ETC車載器・路側機用自動試験システムとETCテスタME8000シリーズ
はじめに
ETCモニタ期間中には、いろいろな問題が発生した。車載器未実装車のETCレインへの誤進入や走行中に遮断バーが降りる危険性などの運用上の問題点のほかに、 料金所の屋根や水溜りによって引き起こされるマルチパス現象が原因の誤作動、フロントガラスに金属粉が入っているために電波が減衰され通信ができないなどの電気的問題点が発生した。
当社は、1996年夏からETC試験システムの研究開発を開始し、各種のシステムを提案してきた。路側機（以下、ＲＳＵ）用自動試験システムME8500（写真１参照）、車載器（以下、OBE）生産用自動試験システムME8600（写真２参照）および最も川下商品である車載器用ETCテスタME8800（写真３参照）を中核としている。このほかある試験に特化した受信感度検査システム、動的動作試験システム、OBE実車装着試験システム、プロトコル＆通信試験システムも提案してきた。なお、ME8500に関しては、建設省（財団法人道路新産業開発機構：略称ＨＩＤＯ）発行のＩＴＳ ＲＥＶＩＥＷやホームページに記載されている。
本稿では、ETC試験の内容や現在問題あるいは注目されているバーストＢＥＲ測定とマルチパスのシミュレーションについて述べる。さらに、今後のOBE生産で重要となる受信感度の調整についても述べることとする。
ME8500とME8600による試験
ＲＳＵ用自動試験システムME8500では、大別して無線形試験と動的動作試験を行うことができる。動的動作試験では、相手側として実際のOBEをマスタのOBEとして使用する。
一方、OBE用自動試験システムME8600は、大別して無線系試験、動的動作試験およびプロトコル試験（基本動作試験）を行うことができる。ME8600の特長は、簡易型マスタＲＳＵとしてＲＳＵシミュレータME8610（写真４参照）を新たに開発したことである。ME8610はASK標準信号発生器としての機能も併せ持つ。主な仕様を表１に記す。
表２に、ME8500とME8600で行える試験項目を示した。○印が試験可能な項目である。また、「技適項目」とはＴＥＬＥＣ（財団法人テレコムエンジニアリングセンター）で行う技術適合試験を指している。○印が技適対象となる試験項目である。
| 送信特性 | 出力周波数 | 5.795/5.805GHz,±20ppm |
|---|---|---|
| 出力レベル | 12dBm±2dB | |
| 変 調 特 性 | データ読出速度 | 2048KHz±100ppm |
| デューティ比 | 約50％ | |
| 変調指数 | 約80％ | |
| 隣接チャンネル漏洩電力 | －40dBm以下 | |
| 占有帯域幅 | おおよそ5MHz | |
| 受信特性 | 受信入力範囲 | （－23～－43）から（－28～－48）dBm |
ピーク電力測定について
送信系の空中線電力の偏差は、ピーク電力を測定しなければならない。そこで、平均値電力計、マイクロ波ＡＭ検波器（当社製ＭＭＤ850)およびＡ/Ｄ変換器を用いて測定している。図１は、ＲＦ信号をマイクロ波検波器を通してＡ/Ｄ変換器でとらえた波形である。Ａ/Ｄ変換器のサンプリング速度は100ＭＳ/ｓ、メモリ長は64Ｋバイトである。先頭と最後の1024データを捨て間の63488データ（1024～64511番地）を対象に下記の演算を行う。
Ppk/Pav=10log[N・Vmax2/ΣVn2](dB)
ピーク電力＝平均電力＋Ppk/Pav(dBｍ) Vmax:ピーク値を小さい順に並べ中間の8個のピーク値を対象（ノイズなどの特異データを削除）にして平均化する。その平均値をVmax。
- Vｎ:1024番地～64511番地のデータ
- N ：63488
- n :1024～64511
| 試験項目 | ME8500 | ME8600 | 技適項目 | 試験物の設定 |
|---|---|---|---|---|
| 電源試験 | ○ | 無変調連続「1」固定 | ||
| 無線系試験 ①空中線電力の偏差 | ○ | ○ | ○ | 無変調連続「1」固定とＰＮ15段連続 |
| ②周波数偏差 | ○ | ○ | ○ | 無変調連続「1」固定 |
| ③スプリアス発射の強度 | ○ | ○ | ○ | 無変調連続「1」固定 |
| ④占有周波数帯域幅 | ○ | ○ | ○ | ＰＮ15段連続 |
| ⑤キャリアオフ時漏洩電力 | ○ | ○ | ○ | キャリア送信禁止とＰＮ15段連続 |
| ⑥変調指数 | ○ | ○ | 無変調連続「1」固定と「0」固定 | |
| ⑦隣接チャンネル漏洩電力 | ○ | ○ | ○ | ＰＮ15段連続 |
| ⑧送信アイ開効率11 | ○ | ○ | ＰＮ15段連続 | |
| ⑨信号伝送速度 | ○ | ○ | ○ | 無変調連続「1」固定 |
| ⑩送信出力絶対時間 | ○ | バースト通信 | ||
| ⑪受信感度 | ○ | ｏｐｔＡ | 連続受信 | |
| ⑫隣接波選択度 | ○ | 連続受信 | ||
| ⑬スプリアスレスポンス | ○ | 連続受信 | ||
| ⑭副次的に発する電波の強度 | ○ | ○ | 連続受信（送信側はキャリアオフ） | |
| ⑮バーストＢＥＲ測定 | ｏｐｔ | ｏｐｔＢ | ||
| プロトコル試験 ①ＡＣＴＣ送信の確認 | ○ | |||
| ②ＡＣＴＣ送信停止の確認 －最大送信回数 | ○ | |||
| ③ＡＣＴＣ送信停止の確認 －ＡＣＰＩ | ○ | |||
| ④ＡＣＴＣ送信停止の確認 －ＦＣＭＣ | ○ | |||
| ⑤ＢＳＴの受信 | ○ | |||
| ⑥ＶＳＴの送信 | ○ | |||
| ⑦終了手順１ | ○ | |||
| ⑧終了手順２ | ○ | |||
| ⑨データ送受信 | ○ | |||
| ⑩データ送受信 －連続 | ○ | |||
| ⑪データ送受信 －重複リジェクト機能 | ○ | |||
| ⑫データ送受信 －ＯＢＥ再送機能 | ○ | |||
| ⑬データ送受信 －ＯＢＥ再送要求機能 | ○ | |||
| ⑭ＷＣＮＣ送信機能 | ○ | |||
| 動的動作試験 | ○ | ｏｐｔＥ | ||
| ①通常走行試験 | ||||
| ②低速走行試験 | ||||
| ③高速走行試験 | ||||
| 上記試験の各々に対し | ||||
| ａ．理想パターン －ＯＢＥ最大入力 | ||||
| ｂ．理想パターン －ＯＢＥ最小入力 | ||||
| ｃ．実パターンＡ | ||||
| ｄ．実パターンＢ | ||||
| ｅ．隣接車線走行パターン | ||||
| ｆ．シャドウウイングパターン |
ＥＴＣテスタＭＥ8800
ＥＴＣテスタＭＥ8800は、自動車整備会社やカーディーラでのＯＢＥ取り付け後の最終検査、あるいはトラブル対応を主目的としているため小型化されているが、基本的には料金所に設置されたＲＳＵと同等の機能・性能を有している。
したがって、5.8GHzという非常に高い周波数のマイクロ波回路技術と通信プロトコルを処理するディジタル回路技術および高度なソフトウェア技術が要求されている。
小型化のため、ディジタル回路はＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）に集積した。また、送信電力が小さいためスプリアスの抑制には特別の注意が払われ、受信感度を高めるため十分な雑音対策が施されている。
当初、郵政省との打ち合せでは、電波法の適用外である微弱電波（35μV/ｍ＠3ｍ）しか認められないということだった。そこで、実験を重ね、かついろいろ検討した結果、どうしても微弱電波では通信は無理であるという結論に達した。
当社は、郵政省の本省にレポートを提出するなど7ヶ月を費やして実験局としての取り扱いではあるが許可を得、本省からは事務連絡事項として各地方電気通信管理局に通知された。その後、関東電気通信管理局と打ち合せをして実験局開設のためのルールづくりをした。手初めに当社が第１号として、正式に2000年7月24日付けで免許を受けた。また、国に代わって実験局の検査を行うことのできる第三種点検事業（認定番号 関三第0083号）の資格も併せて取った。したがって、実験局開設申請から検査まで一貫して当社が作業することができる体制を整えている。
現在、ＯＢＥメーカ、自動車メーカ、カーナビメーカから開発用および生産ライン向けとして受注を受け、実験局申請を行っている。
- 試験方法・内容がテスタとして十分である
ＥＴＣテスタは、料金所に設置されたＲＳＵと基本的に同じ機能を備えなければならず、しかも小型でなければならない。そこで、ＡＲＩＢ規格で決められた基本接続試験のプロトコルを実行している。 - 送信電力が0.4mWと非常に小さい
送信電力を小さくすると、機器内で発生するスプリアスにより通信エラーが発生する。しかしこれを0.4mWまで下げた。それでも約3mの通信距離を確保している。検査には十分な距離である。 - 電波法へ対応しているので屋外で自由に使用できる
本器において最も重要な点は、ＥＴＣテスタは電波を発射するため、電波法にのっとる必要があるということである。当初、電波法の適用外である微弱電波で実験を進めたが、5.8GHzという高い周波数のため空間減衰が大きく不可能という結論に達した。その旨を郵政省に伝え、レポートの提出などにより、0.4mW送信電力で了承された。これにより本器は室外で自由に使用することができる。 - 小型・ハンディで取り扱いが容易である
電源コードやアンテナケーブルなどが全くない完全な１ピースなので、取り扱いが簡単である。電源は単三電池２本で動作し、400～500回の試験ができる。しかもＷ150×Ｈ110×Ｄ35mm、300gと小型・軽量である。 - 操作が非常に簡単である
自動車の検査員や整備員が現場で使用することを考え、操作はスタートボタンを押すだけとした。スタートボタンを押すと自動的に電源がオンして試験を始め、試験結果をランプとブザー音で知らせた後５秒後に自動的に電源がオフとなる。電池の消費量の節約にもなる。
ブロック図を図２に示した。
ＥＴＣテスタＭＥ8800現在の用途としては､表３のとおりである。 市場規模については、自動車整備商工組合関連（自動車会社系ディーラ含む）20,000台、ＯＢＥメーカ500台、自動車メーカ1,000台、カーナビメーカ200台、カー用品店500台、高速道路公団1,000台、そのほか500台の合計23,700台と予想している。将来的には、現在審議されているＤＳＲＣ（狭域通信）への応用、あるいは東京都の交通規制に関するＥＴＣの利用等が考えられ、市場はますます広がるものと予測している。
| 用途 | 使用分野名 |
|---|---|
| ＯＢＥを自動車に取り付けた後の最終検査 | 自動車整備商工組合、自動車メーカ（ＥＴＣ内蔵車） |
| ＯＢＥ製造時の出荷検査 | ＯＢＥメーカ、カーナビメーカ |
| トラブル対応 | 高速道路公団、ＯＢＥメーカ |
| ＯＢＥソフト開発時の 簡易チェッカ | ＯＢＥメーカ、カーナビメーカ、自動車メーカ |
バーストBER測定
ＢＥＲ（ビットエラーレート）測定は、受信感度、隣接波選択度、スプリアスレスポンスの試験において行われている。しかし、これらの試験では連続ＰＮ15段信号が用いられている。したがって、実際の通信状態であるキャリアオフ状態が含まれていない。
そこで、実際の通信を行わせ、受信感度測定と同じ方法で試験を行う。図３に、ＭＥ8600システムにおけるバーストＢＥＲ測定のブロック図を示した。被試験物はＯＢＥであり、比較データサイズは最大128Kバイトである。
被試験物がＯＢＥの時は、下りＢＥＲ測定になるのでサーキュレータによって上り、下りラインに分離し下りラインにのみプログラマブル減衰器を挿入している。上りはストレートに通している。さもないと、ＯＢＥとＲＳＵのどちらを試験しているのか明確にならないからである。また、ＯＢＥからはＢＥＲ測定のためにＲｘＣ信号とＲｘＤ信号を取り出す必要がある。バーストＢＥＲ測定では実際の通信の代わりに図４に示すようにＰＮ15段データを使う方法もある。
| 比較データサイズ | 128ｋバイト（最大） |
|---|---|
| 測定時間 | 1～4,096秒、1秒ステップ設定 |
| トリガパターン | 8～32ビット、8ビットステップ設定 |
| エラーレート | 2.3×10-10（最小） |
動的動作試験とマルチパス問題
別名、電力パターン試験である。ＡＲＩＢ ＴＲ-Ｔ8では表２の内容が規格化されている。図５には、代表的な実パターンＡのパターン図を示した。この試験はＯＢＥとＲＳＵの間の空間の状態をシミュレーションしている。
例えば、実パターンＡではＯＢＥとＲＳＵ間の距離が近付きそして遠ざかっていく、かつその間に障害物（鳥やゴミなど）で電波が遮断される様子をシミュレートしている。ＭＥ8500とＭＥ8600では表２で示す電力パターンでの動的動作試験を行っている。
しかし、以前から指摘されており、さらにモニタ期間中にさらに鮮明にクローズアップされたのが、電波のマルチパスによる誤動作問題である。これは、料金所の屋根(ただし、屋根のない料金所もある）や雨による水溜り（路面が鏡面状となる）、あるいは雪により電波が乱反射して、いろいろなルートを通ってＯＢＥあるいはＲＳＵアンテナに到来する現象である。
簡単にいえば、テレビ電波がビルによって反射して映像が2重、3重に映る現象である。マルチパス現象が発生すると、位相差の異なる多重信号が入力されるため、本来の信号が正しく復調されなくなってしまう。
そこで、図６に示したブロック図を構成し、高速プログラマブルアッテネータＭＡＴ800（写真５参照）にマルチパス現象の発生しやすいいくつかの料金所の電力パターンを入力してＯＢＥの試験を行う。
ＭＡＴ800は、128Ｋワードのプログラムメモリを内蔵し、最高2μs/ワードで読み出すことができる。プログラムメモリのデータは減衰量プログラム作成ソフトを使い、Windowsパソコン上で簡単に作成することができる。作成した波形データをＭＡＴ800に転送して使用する。サーキュレータは、ＯＢＥからＲＳＵへの上り信号には電力パターンを加えないようパスさせるために挿入されている。さもなければ、試験にＭＥ8800（改）の性能も加味されてしまうからである。
また、ＭＥ8661（写真６参照）はＷ820×Ｈ500×Ｄ500ｍｍの電波暗箱であり、電波吸収体、銅板、アルミ板の3重構造となっている。また、2～18ＧＨｚ帯域の右旋円偏波アンテナ（写真７参照）が装着されている。ＭＥ8800（改）はＥＴＣテスタＭＥ8800を同軸接続タイプに改造したものである。
受信感度検査システム
ＯＢＥの生産ラインでは、2つの重要な調整項目がある。一つは、送信出力電力であり、申請値（10ｍＷ以下）の＋50％以内でなければならない。申請値が±10dBm（10ｍＷ）とすると、－3.01/＋1.76dB以内とする必要がある。もう一つは受信感度で、－60dBm以下でなければならない。また、この時、ＢＥＲ値は1×10－5以下である必要がある。
さらに、無応答入力規格を満足させる必要がある。この規格は、ＯＢＥは－70.5dBm eirp以下の入射電力ではＲＳＵからの通信に応答しないことである。
この２つの調整項目のうち送信出力電力については、設計基準を厳しく設定すれば信号レベルも高いのでセット間バラツキも少なく、無調整で大丈夫かもしれない。しかし、受信感度は入力レベルも小さくセット間バラツキも大きくて無調整というわけにはいかない。また、ＢＥＲ測定において、判定ＢＥＲ値を1×10－5の1点あるいは狭く取ると、測定時間が非常に長くなって生産ラインでは使えなくなってしまう。
そこで、ＢＥＲ値と入力レベル変化ステップにある程度の幅をもたせざるを得ないが、こうすることにより受信感度は実力値より悪化して測定されることになる。無応答入力規格についても同様のことがいえる。したがって、受信感度と無応答入力との差10.5dBはラフな値のようであるが、意外と厳しい数字である。
そこで、ＥＴＣ車載器受信感度検査システムとして以下の内容で提案している。
ＥＴＣ車載器受信感度検査システムのブロック図を図７に示した。本システムは、ＭＥ8800を内蔵した送受信装置と高速プログラマブルアッテネータＭＡＴ800/Ｂ、送信および受信パッチアンテナを内蔵し、被試験ＯＢＥを入れる電波暗箱ＭＥ8661、平均値電力計およびパソコンから構成されている。
ＲＳＵサイドとして、ＲＳＵシミュレータＭＥ8610を使用してもよいが、システム価格を下げるためＭＥ8800を使用した。受信感度の設定分解能は標準0.5dB（ただし設定により0.05dBまで可能）である。送信電力値の安定化のために、１台のＯＢＥを測定するごとに１回、平均値電力計で送信パッチアンテナへ供給される電力を測定し、ＯＢＥの受信レベルが設定電力となるようにＭＡＴ800を自動的に設定している。平均電力が測定されるときは、ＭＥ8800はＰＮ15段に設定されている。
受信感度校正、つまり被試験ＯＢＥの受信レベルを校正するために、ＯＢＥを置く位置に基準パッチアンテナを置き、その出力をピーク電力計で測定し、その測定データをパソコンに入力することによって、校正データが作られる。
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