基于軟件無線電的ETC無線電環(huán)境監(jiān)測設(shè)備

李曉光

摘要：隨著全國高速公路正式取消省界收費(fèi)站，電子不停車收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）在高速公路網(wǎng)中扮演越來越重要的角色。其正常運(yùn)行需要在特定頻段需要穩(wěn)定的電磁環(huán)境，因此介紹并設(shè)計了一種基于軟件無線電概念（SDR）的監(jiān)測系統(tǒng)。具體設(shè)計包括一種微波微帶陣列天線設(shè)計、一種基于SDR的高中頻設(shè)計信號變換采集硬件實現(xiàn)和一種采用pyQT和Numpy庫設(shè)計的軟件環(huán)境與界面。經(jīng)過實測，該系統(tǒng)可較好地實現(xiàn)對ETC無線電環(huán)境的監(jiān)測。

關(guān)鍵詞：軟件無線電; ETC;微帶陣列天線;pyQT;Numpy

中圖分類號：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）17-0222-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（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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隨著我國高速公路事業(yè)的快速發(fā)展，和汽車總保有量的大幅增加，伴隨2019年底全國高速公路正式取消省界收費(fèi)站，無線電子收費(fèi)技術(shù)（Electronic Toll Collection，ETC）在社會公共交通基礎(chǔ)設(shè)施中扮演了越來越重要的角色。作為一種依賴于射頻（Radio Frequency，RF）通訊的車-路側(cè)通訊技術(shù)，ETC設(shè)備的正常運(yùn)行必然取決于其架設(shè)周邊的無線電電磁環(huán)境。近些年來隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的數(shù)量增加，無線電頻譜資源日益稀少，ETC設(shè)備面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。但長期以來，在高速公路出入口和路上龍門架處布置的ETC天線和設(shè)備只有開通階段的功能性調(diào)試和測試，缺乏長期使用時對整個特定無線電頻段環(huán)境的實時監(jiān)測能力。另一方面，傳統(tǒng)上采用分立元件和模擬射頻前端的大型無線電監(jiān)測設(shè)備由于體積龐大、耗電高等問題，并不適合在戶外現(xiàn)場移動使用。所以在高速公路的日常維護(hù)中，需要一種便攜、現(xiàn)場可以快速搭建，可以監(jiān)測ETC標(biāo)準(zhǔn)頻段范圍內(nèi)各種電磁波及整個電磁環(huán)境的監(jiān)測設(shè)備。

1 軟件無線電的特點和優(yōu)勢

軟件無線電（Software-Defined Radio）技術(shù)是一種較新型的無線通訊技術(shù)。軟件無線電技術(shù)（SDR）一開始被應(yīng)用在軍用方面，主要解決陸海空多軍種多頻段、多通信制式的兼容、共存、互通問題。組成結(jié)構(gòu)上來看，軟件無線電由天線、模擬射頻前端、AD-DA轉(zhuǎn)換器件、天線、DSP和信號處理軟件算法組成。其最明顯的技術(shù)特征是將以數(shù)字-模擬（DA）轉(zhuǎn)換和模擬-數(shù)字（AD）轉(zhuǎn)換器件為代表的混合信號電路在整個無線電接收電路中的位置顯著提前。暨使用后端的高速數(shù)字芯片或者帶有高速接口的計算機(jī)來直接處理比較原始的無線電信號。這樣做的優(yōu)點是可以直接處理接收到的無線電信號波形，使用先進(jìn)定量的數(shù)字濾波和調(diào)制解調(diào)算法，將微弱或者畸變的信號轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｇ逦梢皂樌孀R的信號。

2 ETC無線電環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的系統(tǒng)組成

本設(shè)備基于軟件無線電平臺以及天線、軟硬件系統(tǒng)的配合，結(jié)合射頻信號與機(jī)械傳感器信號的實時環(huán)境數(shù)據(jù)，對周邊無線電空間的在ETC特定頻率分布情況并確定干擾源的相對位置。該系統(tǒng)旨在幫助高速公路ETC管理人員能夠了解周邊環(huán)境下ETC頻段射頻信號的分布情況，并對無線電空間中的干擾源進(jìn)行定位。

2.1 天線設(shè)計

本系統(tǒng)中的天線設(shè)計采用低副瓣、高增益的線極化微帶陣列天線。根據(jù)預(yù)期尺寸將陣列設(shè)計為水平4個和垂直4個總共16個單元的二維陣列，選用Rogers羅杰斯4350B基板，厚度1mm，阻抗50歐姆，中心頻率5.8GHz。天線陣列的示意圖如圖1所示。

5.8GHz微帶天線的尺寸標(biāo)注如圖2所示，其陣列幾何尺寸參數(shù)為Wp=18.79mm，Lp=15.16mm，Sx=36.18mm，Sy=45.72mm，phi=33.51deg。

2.2 硬件設(shè)計

本系統(tǒng)使用了一種基于高度集成的射頻集成電路結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用2.6GHz的高中頻設(shè)計：信號經(jīng)由射頻開關(guān)、低噪聲放大器、鏡像抑制濾波器和貼片巴倫組成的射頻前端電路，進(jìn)入RFMD公司的RFFC5072芯片構(gòu)成的壓控振蕩器和混頻器電路。在此進(jìn)行一級混頻后，變?yōu)?.6GHz左右的中頻信號，進(jìn)入美信公司的MAX2837芯片組成的收發(fā)器電路。在收發(fā)器電路中完成二級混頻后變成可以直接進(jìn)行模數(shù)變換的低頻信號。再經(jīng)過美信公司的MAX5864芯片，這個集成了8位精度分辨率22Msps速率的數(shù)模-模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，將時域上的模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號。然后通過8位數(shù)字總線將未處理的數(shù)據(jù)送給可編程邏輯器件賽靈思公司的XC2C64芯片。最后經(jīng)過CPLD處理后進(jìn)入微處理器LPC4320用USB2.0接口傳輸進(jìn)上位PC計算機(jī)。 整個設(shè)計框圖如圖3所示。

2.3 軟件設(shè)計

本套設(shè)備的主控程序采用Python3語言實現(xiàn)，基于PyQT5和Numpy庫編寫。程序?qū)崿F(xiàn)了以下功能：

可與便攜式ETC抗干擾設(shè)備射頻硬件和機(jī)械硬件進(jìn)行連接，并顯示系統(tǒng)的連接狀態(tài)，且可以防止多次連接，同時對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)歸零?？蓪κ褂密浻布到y(tǒng)進(jìn)行空間掃描，使用聲音和進(jìn)度條的方式提醒其掃描過程，并將掃描結(jié)果用圖形的方式顯示，并將其數(shù)據(jù)填入相應(yīng)數(shù)據(jù)表項中，并且在掃描過程中禁用其他按鈕。

可對系統(tǒng)的指定方向上增加或者減少角度，并且角度可以任意調(diào)整，也可以以10度的間隔增減。獲取系統(tǒng)的當(dāng)前機(jī)械指向方位角，并且將其和零點方位角的差值用極坐標(biāo)表示法顯示出來。

可獲取當(dāng)前系統(tǒng)所在機(jī)械指向方向的ETC頻段無線電信號強(qiáng)度值，并將其值顯示?？梢宰詣訉ふ覓呙柽^程中ETC頻段無線信號強(qiáng)度最大的機(jī)械指向方位角。同時可以對單次無線電空間掃描的全部數(shù)據(jù)用JSON格式保存，還可以將JSON文件導(dǎo)入并且以圖形方式顯示，并將其數(shù)據(jù)填入相應(yīng)數(shù)據(jù)表項中。其軟件界面如圖4所示。

經(jīng)過測試，可以在200米范圍內(nèi)準(zhǔn)確測量到干擾源的方位角，誤差在正負(fù)10度以內(nèi)。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于軟件無線電的ETC無線電環(huán)境監(jiān)測設(shè)備，從天線、硬件和軟件三個方面闡述了其具體組成，具備成本適中、便攜、使用方便等特點，具有較為廣闊的應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉偉銘，王哲人，鄭西濤. 高速公路收費(fèi)系統(tǒng)理論與方法[M].北京：人民交通出版社，2000.

[2] 楊卿.無線電安全攻防大揭秘[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016.

[3] 楊小牛，樓才義，徐建良. 軟件無線電原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社， 2001.

[4] 王耀磊，許國宏，徐林峰.基于Android和SDR的低成本空中交通監(jiān)視系統(tǒng)[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（35）：278-279，281.

[5] 王玉凡，陳宏濤，王青林.ETC系統(tǒng)鄰道及跟車干擾問題的研究[J].電腦知識與技術(shù)，2014，10（35）：8572-8573.

[6] 周婷，李民權(quán)，李超.ETC系統(tǒng)中微帶陣列天線的設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2015，11（3）：269-271.

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