CN114663990B - 一种适用于etc天线提升灵敏度的中频合路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，包括以下步骤：从相控阵天线N个独立的接收通道同时获得数字中频信号；在数字信号处理模块内，固定第一个接收通道数据的延迟不变，分别调整其他通道的延迟；将调整延迟后的信号序列分别与第一个通道的接收信号计算相关系数，取出相关系数最大的序列；将第一个通道的数字信号与其他各个通道经过延迟后相关系数最大的序列直接求和；将求和的数据作为解调模块的输入信号，即得到了灵敏度的稳定提升。本发明通过调整各个通道的延迟使得各个通道的数字信号序列的相关系数达到最大，从而实现各个数字信号的相位相同或相近，提升灵敏度。

Description

一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法

技术领域

本发明涉及ETC相控阵天线技术领域，具体为一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法。

背景技术

目前高速路出入口车道上大量使用ETC相控阵天线。相控阵天线工作在接收模式时需要同时完成对来波信号的解调和来波方向的定位的功能。

相控阵定位功能通常是由N个天线阵子分别与N个下变频接收通道相连接，然后再由N路ADC将其采样转化为数字信号送入数字信号处理模块来完成的，如图1所示：由于这N个通道接收到的信号都来源于一个OBU，但OBU与各个天线阵子的相对位置不同，因而接收到的信号到达每个通道的下变频模块的信号只是载波相位不同。又由于载波相位的不同对后级的解调模块不造成影响，因此选择任意一个通道可得到相同的解调灵敏度。

在实际应用中为了提高天线与OBU通信的成功率，需要进一步提高天线的解调灵敏度。由于OBU的位置在不停的变化，各个下变频通道的载波的相位也在不停的变化，因此解调后的数字中频信号的相位也在不停的变化。如果在数字信号处理模块通过把N个通道的中频信号直接相加，那么得到是N个不同相位的中频信号的和，根据矢量和的法则得到的信号幅度必定时而大时而小，无法保证灵敏度稳定地提高。

对于数字处理模块来说载波相位不同只是各个接收通道接收到的有用信号的延时不同，因此需要在数字信号处理模块调整各个通道信号的延时，使得各个数字中频信号的相位相同就可以实现灵敏度的提升。

目前为了实现两个序列相位相同的常用方法是使用数字锁相环技术，但是数字锁相环结构复杂，且信号的输出存在较大的延时。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，通过相关系数最大化和中频合路的方法实现灵敏度稳定提升，无需通过新增硬件电路，避免使用数字锁相环等复杂且延时大的数字信号处理技术，通过使用内积的计算代替相关系数以降低数字信号处理的复杂度，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，包括以下步骤：

步骤1)：从相控阵天线N个独立的接收通道同时获得数字中频信号；

步骤2)：在数字信号处理模块内，固定第一个接收通道数据的延迟不变，分别调整其他通道的延迟；

步骤3)：将调整延迟后的信号序列分别与第一个通道的接收信号计算相关系数，取出相关系数最大的序列；

步骤4)：将第一个通道的数字信号与其他各个通道经过延迟后相关系数最大的序列直接求和；

步骤5)：将求和的数据作为解调模块的输入信号，即得到了灵敏度的稳定提升。

优选的，步骤3)中，接收信号相关系数的计算可以通过信号向量的内积计算来替代以降低运算复杂度。

优选的，为了进一步降低运算复杂度可以对周期为M的中频信号等间隔地抽取D个时间延迟构成分裂序列，从而只需要计算D次内积。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，通过相关系数最大化的方法可以实现灵敏度稳定提升。

2、本发明提供的一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，通过中频合路可以实现灵敏度的提升，无需通过新增硬件电路。

3、本发明提供的一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，可以避免使用数字锁相环等复杂且延时大的数字信号处理技术。

4、本发明提供的一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，使用内积的计算代替相关系数以降低数字信号处理的复杂度。

附图说明

图1为本发明的相控阵天线信号接收与处理功能框图；

图2为本发明的提高灵敏度的中频合路方法的实现流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

请参阅图2，本发明实施例中：提供一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，包括以下步骤：

步骤1)：从相控阵天线N个独立的接收通道同时获得数字中频信号；

步骤2)：在数字信号处理模块内，固定第一个接收通道数据的延迟不变，分别调整其他通道的延迟；

步骤3)：将调整延迟后的信号序列分别与第一个通道的接收信号计算相关系数，取出相关系数最大的序列；

步骤4)：将第一个通道的数字信号与其他各个通道经过延迟后相关系数最大的序列直接求和；

步骤5)：将求和的数据作为解调模块的输入信号，即得到了灵敏度的稳定提升。

在上述实施例中，步骤2)中到达数字信号处理模块内的信号包含两个部分：

a、来自OBU发送的数据调制形成的确定信号s1，s2......sN；

b、接收机信道附加上的高斯白噪声为随机信号n1，n2......nN。

在上述实施例中，由于在解调方式和信号带宽不变的情况下，解调灵敏度只取决于通道的信噪比，因此，本实施例以信噪比指标做进一步说明，为了简化说明，本实施例先以两个通道为例，N个通道情况以此类推：

由于每个通道的到达数字信号处理模块的信号包含两个部分：1)来自OBU发送的数据调制形成的确定信号s1,s2；2)接收机信道附加上的高斯白噪声为随机信号n1,n2；为了简化分析模型，s1,s2设为幅度相同但存在一定相位差Φ的正弦信号，n1,n2为方差相同的高斯白噪声，两个通道合路后的信号为：

sCH_∑＝s+s2+n1+n2

为了得到合路的信噪比，对合路的信号部分和噪声部分分别进行计算，其中，信号部分按照确定信号分析的理论，合成后信号可表达为：

因此，信号功率为：

噪声部分按照随机信号分析的理论，由于两个通道的噪声不相关，因此合成的噪声功率为：

δ_∑ ²＝δ1²+δ2²＝2δ²

合成后信号的信噪比为：

与单路信号相比信噪比倍数为：

由此可见，合路后的信噪比与两个通道信号的相位差有关，当φ＝0°时，即两路信号等幅同相时，k＝2，信噪比为原来的2倍，相当于灵敏度有3dB的提升；当φ＝180°时，即两个信号等幅反相时，k＝0，信号幅度为0，灵敏度大幅度下降；当φ＝90°时，即两个信号正交时，k＝1，即灵敏度保持不变；只有当k>1，即-90°＜φ＜90°时两个通道合成才能达到灵敏度提升的效果。

通过上述对两个通道信号合成的描述可知，两个通道信号的相位差是一个关键参数，在数字域里计算两个正弦采样序列的相位差的一个比较方便的方法是计算两者之间的相关系数；即：假设两个数字周期为M的正弦采样序列分别为:则序列间的相关系数ρ就是两正弦波相位差的余弦值：

由此，上述讨论的信号合成的问题可以转化为以下描述：

(1)通道1的序列固定不变，记为s1；

(2)通道2的序列分别延迟0,1,2,…,M-1，分裂为s2₀，s2₁，...，s2_M-1；

(3)通道1的信号s1与通道2分裂的信号：s2₀，s2₁，...，s2_M-1，分别计算相关系数：ρ₀，ρ₁，…，ρ_M-1；

(4)找到相关系数值ρ1，ρ2，ρ3最大所对应的分裂序列s2_max，将此序列与通道1序列s1直接相加即可得到合路的信号，由于两序列间的强相关性，必然能够获得灵敏度的提升；

(5)又由于分裂的序列s2₀，s2₁，...，s_2M-1只是延迟0,1,2,…,M-1个时钟周期，其模值几乎相等，因此相关系数ρ正比于两个序列的内积这为数字信号处理模块的实现提供了很大的便利；

(6)内积的计算可根据情况选取128或256个点滑动计算，为了与内积计算同步，直接求和的计算通路上信号可以相应的延迟128或者256个时钟周期。

实施例二：

根据实施例一描述，其具体应用工程如下：

由于数字中频信号的周期为M，如果每个时钟延时计算一次内积，则两个信号的内积需要计算M次；在具体工程应用中，为了减小运算量，可以在整个周期内等间隔地抽取D个时间延迟构成D个分裂序列，从而只需要计算D次内积。

在数字中频中，这D个分裂序列相对于原始序列的相位延迟分别是：

假设通道1的初始相位是0°，通道2的初始相位φ₀时，这个D个分裂序列必然有一个与通道1的相位差φ满足：

此时合路后信噪比提升的倍数为：

例如：取D＝3时，k≥1.5＝1.76dB相对于理论上灵敏度至少有1.76dB的提升。

对于有N个通道合成的情况，当各个通道从信号相位差平均分布时，合成之后的信号幅度最小，按照最小信号幅度计算合路之后的信噪比用以下公式表示：

具体的工程可以根据需要提升的灵敏度目标选择合适的通道数N和序列分裂数D在数字信号处理模块里实现。

工作原理：本发明提供的一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，由于N个通道的接收信号都是源于同一个OBU的信号，因此各个通道的数字中频信号具有相关性，当两个通道的数字信号相位相同时，其数字序列的相关系数接近于1，因此可以调整各个通道的延迟使得各个通道的数字信号序列的相关系数达到最大，从而实现各个数字信号的相位相同或相近，使得灵敏度的提升。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种适用于ETC天线提升灵敏度的中频合路方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：从相控阵天线N个独立的接收通道同时获得数字中频信号；

步骤2)：在数字信号处理模块内，固定第一个接收通道数据的延迟不变，分别调整其他通道的延迟；

步骤3)：将调整延迟后的信号序列分别与第一个通道的接收信号计算相关系数，取出相关系数最大的序列；

步骤4)：将第一个通道的数字信号与其他各个通道经过延迟后相关系数最大的序列直接求和；

步骤5)：将求和的数据作为解调模块的输入信号，即得到了灵敏度的稳定提升；

所述步骤3)中，接收信号相关系数的计算可以通过信号向量的内积计算来替代以降低运算复杂度；

为了进一步降低运算复杂度可以对周期为M的中频信号等间隔地抽取D个时间延迟构成分裂序列，从而只需要计算D次内积；

在数字中频中，这D个分裂序列相对于原始序列的相位延迟分别是：