应用于5.8GHz ETC自由流路径识别系统的ETC高灵敏度接收电路及其FPGA实现

摘要：5.8GHz是中国电子不停车收费（ETC）的专用频段。在不停车收费应用场景中，车速一般在40 km/h以内，通信距离小于15米，RSU接收灵敏度达到-70dbm即可满足要求，因此在国标《电子收费专用短程通信》（GB-T 20851系列标准）中定义RSU的接收灵敏度≤-70dbm。但在自由流路径标识场景下，车速可高达120km/h以上，这就需要大幅扩大天线的覆盖范围，达到30米以上，以保证车辆经过时能够有足够的交易时间。因此自由流场景下RSU的接收灵敏度需要远高于-70dbm才能达到足够高的交易的成功率。本文提出了基于FPGA的接收电路设计思路，能够大幅降低普通MCU软件解码方案带来的误差，提高自由流标识场景下的交易成功率。

关键词：5.8GHz；自由流；多路径；不停车收费；ETC；FPGA

Abstract: 5.8G band is the dedicated frequency for Electronic Toll Collection in China. In ETC application, the 5.8G Road Side Unit is deployed at the ETC lane, which communicate with the On Board Unit installed in the passing vehicle and deduct the money from the payment card inserted in the OBU. In this scenario, the speed limit is normally under 40KM/h, with communication range less than 15m. So in national standard GB/T 20851.x Electronic Toll Collection - Dedicated short range communication, the RSU receiving sensitivity is defined as ≤ -70dbm. While in Multi-Lane-Free-Flow application for multi-path identification,  the vehicle speed can be as high as 120KM/h, which requires much longer communication range to more than 30m. In MLFF scenario, it’s like the higher RSU receiving sensitivity the better identification success ratio. This article designs a FPGA based RSU receiving solution, which will dramatically drop the traditional MCU software receiving malfunctions and improve the muli-path identification efficacy.

Keywords: 5.8GHz; free flow; multipath; toll; ETC;FPGA

引言

随着国内高速公路快速发展以及路网的形成，如何实现对自由流多路径的识别，精准的计算车辆高速公路上的实际路程，成为了高速公路不停车自动收费管理系统应用的技术关键[1]。由于高速公路车辆在出口和入口之间存在多种行车路径，如车主选择不同的路径的时候[2-3]，收费系统的计费标准和通行费的拆分均不相同，这样就需要在现有的联网收费系统的基础上增加多路径识别系统对车辆在高速公路上的行驶路径进行精准识别，这样才可以保证整个联网收费系统费用计算的准确性和可靠性。

广东是国内高速公路路网最为复杂的省份，按照省委省政府关于“十二五”期间撤消16个区域间主线收费站、17个停车人工标识站，实现高速公路联网收费“一张网”，提升高速公路服务水平的工作部署，省交通运输厅确定对ETC车辆采用5.8GHz ETC自由流路径识别技术实现“按实际路径收费、按实际路径拆分”收费，这就要求解决ETC用户在高速自由流通行状态下的路径精确识别难题。

在不停车收费应用场景中，ETC车道建设的5.8G 路侧单元（RSU），与经过该车道的车辆上安装的车载单元（OBU）建立通信链路，对OBU内配套发行的非现金支付卡做自动扣费处理，从而实现不停车收费功能。这样的应用环境，ETC车辆的车速一般在40km/h以内，通信距离小于15米，RSU接收灵敏度达到-70dbm即可满足要求。然而为实现多路径识别，需要在高速公路不同路径的道路上建设5.8G自由流标识点。在标识点龙门架上安装RSU与道路上自由通过的车辆内安装的OBU实时通信，将标识点编号写入OBU中。此场景下，车速可达120km/h以上，这就需要大幅扩大天线的覆盖范围到30米以上，以保证车辆经过时能够有足够的交易时间。自由流场景下RSU的接收灵敏度越高，交易的成功率也越高。

在国标《电子收费专用短程通信》（GB-T 20851系列标准）中，规定RSU接收采用ASK调制，FM0编解码，为速率512kbps，灵敏度≤-70dbm。该指标采用软件解码即可轻易达到，因此ETC车道的RSU多采用MCU对信号中频采样，判断调制信号的高低电平变化，生成中断信号，并通过软件在中断内完成FM0的解码。该方案在信号强度不足时，解码成功率将会急剧恶化。首先因为中断信号存在抢占、遗漏等现象，导致位解码失败；其次采用软件方案，软件关中断、判断时序等操作，本身也会影响收发端的时钟同步，导致一个位解码失败后，很大概率造成失序，所有数据解码失败；第三采用MCU中断和软件解码依赖于发端信号的高低电平转换精度，当出现杂波、发端调制不足时，可能电平转换的时机处于0和1的判断区间之间，导致误判。

本文是在以上已有条件下探讨实现基于5.8G DSRC的多路径解决方案对RSU设备的潜在要求和解决方案。提出通过采用FPGA和高精度时钟，对中频信号做采样积分，实现硬件FM0编解码，大幅提升RSU接收灵敏度和信号适应性的方案。

1  高速公路多路径识别相关背景及原理

高速公路联网后，从地点A到达地点B存在多种可选路径。车主选用不同的路径导致行驶的高速里程不同，或者涉及的道路业主不同。因此在收费标准、路费拆分方面，也需要采用不同的方案。多路径识别是指通过一定的手段识别车辆行驶的路径，作为收费或者拆分结算的依据。

图 1 高速公路多路径识别

当车主通过路径A和路径B时，行驶的距离和道路的业主不同。如果按距离收费，则车辆行驶路径A应该比路径B收费更多。

为实现对ETC车辆的路径标识，需要在不同路径上建设标识点。标识点一般采用龙门架方式，按车道安装RSU。当ETC车辆经过龙门架时，RSU唤醒车辆内的OBU并建立无线连接，将标识点编码写入OBU内。建设方式如图2所示：

图 2 系统部署

车辆到达ETC出口时，ETC车道RSU唤醒OBU，读出写入的标识点信息，并传到车道软件实现按行驶路径精确计算应收路费。

如图2所示，在自由流场景下，车辆可能以120km/h甚至更高的时速通过龙门架，以每次标识耗时150ms，最高车速160km/h计算，通信区域至少需要160*1000/3600*0.15=6.7米。考虑到多辆车可能并行行驶，三辆车串行交易，需要的距离至少为20米。如果进一步考虑交易重发、碰撞、二次交易、高档车信号衰减等异常场景，天线的覆盖距离针对一般车辆场景，最好能够达到30米以上的交易距离。此外因为自由流场景下没有栏杆，无法让车辆停在交易区内反复通信，这就要求RSU有足够高的接收灵敏度来保证成功率，普通ETC车道一个RSU的灵敏度只能达到-70dbm或者略高，单RSU远远无法满足98%以上标识成功率的设计要求。

广东省作为全国首个大规模投入生产环境的5.8GHz ETC自由流路径识别应用，经过科研攻关，提出了采用FPGA硬件解码的技术方案，实现了基于FPGA硬件面积积分的通信区域高灵敏度接收技术，设备接收机的接收能力显著提高，随着接收机接收灵敏度的提高，可大大提高OBU通信距离。应用该技术后，天线接收灵敏度提升到-95dbm以上，OBU的通信距离可以达到40米左右，极大的延长了通信区域的时间，提升通车速度。很好地满足了5.8GHz ETC自由流路径识别的成功率要求。系统运营以来，ETC自由流标识点成功率达到了98.26%以上，本技术实现了良好的应用效果。

2 系统总体方案设计

本方案将接收到的5.8G模拟射频型号混频后转换为中频信号，使用A/D采样电路将中频信号转化为数字信号，进一步通过FPGA做数字信号处理，完成原始信号的接收解码。采用FPGA对ASK调制的FM0编码的解码，建立在基于FPGA硬件面积积分的原理之上，设备接收机的接收能力显著提高，可大幅提高OBU通信距离。

通过FPGA硬件接收技术，大幅提高了接收电路的内部时钟精度和编解码的处理速度。时钟精度的提高使天线在收到OBU信号包头后，与OBU信号实现时钟同步，OBU发出的每个bit位通过面积积分可精确判断出0和1值。并且任何因干扰导致的某个bit位误判，不会影响到下一个bit位的判断，从而使接受灵敏度提高4db~8db。此外编解码处理速度的提升，也使传统软件解码中出现的中断抢占、屏蔽不复存在，成功率亦可进一步提升4db左右。综合二者，灵敏度可以有6~12db的提升，通信距离比传统软件编解码提高2~4倍。经测试，采用该技术后，OBU的接收距离可以达到40米左右。

图3为基于FPGA的高灵敏度解码电路的功能框图：

图 3 FPGA解码电路

其中“RF前端处理”为射频电路，通过天线引入接收信号，经混频、滤波后由低噪放放大，输出经整形的模拟中频信号供数模转换（A/D转换）。“A/D转换”包含数字转换器，对输入的中频信号采样，数字整形，并保持原本信号的频率特征不失真。“FPGA信号处理”阶段，通过FPGA编程实现对数字信号的ASK解调，同时包含了解调所需的各类数字信号处理功能，如数字滤波、数据抽取、放大等，最终输出代表ASK每个比特时序面积积分的数字化的比特流。“数字解码”从比特流中提取最终的应用数据信息，完成前向纠错等处理。其中“FPGA信号处理”与“数字解码”两部分功能，由FPGA实现。

3  FPGA解调实现高灵敏度接收

根据《电子收费专用短程通信》（GB-T 20851）系列国家标准，OBU发给RSU的数据速率为512kbps。假定射频前端电路输出的中频信号以40Mhz为中心，以70*2*512khz为采样频率。以抽取率1:1计算，每比特采样值为：（70*2*512k）/512k=140 S/bit。根据恩奎斯特采样定理，该采样数据完全包含了RSU所接收到的512khz的频率特征。

经过采样，形成了以30Mhz左右为中心频点的数字化采样信号。以该数字中心频点为外部时钟驱动，FPGA解调模块对每个bit时序内的采样值积分，并根据积分数值，判断ASK调制的高低电平。

图4说明在出现较大干扰的场景下，如何通过同步时钟积分过滤干扰，实现高灵敏度接收电路。

图 4 高灵敏度积分电路

传统软件MCU解码电路，根据输入ASK模拟信号的高低电平，判断fm0编码的0/1转换。在遇到干扰时，会当作一次高低电平变化。因为软件MCU存在漏中断问题，额外引入的电平变化可能导致整个序列的解码失败。

本方案通过数字化采样后，FPGA可对该比特时间段内的所有电平值做积分。这样个别区域的干扰，并不会对该比特时间窗内的整体平均值产生太大影响。从而大幅提高对干扰的耐受度，提升设备的接收灵敏度。此外在个别比特的判断出现错误时，因为时钟的精确同步，可以在后续比特的时间窗内正常判断高低电平变化，将错误限制在干扰发生的比特，后续通过数据链路层校验恢复，仍然可以得到正常的数据结果。

5 结语

为满足对高速公路网络中的ETC车辆行驶道路路径进行精准识别，需要对现有的ETC车道RSU做技术升级，以满足自由流高速行驶条件下的远距离标识。提高RSU接收灵敏度，应对沿途的各类复杂干扰环境，是本方案的核心目标。本文通过在现有的5.8G通信技术上引入基于FPGA硬件面积积分的通信区域高灵敏度接技术，最大可实现-105dbm的接收灵敏度，比普通ETC车道RSU的接受范围增大10倍以上，可大幅提升ETC车辆的多路径标识准确性。

参考文献

[1]王晨,彭洪涛. 基于5.8G自由流的ETC联网收费路径识别系统[J]. 中国交通信息化,2014,03:72-74.

[2]吴立杰,丁治纲. 多义性路径识别系统在高速联网收费中的应用[J]. 信息技术与标准化,2014,10:28-31.

[3]杨耿,段作义. 高速公路路径识别技术的实现与发展[J]. 中国交通信息化,2015,01:66-69.