CN113052987A - 一种基于直接变频的rsu的相控阵发射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：包括RSU处理器模块、FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、DAC模块、CLK模块、LPF模块、正交直接变频模块、LO本振模块、PA模块、天线阵列模块，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、所述DAC模块、所述LPF模块、所述正交直接变频模块、所述PA模块和所述天线阵列模块依次连接，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统实现对相位和幅值的无级调整，对发射波束精确控制，减少ETC邻道干扰和跟车干扰，并降低RSU的物料成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种相控阵发射系统，尤其涉及一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统。
背景技术
ETC：( Electronic Toll Collection ) 不停车收费系统是目前世界上最先进的路桥收费方式，通过安装在车辆挡风玻璃上的车载电子标签与在收费站 ETC 车道上的微波天线之间的微波专用短程通讯，扣取用户卡上的金额或利用计算机联网技术与银行进行后台结算处理，从而达到车辆通过路桥收费站不需停车而能交纳路桥费的目的，ETC是先进的电子收费技术，目前主要应用在匝道出入口和主线标识站，均为封闭式高速公路收费场景下的ETC应用模式，随着国家高速公路政策的改革，提供更快的通行速度和更高的通行效率己是迫在眉睫，自由流高速公路收费模式通过建设虚拟主线路侧单元站，从而具有较高的通行效率和优良的通行服务体验。
OBU：（即On board Unit的缩写），直译就是车载单元的意思，就是采用DSRC（Dedicated Short Range Communication）技术，与RSU进行通讯的微波装置，在ETC系统中，OBU放在车上，路边架设路侧单元（RSU-Road Side Unit），相互之间通过微波进行通讯，车辆高速通过RSU的时候，OBU和RSU之间用微波通讯。
RSU：是Road Side Unit的英文缩写，直译就是路侧单元的意思，是ETC系统中，安装在路侧，采用DSRC（Dedicated Short Range Communication）技术，与车载单元（OBU，OnBoard Unit）进行通讯，实现车辆身份识别，电子扣费的装置。
随着ETC的应用推广，ETC并行车道越来越多，ETC邻道干扰和跟车干扰问题突出，一直困扰着ETC的发展，为了更好的对RSU的发射波束范围动态控制，出现了模拟相控阵发射波束扫描技术，该相控阵发射波束扫描是通过控制多通道5.8G频段射频信号的相位和幅度来实现的，控制相位使用的是移相器，控制幅度使用的衰减器；然而，5.8G频段移相器和衰减器价格都很贵，并且每个通道都需要使用，这大大增加了RSU的物料成本。
另外，移相器和衰减器都是通过有限的阶梯（通常小于或等于64级）对信号进行移相和衰减，无法实现无级移相和无级调幅，因此难以做到对波束精确调整，为了解决上述技术问题，本申请提供一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统。
发明内容
基于现有技术的不足，本发明提供一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：包括RSU处理器模块、FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、DAC模块、CLK模块、LPF模块、正交直接变频模块、LO本振模块、PA模块、天线阵列模块，所述RSU处理器模块实现对所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块的参数配置，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、所述DAC模块、所述LPF模块、所述正交直接变频模块、所述PA模块和所述天线阵列模块依次连接，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块用于将所述基带信号产生大于或等于两条通道的数字矢量基带信号，所述正交直接变频模块把模拟基带信号直接变频到5.83GHz或5.84GHz的射频信号。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块设置ASK调制系数，把所述二进制基带信号转换成多位数值表示的基带幅值，且要求所述ASK调制系数的范围在0.7到0.9之间；生成复数基带；通道幅相校准、动态波束扫描控制。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块还包括FIR滤波模块和HB滤波模块，所述FIR滤波模块为多相FIR滤波器，所述HB滤波模块为半带内插滤波器。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述DAC模块把多通道数字基带信号转换成模拟基带信号。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述CLK模块产生所述DAC模块转换所需的时钟信号，各通道的所述DAC模块共用同一所述时钟信号。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述LPF模块包括基带低通滤波器，所述基带低通滤波器为单级或多级滤波器的组合。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述LO本振模块用于生成所述正交直接变频模块所需的本振信号，所述PA模块将所述正交直接变频模块变频后的射频信号放大。
作为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的改进，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述天线阵列模块由两个或两个以上独立的微带天线阵组成，所述天线阵列模块把射频信号变成可以在自由空间传播的电磁波。
与现有技术相比较，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统具有以下有益效果：由于采用所述正交直接变频模块，所述正交直接变频模块能够把模拟基带信号直接变频为5.83GHz或5.84GHz的射频信号，所述正交直接变频模块的发射架构、电路简单，省去了中频相关电路，减少了PCB板面积，降低了物料成本；由于采用所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块将所述二进制基带信号转换为多位数值表示的基带信号再转换为复数基带信号，是通过复数乘法的方式来实现了无级移相和无级调幅，从而使得波束控制更精确，更好的解决了ETC邻道干扰和跟车干扰问题，并且省去了昂贵的射频移相器，降低了RSU的物料成本。
附图说明
图1为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统优选实施例的所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统框图。
图2为本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统优选实施例的所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块处理流程图。
具体实施方式
本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统主要适用于ETC。
参考图1和图2，下文将详细描述本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统。
本实施例中的一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统包括RSU处理器模块、FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、DAC模块、CLK模块、LPF模块、正交直接变频模块、LO本振模块、PA模块、天线阵列模块，所述RSU处理器模块实现对所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块的参数配置，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、所述DAC模块、所述LPF模块、所述正交直接变频模块、所述PA模块和所述天线阵列模块依次连接，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块用于将所述基带信号产生大于或等于两条通道的数字矢量基带信号，所述正交直接变频模块把模拟基带信号直接变频到5.83GHz或5.84GHz的射频信号，所有通道共用所述LO本振模块的同一个LO本振信号。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块设置ASK调制系数，把所述二进制基带信号转换成多位数值表示的基带幅值，且要求所述ASK调制系数的范围在0.7到0.9之间；生成复数基带；通道幅相校准、动态波束扫描控制。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块还包括FIR滤波模块和HB滤波模块，所述FIR滤波模块为多相FIR滤波器，并可实现插值，所述多相FIR滤波器的带宽设置为小于2.5MHz，所述HB滤波模块为半带内插滤波器，可以为多级HB滤波器级联的形式，实现内插滤波，使数字基带更平滑。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述DAC模块把多通道数字基带信号转换成模拟基带信号。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述CLK模块产生所述DAC模块转换所需的时钟信号，各通道的所述DAC模块共用同一所述时钟信号。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述LPF模块包括基带低通滤波器，所述基带低通滤波器为单级或多级滤波器的组合，例如三阶巴特沃斯低通滤波器和单极低通滤波器的组合，滤波器的带宽设置为小于2.5MHz。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述LO本振模块用于生成所述正交直接变频模块所需的本振信号，当选用信道0时，本振信号频率为5.83GHz；当选用信道1时，本振信号频率为5.84GHz，所述PA模块将所述正交直接变频模块变频后的射频信号放大，本实施例中选用增益可调的PA使得输出功率动态范围为0dBm-33dBm。
在本实施例中，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的所述天线阵列模块由两个或两个以上独立的微带天线阵组成，所述天线阵列模块把射频信号变成可以在自由空间传播的电磁波。
在本实施例中，所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统的工作流程如下：
第一步，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块的处理流程如下，如图2所示：
1、所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号。
2、设置ASK调制系数：把二进制基带信号转换成多位数值表示的基带幅值，且要求调制系数的范围在0.7到0.9之间：
高电平时：base = Hbase
低电平时：base = Lbase
调制系数满足：0.7 < (Hbase – Lbase)/(Hbase + Lbase) < 0.9
3、生成复数基带，为了简化计算，可以取虚部或实部为0的特殊值:
Ib = base Qb = 0
或：
Ib =0 Qb = base
4、通道幅相校准、动态波束扫描控制：用于把上述生成的复数基带信号生成多通道复数基带信号，并用复数乘法实现各通道基带信号的相位和幅值控制。
通道幅相校准用于校正由于各通道元件及制造工艺造成的偏差；动态波束扫描算法用于根据期望波束发射方向、天线阵列的空间分布、各通道幅相校准的校准矢量，计算推导出各通道的控制矢量W1、W2、……、Wn，各通道的控制矢量分别与复数基带（Ib、Qb）信号复数相乘，得到相应通道的基带矢量，由于是通过复数乘法来实现相位和幅值控制，可以实现无级移相和无级调幅，使波束控制更精确。
所述FIR滤波模块为多相FIR滤波器，并可实现插值，FIR滤波器的带宽设置为小于2.5MHz。
所述HB滤波模块是半带内插滤波器，可以为多级HB滤波器级联的形式，实现内插滤波，使数字基带更平滑。
第二步，所述CLK模块产生所述DAC模块转换所需的时钟信号，所述DAC模块将多通道数字基带信号转换成模拟基带信号，且各通道的DAC共用同一时钟信号。
第三步，所述LPF模块进行滤波，LPF滤波器的带宽设置为小于2.5MHz。
第四步，所述正交直接变频模块把模拟基带信号直接变频到5.83GHz/5.84GHz的射频信号。并且，所有通道共用同一个LO本振信号。
第五步，所述PA模块用于对5.83GHz/5.84GHz的射频信号放大。
第六步，所述天线阵列模块由两个或两个以上独立的微带天线阵组成，所述天线阵列模块把放大后的射频信号变成可以在自由空间传播的电磁波。
与现有技术相比较，本发明基于直接变频的RSU的相控阵发射系统具有以下有益效果：由于采用所述正交直接变频模块，所述正交直接变频模块能够把模拟基带信号直接变频为5.83GHz或5.84GHz的射频信号，所述正交直接变频模块的发射架构、电路简单，省去了中频相关电路，减少了PCB板面积，降低了物料成本；由于采用所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块将所述二进制基带信号转换为多位数值表示的基带信号再转换为复数基带信号，是通过复数乘法的方式来实现了无级移相和无级调幅，从而使得波束控制更精确，更好的解决了ETC邻道干扰和跟车干扰问题，并且省去了昂贵的射频移相器，降低了RSU的物料成本。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (8)
1.一种基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：包括RSU处理器模块、FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、DAC模块、CLK模块、LPF模块、正交直接变频模块、LO本振模块、PA模块、天线阵列模块，所述RSU处理器模块实现对所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块的参数配置，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块通过IO接收所述RSU处理器模块的二进制基带信号，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块、所述DAC模块、所述LPF模块、所述正交直接变频模块、所述PA模块和所述天线阵列模块依次连接，所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块用于将所述基带信号产生大于或等于两条通道的数字矢量基带信号，所述正交直接变频模块把模拟基带信号直接变频到5.83GHz或5.84GHz的射频信号。
2.根据权利要求1所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块设置ASK调制系数，把所述二进制基带信号转换成多位数值表示的基带幅值，且要求所述ASK调制系数的范围在0.7到0.9之间；生成复数基带；通道幅相校准、动态波束扫描控制。
3.根据权利要求2所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述FPGA数字矢量基带信号产生及波束扫描算法模块还包括FIR滤波模块和HB滤波模块，所述FIR滤波模块为多相FIR滤波器，所述HB滤波模块为半带内插滤波器。
4.根据权利要求3所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述DAC模块把多通道数字基带信号转换成模拟基带信号。
5.根据权利要求4所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述CLK模块产生所述DAC模块转换所需的时钟信号，各通道的所述DAC模块共用同一所述时钟信号。
6.根据权利要求5所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述LPF模块包括基带低通滤波器，所述基带低通滤波器为单级或多级滤波器的组合。
7.根据权利要求6所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述LO本振模块用于生成所述正交直接变频模块所需的本振信号，所述PA模块将所述正交直接变频模块变频后的射频信号放大。
8.根据权利要求7所述基于直接变频的RSU的相控阵发射系统，其特征在于：所述天线阵列模块由两个或两个以上独立的微带天线阵组成，所述天线阵列模块把射频信号变成可以在自由空间传播的电磁波。
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