【導讀】當前，智慧交通已成為數字基建的重要組成部分，交通強國戰略的主要發力點，邁入了新的發展階段。其中，我國ETC系統自2007年國家標準正式推出以來，歷經京津冀、長三角和全國大聯網，以及去年國務院和交通部撤銷省界收費站的大規模建設行動，已經成為全球最大的公路收費網絡，中國高速公路管理也迎來了新的變革。據交通部統計，截至2019年12月31日，全國ETC用戶累計達到2.04億，僅2019年下半年便新增ETC用戶1.23億，完成ETC發行目標任務的106.81%。
種種數據也都表明，ETC網絡已經成為支撐數字化時代交通運營管理的一個重要數字基礎設施。“展望未來，ETC車載單元的普及和信息交換便利性迎來了一個全新的起點與更廣闊的商業想象空間，ETC在智能停車場收費、加油站收費等支付場景的應用正在迅速增長。” ADI工業市場經理李佳最近在一場活動中指出，“安裝率近100%、2億+的汽車ETC基礎資源，正在撐起智慧交通與智慧城市的部分未來想象。”作為在射頻信號鏈領域具有全球領先優勢的企業，ADI的高速數據轉換器、PLL、混頻器等在傳統分立ETC解決方案中獲得廣泛應用，而去年集成式收發器因高集成度、精度和大動態范圍等特性優勢在ETC路測單元中獲得更大的關注，ADI面向軟件定義無線電(SDR)應用的捷變頻收發器AD9364開始“走紅”新一代ETC設計圈。
“ETC+”將撐起怎樣的智慧城市與智慧交通設想？
全國目前已有的2億+ETC車輛龐大用戶群，以及將車載單元OBU設置為車輛出廠前裝設備的大趨勢，為ETC向高速公路以外的場景拓展應用奠定了較好的基礎。“在未來幾年ETC也有望從高速公路不停車收費走向城市更廣泛的應用場景，包括在有效提升加油站通行效率、智慧停車系統與汽車后裝消費市場，以及實時收集城市車流量數據實現更高效率的智慧城市交通管理等方向的延伸。” 李佳指出，“ETC+”正在形成產業外延趨勢。
例如，國內某領先的智慧交通核心設備及解決方案提供商，近期提出基于5.8GHz自由流的MTC&ETC多義路徑識別系統設想，可實現當車輛行駛通過時，將路徑標識編碼寫入OBU或CPC卡中，出口時讀取入口信息和路徑信息，從而準確識別車輛的行駛路徑，區分不同投資主體，實現通行費的精確拆分和發票打印，可以實現準確、全面、完整的高速公路交通信息采集，為智慧高速建設提供強有力的數據支撐。同時，ETC作為車輛的“電子身份證”，與大數據、人工智能等技術結合，可以對駕駛軌跡、易發事故路段、易堵車的時間段和路段等有效信息進行統計，方便城市交通管理單位做出智慧化管理。此外，ETC在加油站等與車主服務領域的應用，也提供了另外一種高效快速的付費方式供消費者選擇。
任何技術的應用推廣是需要多個方面配合的，ETC技術在多領域應用涉及到車載終端OBU、路側基站RSU、軟件協議這3個方面的普及，ETC拓展應用的研發推廣則有待ETC前裝、ETC支付場景拓展、ETC生態圈建設等多個領域的完善。巨大的商業想象空間之下，OBU與RSU的可靠實時通信是實現ETC更多場景應用的關鍵，對ETC通訊技術也提出了更高的要求，不僅需要其能夠支撐在多個場景的應用，不論是低速場景的公路收費、停車收費，還是高速以及惡劣天氣場景下的流量采集，也需要開始考慮ETC系統設計方案的尺寸、軟件兼容性與高可靠性。
從分立到集成，RSU以高性能做擔當
ETC目前主要由車輛自動識別系統、中心管理系統和其他輔助設施組成。其中，車輛自動識別系統負責對過往車輛進行信息采集和處理，是整個ETC系統的核心組成，又包括了車載單元OBU、路邊單元RSU與地感線圈等傳感器；中心管理系統負責車輛信息的識別和與電子支付中心的聯接，其他輔助設施輔助該系統運行主要是指欄桿機、交通顯示屏等輔助設備。
據李佳介紹，雖然高速公路ETC專用道及ETC混合車道在現階段已大量部署，收費站ETC車道也都全部覆蓋，但其大多仍都采用的是分立式方案構建的RSU系統，在運營過程中ETC臨道干擾與前后干擾現象也偶有發生，典型的情況包括相鄰兩個ETC車道之間的OBU與RSU天線相互影響、RSU與非本車道上的OBU進行通訊并完成交易引起鄰道干擾、由于工程實施、天線設備覆蓋范圍大等原因引起跟車干擾，車道前車沒有扣費而后車扣費等，會引發ETC錯誤扣費情況而產生糾紛，在一定程度上對高速公路不停車收費發展產生較大的負面影響。
一直以來行業解決臨道干擾的主要技術措施為增加同步器，但同步器只能解決同時安裝2套同型號ETC天線車道的臨道干擾問題，對三條及以上車道采用同步器不能有效解決臨道干擾問題。因此，采用最新相控陣新一代天線，通過對車輛的定位技術，結合車道軟件的同步機制來解決臨道干擾問題開始走進了ETC設備廠商的視野。“新一代相控陣天線采用相控陣與軟件無線電技術，能實現無線射頻波束掃描，波束可以根據車道范圍內的OBU位置進行靈活指向，并且無線射頻交易區域邊界可精確設定，覆蓋位置精度高，可以使交易區域范圍內的多個車輛按照順序交易，有效防止跟車情況下后車先交易，同時通過對交易區域的設定，可以區分鄰道和本車道車輛的OBU，以防止鄰道干擾。”ADI應用專家何海龍表示。
相控陣元件基礎理論圖
“過去大多數RSU系統由設備廠商分立式解決方案進行產品研發，相控陣天線技術使用模擬波束賦形技術，整個天線都采用一組數據轉換器實現信號的非連續接收調解，對于解決極端情況下車輛實時數據采集與不停車收費仍然存在一定的不可靠性。”何海龍指出，“在面向未來巨大的ETC增量市場時，尺寸越小的RSU將越具有安裝優勢，客戶也將開始越來越多的關注高度集成度解決方案，同時采用數字波束形成技術，每個天線元件都有一組數據轉換器相對應，相位調整也是以數字方式完成的，具有多波束賦形的能力，可以隨時改變波束的數量。”靈活的數字相控陣天線調節與波束賦形技術使其成為新一代ETC車載單元與路測單元通信的核心，它提供了高效、小型化并具有高成本效益的解決方案也具有極強的吸引力，對ETC的進一步普及起了一定的推動作用。
集成化收發器解決方案，AD9364給出新一代RSU設計范本
“ADI最新的ETC RSU信號鏈系統級解決方案具有完整的高性能射頻和數字基帶設計，允許相控陣天線架構中含有多個收發器，與只用模擬波束賦形器的上一代相控陣天線相比，可以大大降低相控陣的成本、減小其尺寸和重量，并優化系統功能、提高系統性能。”李佳表示。李佳提到的解決方案基于ADI射頻收發器AD9364實現了集成化的射頻前端，一顆芯片替代了傳統分立解決方案需要的ADC/DAC、PLL、混頻器等近十多顆關鍵芯片。“傳統分立解決方案在設計和調試難度都很大，這種集成解決方案幾乎將所有射頻問題都在一個芯片內解決了，設計大大簡化并確保性能穩定性。”李佳強調道。
ADI新一代ETC RSU信號鏈系統級解決方案設計框圖
按照何海龍的介紹，通過ADI獨特的數字解調設計與降噪處理算法，RSU可以實現優于-95dBm的極高Rx接收機靈敏度，大于80dB的動態范圍，領先全行業的性能。同時，帶內小于有用信號10dB的干擾條件下，靈敏度的惡化小于6dB，鄰道大于有用信號20dB的干擾條件下，靈敏度的惡化小于6dB，進一步提高了ETC單元的車輛信息識別準確度。“實現這樣的性能對于客戶來說并不復雜，我們提供完整的解決方案和軟件算法。”李佳進一步指出。事實上，這對于很多缺乏實現高性價比無線前端的設計能力的OEM制造商來說非常重要。
同時，該模塊可配置為簡易儀表，直接應用于RSU產線測試，設備廠商則無需再單獨購買昂貴的RF測試設備，可編程特性也使該系統設計具有良好的兼容性。值得一提的是，由于該高度集成的RSU信號鏈系統級解決方案在尺寸控制上的優異表現，同時提供了可集成于攝像頭內部的天線參考設計，可作為額外的功能模塊迅速導入攝像頭，為新一代的車輛識別攝像頭新增了另一種準確判別安裝有OBU車輛信息的途徑，同時也為道路安防機攝像頭提升了獲取信息的豐富度與準確性。
AD9364/61集成式射頻收發器主要性能特性
據李佳補充道，作為革命性的軟件無線電解決方案，AD9364為典型的ADI高性能集成式射頻捷變收發器系列更廣泛的應用，其實是蜂窩電話基站的軟件定義無線電架構，如多業務分布式接入系統 (MDAS) 和小基站單元等，此外在工業、商業應用中的無線高清視頻傳輸（如無人飛行器 (UAV）應用等，而在ETC RSU的應用則是AD9364作為軟件無線電捷變頻收發器的獨特性能優勢應用的有一個有意思拓展。
總結
近日交通運輸部重磅公布的《推動交通運輸領域新型基礎設施建設的指導意見》再度提及了ETC系統在眾多具體場景的應用方向，以推進車路協同，對于ETC系統的的進一步普及推廣注入了政策強針。“重點路段要實現全天候、多要素的狀態感知，應用智能視頻分析等技術，建設智慧路網云控平臺，ETC的合理運用都可以大大加速其進程，但這也需要產業上下游廠商共同研發，更需要企業與政府部門通力合作。”李佳表示，“ADI可提供的軟硬件解決方案，包括RF架構中的集成化收發器解決方案以及基帶對信號有效調節的降噪算法等，都將助力合作伙伴大大縮短產品研發時間并加速其推廣上市。也歡迎大家與ADI一起合作，在以識別和支付為核心的ETC服務應用后半場，進一步拓展其場景實踐落地。”
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