應用于5.8GHz ETC自由流路徑識別系統的高靈敏度接收電路及其FPGA實現

■ 陳喆 于海

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應用于5.8GHz ETC自由流路徑識別系統的高靈敏度接收電路及其FPGA實現

■ 陳喆 于海

隨著國內高速公路快速發展以及路網的形成，如何實現對自由流多路徑的識別，精準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應用的技術關鍵。本文提出了基于FPGA的接收電路設計思路，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。在不停車收費應用場景中，車速一般在40 km/h以內，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《電子收費專用短程通信》（GB-T 20851系列標準）中定義RSU的接收靈敏度≤-70dbm。但在自由流路徑標識場景下，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］，收費系統的計費標準和通行費的拆分均不相同，這樣就需要在現有的聯網收費系統的基礎上增加多路徑識別系統對車輛在高速公路上的行駛路徑進行精準識別，這樣才可以保證整個聯網收費系統費用計算的準確性和可靠性。

廣東是國內高速公路路網最為復雜的省份，按照省委省政府關于“十二五”期間撤消16個區域間主線收費站、17個停車人工標識站，實現高速公路聯網收費“一張網”，提升高速公路服務水平的工作部署，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實現“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下的路徑精確識別難題。

在不停車收費應用場景中，ETC車道建設的5.8G 路側單元（RSU），與經過該車道的車輛上安裝的車載單元（OBU）建立通信鏈路，對OBU內配套發行的非現金支付卡做自動扣費處理，從而實現不停車收費功能。這樣的應用環境，ETC車輛的車速一般在40km/h以內，通信距離小于15米，RSU接收靈敏度達到-70dbm即可滿足要求。然而為實現多路徑識別，需要在高速公路不同路徑的道路上建設5.8G自由流標識點。在標識點龍門架上安裝RSU與道路上自由通過的車輛內安裝的OBU實時通信，將標識點編號寫入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《電子收費專用短程通信》（GBT 20851系列標準）中，規定RSU接收采用ASK調制，FM0編解碼，為速率512kbps，靈敏度≤-70dbm。該指標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、遺漏等現象，導致位解碼失敗；其次采用軟件方案，軟件關中斷、判斷時序等操作，本身也會影響收發端的時鐘同步，導致一個位解碼失敗后，很大概率造成失序，所有數據解碼失敗；第三采用MCU中斷和軟件解碼依賴于發端信號的高低電平轉換精度，當出現雜波、發端調制不足時，可能電平轉換的時機處于0和1的判斷區間之間，導致誤判。

本文是在以上已有條件下探討實現基于5.8G DSRC的多路徑解決方案對RSU設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，實現硬件FM0編解碼，大幅提升RSU接收靈敏度和信號適應性的方案。

圖1：高速公路多路徑識別

高速公路多路徑識別相關背景及原理

高速公路聯網后，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致行駛的高速里程不同，或者涉及的道路業主不同。因此在收費標準、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算的依據。

當車主通過路徑A和路徑B時，行駛的距離和道路的業主不同。如果按距離收費，則車輛行駛路徑A應該比路徑B收費更多。

為實現對ETC車輛的路徑標識，需要在不同路徑上建設標識點。標識點一般采用龍門架方式，按車道安裝RSU。當ETC車輛經過龍門架時，RSU喚醒車輛內的OBU并建立無線連接，將標識點編碼寫入OBU內。建設方式如圖2所示：

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

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，以每次標識耗時150ms，最高車速160km/h計算，通信區域至少需要160*1000/3600*0.15=6.7米。考慮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、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內反復通信，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遠遠無法滿足98%以上標識成功率的設計要求。

廣東省作為全國首個大規模投入生產環境的5.8GHz ETC自由流路徑識別應用，經過科研攻關，提出了采用FPGA硬件解碼的技術方案，實現了基于FPGA硬件面積積分的通信區域高靈敏度接收技術，設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。應用該技術后，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。系統運營以來，ETC自由流標識點成功率達到了98.26%以上，本技術實現了良好的應用效果。

圖 2 ：系統部署

5.8G已成為交通領域的專用頻段，在此基礎上已發展成熟了ETC電子不停車系統。

圖 3： FPGA解碼電路

系統總體方案設計

本方案將接收到的5.8G模擬射頻型號混頻后轉換為中頻信號，使用A/D采樣電路將中頻信號轉化為數字信號，進一步通過FPGA做數字信號處理，完成原始信號的接收解碼。采用FPGA對ASK調制的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，大幅提高了接收電路的內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信號實現時鐘同步，OBU發出的每個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，也使傳統軟件解碼中出現的中斷搶占、屏蔽不復存在，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，通信距離比傳統軟件編解碼提高2～4倍。經測試，采用該技術后，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，經混頻、濾波后由低噪放放大，輸出經整形的模擬中頻信號供數模轉換（A/D轉換）。“A/D轉換”包含數字轉換器，對輸入的中頻信號采樣，數字整形，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編程實現對數字信號的ASK解調，同時包含了解調所需的各類數字信號處理功能，如數字濾波、數據抽取、放大等，最終輸出代表ASK每個比特時序面積積分的數字化的比特流。“數字解碼”從比特流中提取最終的應用數據信息，完成前向糾錯等處理。其中“FPGA信號處理”與“數字解碼”兩部分功能，由FPGA實現。

圖 4 ：高靈敏度積分電路

FPGA解調實現高靈敏度接收

根據《電子收費專用短程通信》（GB-T 20851）系列國家標準，OBU發給RSU的數據速率為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。根據恩奎斯特采樣定理，該采樣數據完全包含了RSU所接收到的512khz的頻率特征。

經過采樣，形成了以30Mhz左右為中心頻點的數字化采樣信號。以該數字中心頻點為外部時鐘驅動，FPGA解調模塊對每個bit時序內的采樣值積分，并根據積分數值，判斷ASK調制的高低電平。

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

傳統軟件MCU解碼電路，根據輸入ASK模擬信號的高低電平，判斷fm0編碼的0/1轉換。在遇到干擾時，會當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致整個序列的解碼失敗。

本方案通過數字化采樣后，FPGA可對該比特時間段內的所有電平值做積分。這樣個別區域的干擾，并不會對該比特時間窗內的整體平均值產生太大影響。從而大幅提高對干擾的耐受度，提升設備的接收靈敏度。此外在個別比特的判斷出現錯誤時，因為時鐘的精確同步，可以在后續比特的時間窗內正常判斷高低電平變化，將錯誤限制在干擾發生的比特，后續通過數據鏈路層校驗恢復，仍然可以得到正常的數據結果。

結語

為滿足對高速公路網絡中的ETC車輛行駛道路路徑進行精準識別，需要對現有的ETC車道RSU做技術升級，以滿足自由流高速行駛條件下的遠距離標識。提高RSU接收靈敏度，應對沿途的各類復雜干擾環境，是本方案的核心目標。本文通過在現有的5.8G通信技術上引入基于FPGA硬件面積積分的通信區域高靈敏度接技術，最大可實現-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車輛的多路徑標識準確性。

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