李曉光

摘要：隨著全國(guó)高速公路正式取消省界收費(fèi)站，電子不停車(chē)收費(fèi)系統(tǒng)（ETC）在高速公路網(wǎng)中扮演越來(lái)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(jì)了一種基于軟件無(wú)線(xiàn)電概念（SDR）的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)包括一種微波微帶陣列天線(xiàn)設(shè)計(jì)、一種基于SDR的高中頻設(shè)計(jì)信號(hào)變換采集硬件實(shí)現(xiàn)和一種采用pyQT和Numpy庫(kù)設(shè)計(jì)的軟件環(huán)境與界面。經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，該系統(tǒng)可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)ETC無(wú)線(xiàn)電環(huán)境的監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：軟件無(wú)線(xiàn)電; ETC;微帶陣列天線(xiàn);pyQT;Numpy

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）17-0222-02

開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)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

、

隨著我國(guó)高速公路事業(yè)的快速發(fā)展，和汽車(chē)總保有量的大幅增加，伴隨2019年底全國(guó)高速公路正式取消省界收費(fèi)站，無(wú)線(xiàn)電子收費(fèi)技術(shù)（Electronic Toll Collection，ETC）在社會(huì)公共交通基礎(chǔ)設(shè)施中扮演了越來(lái)越重要的角色。作為一種依賴(lài)于射頻（Radio Frequency，RF）通訊的車(chē)-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(wú)線(xiàn)電電磁環(huán)境。近些年來(lái)隨著無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)的發(fā)展和電子設(shè)備的數(shù)量增加，無(wú)線(xiàn)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(zhǎng)期以來(lái)，在高速公路出入口和路上龍門(mén)架處布置的ETC天線(xiàn)和設(shè)備只有開(kāi)通階段的功能性調(diào)試和測(cè)試，缺乏長(zhǎng)期使用時(shí)對(duì)整個(gè)特定無(wú)線(xiàn)電頻段環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)設(shè)備由于體積龐大、耗電高等問(wèn)題，并不適合在戶(hù)外現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)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(chǎng)可以快速搭建，可以監(jiān)測(cè)ETC標(biāo)準(zhǔn)頻段范圍內(nèi)各種電磁波及整個(gè)電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1 軟件無(wú)線(xiàn)電的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

軟件無(wú)線(xiàn)電（Software-Defined Radio）技術(shù)是一種較新型的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)。軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（SDR）一開(kāi)始被應(yīng)用在軍用方面，主要解決陸?？斩嘬姺N多頻段、多通信制式的兼容、共存、互通問(wèn)題。組成結(jié)構(gòu)上來(lái)看，軟件無(wú)線(xiàn)電由天線(xiàn)、模擬射頻前端、AD-DA轉(zhuǎn)換器件、天線(xiàn)、DSP和信號(hào)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(hào)電路在整個(gè)無(wú)線(xiàn)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(jì)算機(jī)來(lái)直接處理比較原始的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是可以直接處理接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎Ｇ逦梢皂樌孀R(shí)的信號(hào)。

2 ETC無(wú)線(xiàn)電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)組成

本設(shè)備基于軟件無(wú)線(xiàn)電平臺(tái)以及天線(xiàn)、軟硬件系統(tǒng)的配合，結(jié)合射頻信號(hào)與機(jī)械傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，對(duì)周邊無(wú)線(xiàn)電空間的在ETC特定頻率分布情況并確定干擾源的相對(duì)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(hào)的分布情況，并對(duì)無(wú)線(xiàn)電空間中的干擾源進(jìn)行定位。

2.1 天線(xiàn)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中的天線(xiàn)設(shè)計(jì)采用低副瓣、高增益的線(xiàn)極化微帶陣列天線(xiàn)。根據(jù)預(yù)期尺寸將陣列設(shè)計(jì)為水平4個(gè)和垂直4個(gè)總共16個(gè)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(xiàn)陣列的示意圖如圖1所示。

5.8GHz微帶天線(xiàn)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(jì)

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(jì)，采用2.6GHz的高中頻設(shè)計(jì)：信號(hào)經(jīng)由射頻開(kāi)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(jí)混頻后，變?yōu)?.6GHz左右的中頻信號(hào)，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(jí)混頻后變成可以直接進(jìn)行模數(shù)變換的低頻信號(hào)。再經(jīng)過(guò)美信公司的MAX5864芯片，這個(gè)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(shí)域上的模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。然后通過(guò)8位數(shù)字總線(xiàn)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(guò)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(jì)算機(jī)。 整個(gè)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本套設(shè)備的主控程序采用Python3語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，基于PyQT5和Numpy庫(kù)編寫(xiě)。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(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)歸零。可對(duì)使用軟硬件系統(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(guò)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(xiàng)中，并且在掃描過(guò)程中禁用其他按鈕。

可對(duì)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(diǎn)方位角的差值用極坐標(biāo)表示法顯示出來(lái)。

可獲取當(dāng)前系統(tǒng)所在機(jī)械指向方向的ETC頻段無(wú)線(xiàn)電信號(hào)強(qiáng)度值，并將其值顯示。可以自動(dòng)尋找掃描過(guò)程中ETC頻段無(wú)線(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度最大的機(jī)械指向方位角。同時(shí)可以對(duì)單次無(wú)線(xiàn)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(xiàng)中。其軟件界面如圖4所示。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，可以在200米范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量到干擾源的方位角，誤差在正負(fù)10度以?xún)?nèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于軟件無(wú)線(xiàn)電的ETC無(wú)線(xiàn)電環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，從天線(xiàn)、硬件和軟件三個(gè)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(diǎn)，具有較為廣闊的應(yīng)用空間。

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