù)據(jù)緩存接口；

(6)ML9636主要完成5.8 GHz本振生成、混頻和相干解調(diào)、幅移鍵控(Amplitude Shift Keying,ASK)數(shù)據(jù)恢復(fù)；4路分別接收5.79 GHz、5.8 GHz、5.83 GHz、5.84 GHz共4個(gè)頻點(diǎn)的信號(hào)；

(7)低噪聲放大器(Low Noise Amplifier,LNA)為5.8 GHz射頻信號(hào)放大單元；

(8)5.8 GHz天線采用外置式的全向天線，SMA接口。

硬件主要組成框圖如圖2所示。

圖2 硬件總體框圖

硬件的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和特色之處，下文將分別給予詳細(xì)論述。

3.1 電源網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的電源采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，充分考慮各個(gè)模塊對(duì)電源純凈度要求和功耗進(jìn)行分配，保證各個(gè)模塊電源穩(wěn)定，以保證其性能最佳,其拓?fù)淙鐖D3所示。

圖3 系統(tǒng)電源拓?fù)鋱D

3.3 V電源為天線切換開關(guān)提供電流；6 V電源通過低壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout Regulator，LDO)變?yōu)?.3 V，給ML9636供電，單板增加濾波電路，同時(shí)為L(zhǎng)NA、檢波器、差分放大器供電；6 V電源通過LDO變?yōu)? V,給中頻放大管供電；ML9636還需要1.6 V供電，通過LDO將3.3 V降壓到1.6 V，并增加濾波電路。

3.2 射頻接收鏈路的實(shí)現(xiàn)

天線接收模塊包括兩個(gè)外置全向天線、兩個(gè)LNA以及兩個(gè)功分器。兩個(gè)天線用來(lái)接收路側(cè)設(shè)備(Road Side Unit,RSU)和車載設(shè)備(On board Unit,OBU)發(fā)出的微波信號(hào)；兩個(gè)低噪放LNA分別用來(lái)對(duì)天線接收到的微波信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理；每個(gè)功分器都將一路信號(hào)分為兩路送給射頻模塊進(jìn)行處理，分別產(chǎn)生信號(hào)1、信號(hào)2、信號(hào)3、信號(hào)4,從而實(shí)現(xiàn)了同時(shí)偵聽兩個(gè)信道、4個(gè)通道的信號(hào)。

射頻模塊主要由4片專用短程通信芯片ML9636及其外圍電路組成，4個(gè)芯片分別與兩個(gè)功分器分成的4路射頻信號(hào)相連，分別工作在5.79 GHz、5.80 GHz、5.83 GHz、5.84 GHz 4個(gè)頻點(diǎn)，用于對(duì)這4個(gè)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)進(jìn)行低噪放、混頻、解調(diào)(僅限于比較器解調(diào)方式)等處理。ML9636可以根據(jù)接收信號(hào)頻偏情況調(diào)節(jié)濾波器帶寬。本偵聽設(shè)備采用超外差接收方式，天饋信號(hào)經(jīng)過低噪放、混頻處理后產(chǎn)生一個(gè)40 MHz的中頻信號(hào)，為保證接收信號(hào)質(zhì)量，需要有濾波器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行濾波處理。本偵聽設(shè)備采用了兩種濾波器，一種是集成聲表濾波器，帶寬為5 MHz；另一種是LC模擬濾波器，帶寬為10 MHz。當(dāng)被接收信號(hào)頻偏較小時(shí)，采用聲表濾波器；當(dāng)被接收信號(hào)頻偏較大時(shí)采用LC模擬濾波器。切換方式可通過開關(guān)實(shí)現(xiàn)。

為了作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比，監(jiān)聽設(shè)備設(shè)計(jì)了兩種解調(diào)方式，一種是比較器解調(diào)方式，一種是Costas環(huán)解調(diào)方式。前者接收靈敏度較低，適合近距離使用，后者接收靈敏度較高，適合遠(yuǎn)距離使用。兩種工作方式可以通過開關(guān)切換。使用比較器解調(diào)方式時(shí)ML9636直接輸出解調(diào)后的基帶信號(hào)，使用Costas環(huán)解調(diào)方式時(shí)ML9636輸出對(duì)應(yīng)的包絡(luò)模擬信號(hào)，該信號(hào)通過放大后再經(jīng)過高速AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字化后的信號(hào)進(jìn)入FPGA，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)Costas環(huán)濾波和同步，進(jìn)而完成解調(diào)、FM0解碼、HDLC解析，然后重新組幀上報(bào)給微處理器。

從應(yīng)用的角度以及偵聽設(shè)備整體功能看，單板主要由射頻接收鏈路構(gòu)成，包括低噪聲放大電路，集成芯片ML9636電路、ML9636參考時(shí)鐘單元、中頻濾波單元、中頻放大單元射頻收發(fā)開關(guān)、基帶信號(hào)放大單元、包絡(luò)檢波單元等，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于接收帶寬窄、接收信道多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、各個(gè)信道間不能出現(xiàn)接收干擾等。

整個(gè)鏈路單工工作，內(nèi)/外置天線可以隨意切換，為了簡(jiǎn)化描述，以其中一個(gè)信道為例，其框圖如圖4所示。

圖4 射頻鏈路

3.3 Costas環(huán)的實(shí)現(xiàn)

載波同步又稱載波恢復(fù)，即在接收設(shè)備中產(chǎn)生一個(gè)和接收信號(hào)的載波同頻同相的本地振蕩，供給解調(diào)器作相干解調(diào)用。相干解調(diào)中相干載波獲取的精確程度對(duì)于通信質(zhì)量有著十分重要的影響，而載波同步是實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)的先決條件，所以設(shè)計(jì)高性能的Costas環(huán)就顯得尤為必要。

Costas環(huán)又被稱為同向正交法[4]，其基本框圖如圖5所示。

圖5 Costas環(huán)原理圖

加于兩個(gè)相乘器的本地信號(hào)分別為壓控振蕩器的輸出信號(hào)[5]:

低通后的輸出分別為

v5和v6加于相乘器，得

v7的大小與相位誤差θ成正比，它就相當(dāng)于一個(gè)鑒相器的輸出。用v7去調(diào)整壓控振蕩器輸出信號(hào)的相位，最后使穩(wěn)態(tài)相位誤差減小到很小的數(shù)值[6-7]。這樣壓控振蕩器的輸出就是所需提取的載波。

偵聽設(shè)備的Costas環(huán)使用VHDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。FPGA使用ALTERA公司的EP2C35F672C8N，其實(shí)現(xiàn)組成框圖如圖6所示。數(shù)字積分器的邏輯實(shí)體為累加器，通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)的累加求和完成積分功能。

圖6 Costas環(huán)實(shí)現(xiàn)框圖

Costas環(huán)中的同相積分器和正交積分器除輸入數(shù)據(jù)外，還有一個(gè)猝息信號(hào)，當(dāng)猝息信號(hào)有效時(shí)積分值清零，猝息信號(hào)采用同步清零的方式，不采用異步清零的Reset信號(hào)。設(shè)計(jì)累加器時(shí)要確定加法器的數(shù)值形式，本系統(tǒng)采用二進(jìn)制補(bǔ)碼。確定加法器的位數(shù)是由輸入信號(hào)的位數(shù)和最大累計(jì)時(shí)間決定的。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后的模擬仿真波形如圖7所示。

圖7 Costas環(huán)模擬仿真波形

3.4 中頻濾波單元設(shè)計(jì)

中頻放大完成的信號(hào)，分別為15 MHz和25 MHz的中頻信號(hào)，然后進(jìn)入中頻濾波器進(jìn)行信號(hào)濾波，濾除掉帶外信號(hào)。

3.5 低噪聲放大單元設(shè)計(jì)

系統(tǒng)接收到射頻信號(hào)以后，經(jīng)過射頻開關(guān)和介質(zhì)濾波器以后送到低噪聲放大模塊上，LNA選取的是RF2472。

低噪聲放大單元電路如圖8所示，其中PD管腳為RF2472的開關(guān)信號(hào)。

圖8 低噪聲放大單元電路

4 系統(tǒng)分析軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分析軟件使用JAVA開發(fā)，運(yùn)行于Windows環(huán)境下，人機(jī)界面友好，穩(wěn)定性好。

系統(tǒng)分析軟件包含偵聽操作、偵聽過濾、文件操作、配置操作等多個(gè)組件，每個(gè)組件又包含若干功能，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 軟件結(jié)構(gòu)圖

最終實(shí)現(xiàn)的軟件分析界面如圖10所示。

圖10 軟件界面圖

分析軟件可以對(duì)偵聽的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行分析，將每個(gè)字節(jié)或者比特的含義直觀地呈現(xiàn)給操作人員，并且可以將疑似出錯(cuò)的位置標(biāo)注出來(lái)，免去了人為比對(duì)的工作。分析軟件還可以切換為以時(shí)間為橫軸的數(shù)據(jù)流顯示模式，方便操作人員觀察數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間間隔，并且數(shù)據(jù)流上還疊加信號(hào)強(qiáng)度信息，可以直觀了解所接收信號(hào)的能量等級(jí)。

5 性能對(duì)比

由于系統(tǒng)預(yù)留了比較器解調(diào)和Costas環(huán)解調(diào)兩種方式，所以很容易獲得兩種方式的接收靈敏度對(duì)比。使用信號(hào)源發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)幀，在相同的測(cè)試條件下，基于現(xiàn)有架構(gòu)的比較器解調(diào)方式，其靈敏度在-65 dBm左右;使用Costas環(huán)解調(diào)方式，其靈敏度可以達(dá)到-80 dBm左右，可見接收靈敏度優(yōu)化效果明顯。

同時(shí)使用兩種方式在試驗(yàn)車道、高速公路實(shí)際收費(fèi)站等地進(jìn)行測(cè)試，使用Costas環(huán)方式數(shù)據(jù)偵聽性能穩(wěn)定，上下行數(shù)據(jù)不丟幀，但使用比較器方式的就會(huì)出現(xiàn)丟幀情況。

除了靈敏度高的特點(diǎn)外，與其他現(xiàn)有偵聽工具和系統(tǒng)對(duì)比，本系統(tǒng)還具備可同時(shí)偵聽多信道、支持?jǐn)?shù)據(jù)并發(fā)等突出特點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)過實(shí)踐證明這一系統(tǒng)完全滿足設(shè)計(jì)需要，具有全向接收、靈敏度高、偵聽范圍廣、支持協(xié)議多、顯示直觀、分析迅速等特點(diǎn)，能夠快速準(zhǔn)確地定位ETC系統(tǒng)故障，可以判斷協(xié)議一致性和符合度，使用效果得到了內(nèi)外部客戶的肯定。本文思路亦可為其他空口協(xié)議復(fù)雜、故障定位困難的系統(tǒng)參考。本系統(tǒng)依然具有外尺寸稍大的不足，后續(xù)可以通過設(shè)計(jì)減小尺寸，從而攜帶更便捷；另外，在應(yīng)用軟件側(cè)可以考慮增加波形解析等功能，對(duì)于不同應(yīng)用人員可以開放不同的分析權(quán)限。

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Design of a New ETC Data Interception and Fault Location System

MA Tao1,ZHENG Xin2

(1.Product Development Department,ZTE Intelligent IOT Technology Co.,Ltd.,Tianjin 300308,China; 2.Microwave Development Department,Tianjin Institute,ZTE Corporation,Tianjin 300308,China)

Electronic Toll Collection(ETC) has been networked.There are more than 32 million users and the manufacturers involved in the construction are nearly more than 20.The interoperability between different manufacturers and types of equipment is the key problem of system design.How to quickly and accurately positioning the compatibility between equipment becomes the urgent affair. According to the demand,ETC data monitoring and fault location system based on the Costas loop is designed,and the working principle,overall framework and developing thought of the system are described.The system has been developed and widely applied in ETC networking.It has played an irreplaceable role in the fault location,determination,protocol conformance specification for construction. Compared with the existing schemes,the proposed system has improved the sensitivity of 15 dBm and is featured by simultaneously intercepting multiple channel and supporting data concurrency.

ETC;Costas loop;data interception;fault location;high sensitivity;multiple channel

10.3969/j.issn.1001-893x.2017.04.008

馬濤，鄭鑫.新型ETC數(shù)據(jù)偵聽和故障定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2017,57(4):412-417.[MA Tao,ZHENG Xin.Design of a new ETC data interception and fault location system[J].Telecommunication Engineering,2017,57(4):412-417.]

2016-10-19；

2017-01-04 Received date:2016-10-19；Revised date：2017-01-04

TN925

A

1001-893X(2017)04-0412-06

馬 濤(1981—)，男，河北吳橋人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芙煌?、智能儀表及工業(yè)控制;

Email:mt414@126.com

鄭 鑫(1981—)，女，山西太原人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橹悄芙煌?、微波傳輸技術(shù)。

*通信作者：mt414@126.com Corresponding author：mt414@126.com