CN107104682A - 一种多通道数字一体化的etc路侧单元收发系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其包括频率源、上行链路、下行链路、校正通道、信号处理及控制模块。上行链路接收到的回波信号，经过上行链路的超外差接收机下变频至中频信号，送至上行链路的多通道中频数字下变频，经过数字化处理和数据融合送至信号处理及控制模块进行信息处理及数字波束形成。下行链路产生包含调制信息的发射信号，通过下行链路天线发射至车载电子标签，校正通道校正上行链路多通道幅度与相位一致性。其中上行链路中接收机的本振、DDC及FPGA工作时钟等基准信号、以及下行链路发射信号时或校正时的参考信号均由频率源产生。本发明能有效抑制邻道干扰和跟车干扰、实现多车道多目标的识别。

Description

一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统
技术领域
本发明涉及应用于不停车收费系统的专用短距离通信(dedicated short rangecommunication，简称DSRC)技术，特别涉及一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，可用于公路电子收费，车辆识别及交通管理等领域。
背景技术
智能化交通运输系统(intelligent transport system，简称ITS)集成了通信、控制、信息处理等先进的技术使得我们以往熟悉的交通运输系统成为一个立体化、智能化、信息化的崭新智能交通系统。电子不停车收费系统(Electronic Toll Collection，简称ETC)是ITS的主要服务内容之一，ETC系统是利用微波技术、电子技术、计算机技术、通信和网络技术等所组成的先进系统，实现车辆无需停车即可自动收取道路通行费用。DSRC技术为ETC系统的实现提供了解决途径，现有ETC系统采用主动通信方式，RSU发射天线和接收天线分置，当RSU向OBU发射询问信号后，OBU利用自身的电池能量发射数据给RSU。OBU即On boardUnit的缩写，直译就是车载单元的意思，就是采用DSRC技术，与RSU进行通讯的微波装置。
现有ETC专用车道的技术条件下，“跟车干扰”和“邻道干扰”是常见问题。要解决相关干扰，从而避免由此引起的收费纠纷，需要在进行通信的同时，准确确定通信车辆位置。
发明内容
本发明的目的就在于，提供一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其与OBU(On-Board Unit，车载电子标签)；进行短程通信的同时，能通过对多通道数字波束信息的处理可获得通信车辆位置，并抑制无用干扰。
本发明的解决方案是：一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其包括频率源、上行链路、下行链路、连接在该上行链路与该下行链路之间的信号处理及控制模块：其中，
该频率源用于产生一本振信号、二本振信号、时钟信号、射频信号；
该上行链路包括功分模块、时钟功分模块、多通道一体化的超外差模拟接收机模块、多通道一体化的中频数字化接收机模块；该功分模块包括将该一本振信号一分n的一本振功分器和该二本振信号一分n的二本振功分器，n为大于1的正整数；该时钟功分模块将该时钟信号一分多而输出多路采样时钟；该超外差模拟接收机模块包括多个超外差模拟接收机，每个超外差模拟接收机具有n个通道，每个通道根据一个一分n的一本振信号和一个一分n的二本振信号，将接收的回波信号转换为比相应回波信号的频率低的中频信号；该中频数字化接收机模块包括多个中频数字化接收机和一个数据处理及融合器，该多个中频数字化接收机与多个超外差模拟接收机相对应，每个中频数字化接收机在该采样时钟的控制下将相应超外差模拟接收机的n通道的中频信号转换成数字I/Q基带信号，该数据处理及融合器将多个数字I/Q基带信号转换为串行输出的光纤信号；
该信号处理及控制模块根据该光纤信号输出接收回传数据至地面设备；该信号处理及控制模块还控制该频率源，且在该采样时钟的控制下根据该地面设备的发射控制指令输出发射基带信号、工作模式切换信号、增益控制信号；
该下行链路包括发射链路、在发射链路和校正通道之间切换的切换模块；该发射链路包括ASK调制模块、功率放大模块，该校正通道包括信号放大模块；该切换模块根据该工作模式切换信号在发射链路和校正通道之间择一选通，使来自频率源的射频信号或送至该校正通道，经过该信号放大模块进行校正信号放大；或送至该发射链路，经过该ASK调制模块将该光纤信号的基带信号调制到该射频信号中生成ASK调制信号，该ASK调制信号在该增益控制信号的控制下，经过该功率放大模块的功率放大形成该下行链路的发射信号。
作为上述方案的进一步改进，每个超外差模拟接收机的每个通道包括预选滤波器、低噪声放大器、可控衰减器、第一级下变频器、放大器一、镜像抑制滤波器、第二级下变频器、放大器二、匹配带宽滤波器；该回波信号经过该预选滤波器滤除多余干扰杂波信号，送至该低噪声放大器进行放大，再经过该可控衰减器进行增益控制，进入该第一级下变频器以与一分n后的一本振信号进行混频产生一中频信号，经过该放大器一的放大、该镜像抑制滤波器的滤波后，进入该第二级下变频器以与一分n后的二本振信号进行混频产生二中频信号，经过该放大器二的放大、该匹配带宽滤波器的滤波后最终输出上述比相应回波信号的频率低的中频信号。
作为上述方案的进一步改进，该功分模块为一体化形式的双面共金属衬底本振功分器，上下两面分别为该一本振功分器和该二本振功分器。
作为上述方案的进一步改进，n取8，该一本振功分器和该二本振功分器结构相同，均包括1︰2集成功分器和两个1︰4集成功分器；本振信号先通过相应的1︰2集成功分器一分二后，再分别通过两个1︰4集成功分器一分四，最终实现本振信号的一分八。
作为上述方案的进一步改进，每个中频数字化接收机包括数模转换器、数控振荡器、两个数字下变频器、两个滤波器；该中频信号经过该数模转换器转换至数字信号，在受控于该采样时钟的该数控振荡器的控制下，分别经过该两个数字下变频器的数字下变频、该两个滤波器的滤波后得到数字I基带信号和数字Q基带信号。
作为上述方案的进一步改进，该数据处理及融合器包括高速并串转换单元和波束成形单元，该多个数字I/Q基带信号通过该高速并串转换单元由并行传输转换为串行传输，再通过该波束成形单元生成该光纤信号。
作为上述方案的进一步改进，该发射链路还包括下行链路天线；该下行链路的发射信号通过该下行链路天线发射。
作为上述方案的进一步改进，该校正通道还包括校正通道天线；该射频信号经过该信号放大模块输出至该校正通道天线发射。
作为上述方案的进一步改进，该功率放大模块包括前级功率放大器、末级功率放大器、受控于该增益控制信号的增益控制电路；该ASK调制信号经过该增益控制电路调动幅度，并依次通过该前级功率放大器、该末级功率放大器的两级功率放大后形成该下行链路的发射信号。
作为上述方案的进一步改进，该上行链路还包括接收该回波信号的上行链路天线阵列。
本发明为数字阵列RSU的核心组成部分，用于实现空间射频信号至多通道数字波束信息的转换，数字阵列RSU是利用数字阵列接收天线和数字波束形成的技术，本发明基于接收同时多波束方法，通过将车道内天线识别区划分为前后左右若干小区域，使在同一时刻接收车道识别区内若干个小区域的OBU信号，从而提高空间分辨率，与传统的RSU相比，可以达到抑制邻道干扰和跟车干扰等噪声、提高抗干扰能力、提高多车辆识别率、实现多车道多目标快速识别等目标。而且本发明的系统高度集成，功能拓展、软件升级将更为方便。
附图说明
图1是本发明多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统的工作示意图。
图2是本发明多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统的结构框图。
图3是图2中的超外差模拟接收机的单通道的结构框图。
图4是图2中的功分模块的结构框图。
图5是图2中的中频数字化接收机的结构框图。
图6是图2中的下行链路的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在现有的ETC系统中，大部分采用的是单收单发的方式来完成OBU与RSU之间的通讯。RSU接收的信息中，未包含所接收的OBU的位置信息，无法识别所接收信号的方向和位置，因此也无法解决现有ETC系统中存在的“跟车干扰”和“邻道干扰”问题。为了解决以上问题，需为ETC系统增加位置识别功能，即在进行通信的同时，确定通信对象的位置。
为此，开发数字阵列ETC系统来解决此问题，数字阵列ETC系统工作示意图见图1。本发明的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统为数字阵列RSU的核心组成部分，用于实现空间射频信号至多通道数字波束信息的转换，数字阵列RSU是利用数字阵列接收天线和数字波束形成的技术，Road-Side Unit，简称RSU，或称数字阵列RSU。数字阵列RSU通过专用电源及接口盒实现与计算机的连接，其可采用普通的RS232电缆实现通讯。
请结合图2，ETC路侧单元收发系统主要包括五个部分：频率源1、上行链路2、下行链路3、校正通道32、连接在上行链路2与下行链路3之间的信号处理及控制模块4、以及给各部分供电的电源5。
频率源1用于产生本振信号、各种基准信号和通道校正信号，并可通过外部控制在不同信道间切换。在本实施中，频率源1用于产生一本振信号、二本振信号、时钟信号、射频信号。
上行链路2包括功分模块21、时钟功分模块22、多通道一体化的超外差模拟接收机模块23、多通道一体化的中频数字化接收机模块24、上行链路天线阵列25。时钟功分模块22将该时钟信号一分多而输出多路采样时钟。
功分模块21包括将该一本振信号一分n的一本振功分器211和该二本振信号一分n的二本振功分器212，n为大于1的正整数。功分模块21最好为一体化形式的双面共金属衬底本振功分器，上下两面分别为一本振功分器211和二本振功分器212。
在本实施例中，如图3所示，n取8，一本振功分器211和二本振功分器212结构相同，均包括1︰2集成功分器213和两个1︰4集成功分器214。本振信号先通过相应的1︰2集成功分器213一分二后，再分别通过两个1︰4集成功分器214一分四，最终实现本振信号的一分八。
超外差模拟接收机模块23包括多个超外差模拟接收机230，每个超外差模拟接收机230具有n个通道，每个通道根据一个一分n的一本振信号和一个一分n的二本振信号，将接收的回波信号(即空间射频信号)转换为比相应回波信号的频率低的中频信号。其中，该回波信号可通过上行链路天线阵列25接收。请结合图4，每个超外差模拟接收机230的每个通道包括预选滤波器231、低噪声放大器232、可控衰减器233、第一级下变频器234、放大器一235、镜像抑制滤波器236、第二级下变频器237、放大器二238、匹配带宽滤波器239。
该回波信号经过预选滤波器滤231除多余干扰杂波信号，送至低噪声放大器232进行放大，再经过可控衰减器233进行增益控制，进入第一级下变频器234以与一分n后的一本振信号进行混频产生一中频信号，经过该放大器一235的放大、镜像抑制滤波器236的滤波后，进入第二级下变频器237以与一分n后的二本振信号进行混频产生二中频信号，经过放大器二238的放大、匹配带宽滤波器239的滤波后最终输出上述比相应回波信号的频率低的中频信号。
中频数字化接收机模块24包括多个中频数字化接收机241和一个数据处理及融合器242。多个中频数字化接收机241与多个超外差模拟接收机230相对应，每个中频数字化接收机241在该采样时钟的控制下将相应超外差模拟接收机230的n通道的中频信号转换成数字I/Q基带信号，数据处理及融合器242将多个数字I/Q基带信号转换为串行输出的光纤信号。
请结合图5，每个中频数字化接收机241包括数模转换器243、数控振荡器244、两个数字下变频器245、两个滤波器246。该中频信号经过数模转换器244转换至数字信号，在受控于该采样时钟的数控振荡器244的控制下，分别经过两个数字下变频器245的数字下变频、两个滤波器246的滤波后得到数字I基带信号和数字Q基带信号。在本实施例中，中频数字化接收机241为8通道中频数字化接收机，可采用1个8通道模数转换器ADC芯片、1个大容量现场可编程逻辑阵列FPGA芯片来实现。
数据处理及融合器242可包括高速并串转换单元和波束成形单元。该多个数字I/Q基带信号通过该高速并串转换单元由并行传输转换为串行传输，再通过该波束成形单元生成该光纤信号。
上行链路2多通道一体化设计，属于模拟数字多通道一体化设计，在一个模块内部实现多通道一体化模拟接收机、多通道一体化数字接收机并且将二者级联。结构上，正面为8通道一体化模拟接收机，8个通道为共板一体化设计，背面为一体化本振功分模块、多通道中频数字化接收板、电源分配板，该结构布局紧凑，极大的提高了系统集成度。
信号处理及控制模块4根据该光纤信号输出接收回传数据至地面设备；该信号处理及控制模块4还控制该频率源，且在该采样时钟的控制下根据该地面设备的发射控制指令输出发射基带信号、工作模式切换信号、增益控制信号。信号处理及控制模块4对光纤信号的处理方式，并不是本发明的要点，本发明的要点是如何得到需要的光纤信号，至于对光纤信号的处理可根据实际情况而定，但是无论如何处理，最终信号处理及控制模块4都会把光纤信号的处理结果传送至地面设备，当然信号处理及控制模块4也可以直接将光纤信号回传至地面设备，交给地面设备进行处理。信号处理及控制模块4会将地面设备的发射控制指令解码出发射基带信号、工作模式切换信号、增益控制信号，如何解码发射控制指令也不是本发明的要点，这是本领域技术人员的常识，本发明只是利用根据地面设备的发射控制指令解码出的发射基带信号、工作模式切换信号、增益控制信号，来完成本发明的又一目的。
下行链路3包括发射链路31、在发射链路31和校正通道32之间切换的切换模块33(也即发射/校正切换模块)。请结合图6，发射链路31包括ASK调制模块310、功率放大模块311、下行链路天线316。校正通道32用于校正上行链路2的多通道幅度与相位的一致性，校正通道32包括信号放大模块320、校正通道天线315。
切换模块33根据该工作模式切换信号在发射链路31和校正通道32之间择一选通，使来自频率源的射频信号或送至该校正通道32，经过该信号放大模块320进行校正信号放大；或送至该发射链路31，经过该ASK调制模块310将发射基带信号调制到该射频信号中生成ASK调制信号，该ASK调制信号在该增益控制信号的控制下，经过该功率放大模块311的功率放大形成该下行链路的发射信号。
该功率放大模块311包括前级功率放大器312、末级功率放大器313、受控于该增益控制信号的增益控制电路314。该ASK调制信号经过该增益控制电路314调动幅度，并依次通过该前级功率放大器312、该末级功率放大器313的两级功率放大后形成该下行链路3的发射信号。
因此，下行链路3产生含有调制信息的ASK调制信号，经调幅且功率放大后送至下行链路天线316发射，在ETC系统中与OBU进行通信。在其他实施例中，下行链路3还可包括发射通断控制模块、BITE故障检测电路等。
综上所述，上行链路2主要由多通道一体化的超外差二次变频(即多通道一体化的超外差模拟接收机模块23)、一体化本振功分模块(即功分模块21)和多通道中频数字接收机(即多通道一体化的中频数字化接收机模块24)等组成。多通道一体化的超外差二次变频将接收的回波信号转换至较低频率的中频信号送入多通道中频数字接收机进行处理得到数字中频信号，经由高速数据接口送至下一步的信号处理。下行链路3用于产生含有调制信息的信号，经过功率放大送至发射天线，与OBU进行通信，主要由调制信号产生部分和功率放大部分组成。校正通道32将频率源发出的校正参考信号，经过放大送至校正天线，用于校正上行链路多通道幅度与相位一致性。频率源1用于产生系统工作所需的各种本振信号、发射信号、校正信号、时钟基准信号等，包括一本振、二本振、发射信号、校正信号、时钟信号，下行链路、校正通道与频率源采用进行整合一体化设计，并可通过外部控制来切换信道。
为了实现位置识别的功能，必须进行空间接收的信息进行对比分析，实现的方法有很多，可以通过多波束信号比幅估计通信对象的位置，也可以先利用多通道接收数据进行高分辨波达方向(direction of arrival，简称DOA)估计。因此，上行链路必须采用多通道接收的方式。本发明采用收、发分置，单发多收的方式，下行链路中发射通道为单通道设计，发射通道将信号处理送来的基带编码信息调制到载波频率，经过功率放大，将大功率射频信号送至发射天线，最终覆盖整个ETC车道通信区。上行链路的设计上，本发明中设计了高集成度数字一体化的接收模块，该模块中集成多个超外差模拟接收机，完成空间信号的接收，频率变换的功能，将较微弱、高频的射频信号转换至放大的、低频的中频信号，送至多通道中频数字化接收机进行数字化转换和数据融合。最终通过高速数据接口送至信号处理进行分析。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其包括频率源、上行链路、下行链路、校正通道、连接在该上行链路与该下行链路之间的信号处理及控制模块：其特征在于：
该频率源用于产生一本振信号、二本振信号、时钟信号、射频信号；
该上行链路包括功分模块、时钟功分模块、多通道一体化的超外差模拟接收机模块、多通道一体化的中频数字化接收机模块；该功分模块包括将该一本振信号一分n的一本振功分器和该二本振信号一分n的二本振功分器，n为大于1的正整数；该时钟功分模块将该时钟信号一分多而输出多路采样时钟；该超外差模拟接收机模块包括多个超外差模拟接收机，每个超外差模拟接收机具有n个通道，每个通道根据一个一分n的一本振信号和一个一分n的二本振信号，将接收的回波信号转换为比相应回波信号的频率低的中频信号；该中频数字化接收机模块包括多个中频数字化接收机和一个数据处理及融合器，该多个中频数字化接收机与多个超外差模拟接收机相对应，每个中频数字化接收机在该采样时钟的控制下将相应超外差模拟接收机的n通道的中频信号转换成数字I/Q基带信号，该数据处理及融合器将多个数字I/Q基带信号转换为串行输出的光纤信号；
该信号处理及控制模块根据该光纤信号输出接收回传数据至地面设备；该信号处理及控制模块还控制该频率源，且在该采样时钟的控制下根据该地面设备的发射控制指令输出发射基带信号、工作模式切换信号、增益控制信号；
该下行链路包括发射链路、在发射链路和校正通道之间切换的切换模块；该发射链路包括ASK调制模块、功率放大模块，该校正通道包括信号放大模块；该切换模块根据该工作模式切换信号在发射链路和校正通道之间择一选通，使来自频率源的射频信号或送至该校正通道，经过该信号放大模块进行校正信号放大；或送至该发射链路，经过该ASK调制模块将发射基带信号调制到该射频信号中生成ASK调制信号，该ASK调制信号在该增益控制信号的控制下，经过该功率放大模块的功率放大形成该下行链路的发射信号。
2.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：每个超外差模拟接收机的每个通道包括预选滤波器、低噪声放大器、可控衰减器、第一级下变频器、放大器一、镜像抑制滤波器、第二级下变频器、放大器二、匹配带宽滤波器；该回波信号经过该预选滤波器滤除多余干扰杂波信号，送至该低噪声放大器进行放大，再经过该可控衰减器进行增益控制，进入该第一级下变频器以与一分n后的一本振信号进行混频产生一中频信号，经过该放大器一的放大、该镜像抑制滤波器的滤波后，进入该第二级下变频器以与一分n后的二本振信号进行混频产生二中频信号，经过该放大器二的放大、该匹配带宽滤波器的滤波后最终输出上述比相应回波信号的频率低的中频信号。
3.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该功分模块为一体化形式的双面共金属衬底本振功分器，上下两面分别为该一本振功分器和该二本振功分器。
4.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：n取8，该一本振功分器和该二本振功分器结构相同，均包括1︰2集成功分器和两个1︰4集成功分器；本振信号先通过相应的1︰2集成功分器一分二后，再分别通过两个1︰4集成功分器一分四，最终实现本振信号的一分八。
5.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：每个中频数字化接收机包括数模转换器、数控振荡器、两个数字下变频器、两个滤波器；该中频信号经过该数模转换器转换至数字信号，在受控于该采样时钟的该数控振荡器的控制下，分别经过该两个数字下变频器的数字下变频、该两个滤波器的滤波后得到数字I基带信号和数字Q基带信号。
6.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该数据处理及融合器包括高速并串转换单元和波束成形单元，该多个数字I/Q基带信号通过该高速并串转换单元由并行传输转换为串行传输，再通过该波束成形单元生成该光纤信号。
7.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该发射链路还包括下行链路天线；该下行链路的发射信号通过该下行链路天线发射。
8.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该校正通道还包括校正通道天线；该射频信号经过该信号放大模块输出至该校正通道天线发射。
9.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该功率放大模块包括前级功率放大器、末级功率放大器、受控于该增益控制信号的增益控制电路；该ASK调制信号经过该增益控制电路调动幅度，并依次通过该前级功率放大器、该末级功率放大器的两级功率放大后形成该下行链路的发射信号。
10.如权利要求1所述的多通道数字一体化的ETC路侧单元收发系统，其特征在于：该上行链路还包括接收该回波信号的上行链路天线阵列。
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