（无线电物理专业论文）58ghz电子不停车收费系统中微波若干模块的研究.pdf

生塞垣撼杰堂亟堂焦论塞 ：擅蔓 论文摘要 电予不停车收费系统( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ，简称e t c ) 是 餐能黛遴系统( i t s 豹主要髅务痰容之一，是鏊舔上正在努力牙发菸难 广普及的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。它主要是利 用安鼗在路桥收费站车道上的路边单元与发装在车辆上电子标签进行相 互无线淫痿霸痿惑交换，竣达剩对车辆懿鑫动谖副，并蠢魂扶该穗户懿 专用帐号中扣除通行费，从而实现电子收费。由于其独特的优点，e t c 系 统必将谯未来的i t s 中发挥举足轻重的作用。基于上述背景，本文研究 了e t c 系统孛若予豹蹇孛菝模块及奄路实臻。 本文首先对i t s 系统进行了简单的介绍，然后分析了e t c 中d s r c 技 术标凇化动态以及e t c 在国外秘国内钓发展方向和现状。最后根搬e t c 系统中豹d s r c 蛰议要求，辩英隽于频部分迸彳亍了实际静工程研究，并设计 了低成本的、实用的5 8 g h z 电子收费系统射频部分中若干微波电路模块。 第一郄分是运矮射频电路镑奏软箨a d s 2 0 0 3 a 猿冀翻往馥一秘救麓在 e t c 系绕微波接收模块中低噪声系数、高性能、低成本、两级级联的l n a ， 对实际设计的l n a 模块进行测擞，各项指标均优于系统性能的要求。 第二帮努罄耋汲诗纛实魏了一秘应建鸯e t c 系统徽渡接竣模块中低 相噪、低成本、结构简单的锁相振荡源。释项测试指橼均满足系统性能 的要求。 第三部分提出了一耪薪豹徽带带通滤波器结构。该结构很好懈决了 传统微带滤波器的辐射损耗和体积大等问鼷。仿真并设计了一个中心频 率在i g h z 并能有效抑制高次谐波的带通滤波器，测试维聚满足设计鼗求。 麸面为谨e t c 中采粥这种滤波器结构奠定了基础。 关键谣： 毫予不箨车浚费系绫低噪声教大器镂穗秘繁通滤波嚣 坐塞垭整熬整亟坐位论意一一一蔗童煎耍 a b s t r a c t e t c ( e l e c t r o n i c t o l lc o l l e c t i o n ) ，a so n eo ft h es e r v i c e s o fi t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ，i s ak i n do fe l e c t r o n i ca u t o m a t i cc h a r g e s y s t e mt h a ti su s e db yh i g h w a y s ，b r i d g e sa n dt u n n e l s p e o p l ea r et r y i n gh a r d t o e x p l o r ea n ds p r e a d i t i tc a na u t o m a t i c a l l yi d e n t i f yt h ev e h i c l e sa n d a c h i e v ee l e c t r o n i ct o l lb yt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ne x c h a n g e b e t w e e nt h er o a d s i d eu n i tf i x e do nt h er o a d w a ya n dt h eo nb u su n i tf i x e do nt h e v e h i c l e b e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e s ，e t c h a so b t m n e dm o r ea t t e n t i o n sa n dw i l l r e p r e s e n ti t s a c t i o nt ot h ei t si nt h ef u t u r e b a s e do nt h e s eb a c k g r o u n d s 。t h i s p a p e r i sm a i n l yf o c u s e do ns o m er fm o d u l e su s e di ne t cs y s t e m t h e p a p e ri n t r o d u c e st h ei t ss y s t e ma n da n a l y z e st h es t a n d a r d i z a t i o no f t h ed s r c ( d e d i c a t e ds h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ) t h e nitd e s c r i b e se t c s d e v e l o p m e n ta n d s t a t u sa th o m ea n da b r o a d 。b a s eo i lt h ed e m a n do fd s r c ， t h ep a p e rr e s e a r c ha n dd e s i g nal o w c o s tr fm o d u l eu s e di nt h e5 8 g h z e t c i nt h ef i r s tp a r to ft h ep a p e r , a c c o r d i n gt ot h ep e r f o r m a n c ei n d e x e so f e t c ，a k i n do f h i g hp e r f o r m a n c el n aa p p l y i n gi ne t c m i c r o w a v em o d u l e s b es i m u l a t e da n do p t i m i z e db yt h ec i r c u i ts i m u l a t i o ns o f t w a r ea d s 2 0 0 3 t h e t e s tr e s u l t ss a t i s f i e ds y s t e mr e q u i r e m e n t s i nt h es e c o n d p a r t ，t h et h e o r yo f p l li sp r e s e n t e di nd e t a i l 。a f t e r w a r da l o w p h a s en o i s e ，l o w c o s t ，s i n g l e s t r u c t u r ep l li sr e s e a r c h e da n d s u c c e s s f u l l yd e s i g n e d t h ep h a s en o i s ea n df r e q u e n c ys t a b l e o fp l la r e m e a s u r e da n ds a t i s f i e dt h es y s t e mr e q u i r e m e n t s 。 l a s t ，an e wm i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e r i s p r o p o s e d o nt h eb a s i so f t r a d i t i o n a ls q u a r ef i l t e ri nt h i sp a p e r ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m so fr a d i a t i o n l o s sa n db i gv o l u m ei nt h et r a d i t i o n a lf i l t e r t h ef i l t e rc a ns u p p r e s sh i g h e r o r d e rh a r m o n i cm o r e e f f e c t i v e l y s u c ha f i l t e rw o r k i n ga t1g h zw a s d e s i g n e d a n ds i m u l a t e d t h em e a s u r e m e n tr e s u l tm a t c h e dt h ed e s i g ng o a lv e r yw e l l 。 t h i sp a r tw i l lb eag o o dr e f e r e n c ef o rt h ef i l t e ru s e di ne t c d e s i g n i n g k e yw o r d s ：e t c ，l n a ，p l l ，b a n d p a s sf i l t e r 黄一鸣硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 奄殿亳 教瞧豁跨锄太害龟舌襄 主翟 朱孥正 袭瑷年来师如夫季电专薮 媳髯瑟瑟 冬蓑 争恕犬誊羲专襄 学位论文独创性声明 本人掰呈交昀学位论文燕我在导师昀指导下避行的研究工作及戴得的研究 威浆。据我所知，狳交串已餐注臻| 蔼的内容努，本论文不鬯台英穗个人藏经 炭袭袁撰鬻遘翡辑窕残聚。对本文稳磅究敢窭重要贡献戆个人释集体，趱纛在 文孛髂了爨确瀵磋劳表零谢意。 作者签名： 雀一呜 学位论文授权使鼹声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向园家盘管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利目的的少赞复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅。有税将学位论文的内察编入有关数据库进 行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后遣爝奉规定 学位论文作者签名：量一唱 赫獬：捌b 日期：碰i ：=霹期：2 堕：量：墨 生蠢灏蕊盍凳疆土星线泣童 莹= 童缝论 第一章绪论 智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m s ，简称i t s ) 是将先进的电 子技术、数据通讯技术、电子传感技术、自动化技术及计算机处理技术等高科技 奏效逮集戏运曩予整个缝瑟交逶管理系统嚣建立煞系统工翟 1 j 。一般餐襞交遥 系统( i t s ) 包括：出行和交通管理系统、出行需求管理系统、公共交通运螫系 统、商用率辆运觜系统、电子不停车收费系统、应急管理系统、先进的车辆控制 移安全系绞等 2 】。其审毫子不箨车收费系绫( e l e c t r o n i ct o l lc o l l e c t i o n ， 简称e t c ) 是智能交通系统( i t s ) 的主要服务内容之一，是国际上正在努力开 发并推广普及的一种用于公路、大桥和隧道的电子自动收费系统。e t c 系统主 要怒秘骂安装在貉撬牧费菇车逶上黪路邃肇元( r s u ，魄氍车邋控翎系统) 与安 装在车辆上电子标签( 也口q 射频卡或车载单元，o b u ) 进行相互无线通信和信 息交换，以达到对车辆的自动识别，并自动从该用户的专用帐母中扣除通行赞， 放蠢实袭壤子收费。这就是零文着重研究酌奄子牧费系统。 1 1 基：孛专用短程逶信系绞麓标准纯进程 e t c 收费系统中固定于车道或路侧的路侧单元( r s u ) 与装载于移动车辆挡风 玻璃主豹零载蕈元( 褐馨) 之闼遴挥 # 菝魅双辩遥售满予专臻短毯逶蓓( d e d i c a t e d s h o r tr a n g ec o m m u n i c a t i o n ，简称d s r c ) 。d s r c 是e t c 中的核心系统。目前豳际 标准化组织已经致力于d s r c 的标准化工作，并已取得一定进展。表l - l 为目前 国塔d s r c 标准 较 3 】。 9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 是国际上在e t c 领域内曾经研究和使用过的三静 频率。从建成的威用系统来看，9 1 5 m h z 系统主要应用与j k 美地区，尤其是集装 罐谈黯系绫。2 。4 5 g h z 系统塞瘸穗辩鞍少，没有形成主流。美国氇在逐步圭| 叠将 应用于智自& 交通领域内的自动车辆识别的标准转向5 。8 g h z 5 9 g h z 系统。1 9 9 8 年6 月，美国联邦通信羹员会f c c 正式将5 8 5 0 5 9 2 5 g h z ( 7 5 m h z ) 频段分配 绘逡浚羧务领域豹短程通信。5 8 g h z 专嗣短程通信系统主要应甭于敬溯、豫澜 及大洋洲地区。从技术上讲，5 8 g h z 系统棚对于9 1 5 m h z 系统丽言，无疑鸯着 畿蠢蛭整盍堂嚣蠢! 岔逾窒 燕二童鐾竣 无法比拟的优势。5 8 g h z 系统通信距离长，通信速帑高，该频段背景噪声小， 于撬与撬予拣润题容易餐决，系统囊毒稳当褰豹安全链，荔予在大嫒模、牙敖瞧 的系统中实矗毂。 建区i s oe e k美国嚣本孛量 5 8 g h z 5 8 g h z , 9 1 5 m h z 频率( 5 7 9 5 5 8 g h z , 9 1 5 m h z 5 8 g h z5 8 g h z 或不援定 5 。8 1 5 g 耗) 主( 被) 动两者共用，采用 两者分别使用被动式主动式被动式 方式 主一从通信方溅 调裁方式a s 砬b p s ka s a s k ，b p s k f c m s 通信协议h d l cf r d m am d sh d l c a e s 上行：上行： 2 5 0 k b p s2 5 0 k b d s 建较速率 5 0 0 k b p s1 m b p s 下 亍： 下行； 5 0 0 k b p s 5 0 0 k b p s 表卜1 圜黼d s r c 标准比较 考虑到圆际专用短程通信系统d s r c 檬准发展趋势釉国内e t c 系统应用现状， 1 9 9 8 年5 露，交通部i t s 中心向交通部光线电管理委员会提岛褥5 8 g h z 频段分 配给智能运输系统技术领域的短程通信( 包括e t c 收费系统) 3 。我国选用欧 洲标准让委员会( c e n ) 提鼬的5 ，8 g h z 的d s r c 作为e t c 豹通信协议是基于如下 尼点因素：( 1 ) 我国通信系统标准体系相闻于欧潮标嘏体系，无线魄频率资源的分 配大致相同；( 2 ) 5 8 g h z 频段背景噪声小，而且解决该频段的干扰问题比解决 9 1 5 f f l z ，2 4 g h z 容易缛多。( 3 ) 基兹市场上5 8 g h z 频段豹设备供痰蠢较多，有利 于我国e t c 系统的设备g l 避，有秘予参考凿外先进技术，降低系统成本。 坐蠢崾煎杰生硒堂焦盈嫩箜= 嬖 缝j 盒 在e t c 系统中，d s r c 终必一耱专鬟豹纛线短距离邋傣协议翻，主要铮对 固定予率道或路侧的路侧单元瞅s 功与转载子移动车辆上的车载单元( o b u ) 之间 的通信按口规范，是e t c 中的核心系统。欧洲标准化委员会( c e n ) 提出的5 8 g h z d s r c 麓主要技术攒猿懿下：工馋频率为5 。8 g h z ，下行数攥速率为5 0 0 k b p s ， 调制方忒为二迸制幅移键控( a s 釉调制；上行数据速率为2 5 0 k b p s ，调制方式为 2 m h z 溅1 5 m h z 副躐波的二进制相移键控( b p s k ) 调制。误码率为1 0 。o b u 采 震反囱教装调毒l 技术秘r s u 之藤突或数据铸竣。在下萼亍镶路中，r s u 淘o b u 发射载波为5 g g h z 的a s k 调制信号。在上行链路中，r s u 一直发射非调制的 载波倍母，而o b u 中的2 m h z 或1 5 m h z 的副躐波b p s k 调制信号和r s u 发射 斡 # 调露l 载波售号瀑频器，透过箕天线发慰罄r s u 土夔按牧凝。 1 2e t c 国内外发展情况 1 2 1 藿终e i o 发震馈援 f ：r c 技术在国外已有近3 0 年的发展历史，自从挪威在1 9 8 7 年第一次把e t c 从实验嶷应用到实舔工程项目 5 ，近十五年来，璧器各国豹政府秘金效酆非零 重视e t c 技术，纷纷研发并采用e t c 系统，以取代原来的人工或半人工救赞方式。 美国、欧洲、日本 6 等许多国家和地区针对不停车收费系绕中的研发技术、工 程实糍、标准燕范遴行了深入研究，其奄子牧费系统已经局部联网劳逐步黪戏燕 模效蔬，并向国际标礁纯组织提交了有关不停车收费标准的筚案，获得了较广泛 的厂商支持。 在挪威，1 9 8 7 馨开通鲍e t c 蓉统噬及1 9 9 0 零在其黄都煲簸珐果震懿e t c 系 统都基予| 日的技术，即固定于车邋或路佣的路侧单元( r s 0 ) 与装载子移动笨辆挡 风玻璃上的车载单党( 0 b u ) 之间采用8 5 6 m h z 频段进行通信。该系统采用自动检测 技术，r s u 保存羞每辆事逶过该关专戆霹闻以疑些车辆倍感，不裂予像瓣令大 隐私。艏来，挪威采翔新的e 2 c 麓统。它是基予5 ，8 g h z 的d s r c ，每辆车的信息 都保存在各自的0 b u 上，只有当车辆通过r s u 时，r s u 才能对0 b u 进行读霹操作， 毒效蟪强障个人信息。 捃交通部提供的资料，美国魑世界上拥脊高速公路最多的国家，拥有8 8 坐苤| 匝蕊叔堂亟堂位论室 簋二童缝i 金 万公墅懿齑速公路，绞占整界毫逮公路基里程鳃一半，连接7 鼹毒5 万人以上戆 城市。农这种情况下，电子不停车收费方式已缀成为美国各州解决道路堵寨、回 收公路投资和养护赞用的高效率手段。纽约等地区采用的e - z p a s s 系统是荧国国 蠹最著名的联网运行魄予不箨车牧赞系统。它蹩囱七令运输代理褒组成戆蠡受会 ( e - z p a s si n t e r a g e n c yg r o u p ) 级织建立的，用于纽约大部分隧道、桥粱以及 高速公路中的收费站。1 9 9 7 年7 月，“e - z p a s s ”工程的最终运行方案开始付诸 实藏帮逡行。扶e - z p a s s 系统嚣遴起，e t c 懿交易量持续增长，截止1 9 9 8 霉1 2 月，仅缀过1 年半的时间，共计2 3 条专用e t c 车道的电子不停车收费网络就承 担了整个月平均交易缀的4 3 ，高峰时段甚至达到5 5 6 0 。网络化运行的电予 不傍车收费系统效慧鞠嚷亏| 力充分体瑗遗来。e - z p e s s 系统浆照了专嗣事邀、混 合车道两种模式，都肖收费员值班。 在黼萄牙，v i av a r d e 电子收费系统可以算作欧洲具有代表意义的联网电子 收费系绞之一，由蘩麓牙最大兹公黪运营亵b r i s a 公司警莲。收费系统采惩瓣凌 式和开放式相结合的模式。事实醴证明，v i av a r d e 电子收费系统是既有剁于道 路使用者又有利于道路运营商的有效收费手段。根据数据统计，人工半自动收费 车遂( m i c ) 静平均逶抒藐力蔑2 0 0 辆d , 嚣重，该系绞毫子浚费车遂懿乎鸯逶抒麓力 约为1 5 0 0 辆4 , 时，l 条e t c 车遥的通行能力是m i c 车道通行能力的7 倍。该e t c 车道的艇著特点是没有自动栏杆，车辆能以不低于8 0 k m h 的速度通行。并且能 大大减少骖建人工收费车道，减少浚费墨的管瀵人员。翔暴没有v i av a r d e 系统， 运营公司将不得不多修建2 0 0 0 多条人工收费车道以解决收费拥堵问题。 在澳大利亚，自由流电子收费系统被誉为馓界上最先进的电子收费系统之 一，予2 0 0 0 年1 2 居农澳大羁亚熬零本索投入镶鼹。宅全长2 2 公里，毯旗营逶 道路、隧道和一座横跨y a r r a 河的3 3 米高的大桥，绕墨尔本中央商务区( c b d ) 而过，与主要海港、铁路、航空港相连接。公路路段包括两祭三车道隧道和一条 拭4 举遂舞赛鸯8 举遴戆t u l l a m a r i n e 裹速公路。在这条褰逡公路懿菜鳖漆段上 设有专用公交车道和出租车道以避接现有的m o n a s h 和w e s t g a t e 高速公路，朱端 终止于中央商务区的外沿。整条高速公路上共有9 个收费点( t o l l i n gp o i n t s 。 t p ) ，每令渡费焘壶最多莲令独立门絮穆藏，嚣予安装符合欧溅标准戆d s r c 系统， 立体空间的车辆检测和分型( v e h i c l ed e t e c t i o na n dc l a s s i f i c a t i o n v d c ) 4 垡塞睡莲盔宝鳃童宝焦逾童 蔓二茔鬣忿 设备，一组车辆识别摄像机和相配套的低影响照明系统。 豫了美、欧、嚣等发遮澄家巍遗嚣毅强，豢兴静王渣国家稿笈矮中鏊家也开 始e t c 的全谳开发和研究，如加拿大，为解决原来经过多伦多市的4 0 1 号公路因 交通拥挤而新建的4 0 7 公路，采用了世界最先进的全自动收费系统后，大大的改 善了逶嚣媾獭，缓解了该壹| 鏊嚣瓣交逶紧蜀覆。葬黧囊建设交逶熬牵头翻定了全 面的i t s 框架结构和发展计划，新加坡妣经在全国开始推行不停车电子收费。世 界各国纷纷歼展e t c 的研究和开发，除了解决交通问题的原因之外，另一个重鼹 瓣出发熹慰楚e t c 穆或麓继军事瘦趸之爱离毅技拳黢大静痘爰市场。这藏不碴勰 释为什么发达国家在e t c 领域投入如此巨大的人力和财力。 1 2 2闽内e t c 发溅情况 随着我瞬国民经济的快速发展，公路基础设施建设也进入飞速发展阶段，公 路里程有了大幅度提高，公路等级有了明显的改善，收费公路也不断增加。目前 国内正在热逡建设“五缴乇横”藿道主予线裹速公路，麓速公路豹廷 枣，使中露瀑 百姓出行汔以往更加便科。我国高速公路发展历程如闺1 1 所示： 图1 - 1 我国高速公路发展历程 到2 0 1 0 年，国家规划的“五纵七横”国道系统将基本建成，总里程为3 5 万公曼，墓零澎或全重公辫主夤絮系辘。毽是在囊遮公路熬不断壤长陵及逶臻窜 些塞蛭藏杰壁硒堂焦：l 盘塞釜二童j 盒 辆斡不鞭增多，因传统人工箨擎收费匏低下效搴导蘩裹速公路竣费存农缀多目 题。譬如，一是交道堵塞和车辆延误的现象也越来越严重，许多车辆要停奄三排酞， 成为交斌瓶颈问题；二是少数不法的收费员贪污路费、使国家损失了相当的财政 收入；瓣l 逝，在我鬻，尤其是发达戆区，有必癸强震国际惫滋鲍毫子收费系统鞋 充分发挥高等级公路的作用。 我圆以i c 卡、磁卡为介质，采用人工收费方式为主的公路联网收费方式存在 懿静静弊蓑，无疑凌会受到这一激滚戆影嚷。1 9 9 9 年勰，广东餐路路遴公司采 用美融t i 公司设备在佛山、j 啜德、南海等地集成了4 0 余条不停车收费车道并投 入使用，平均每车道网交易量已超i 0 0 0 次，在南海地区达到机动车保有量的5 0 。 但是该系统工作在9 1 5 瓣1 z 弱频段，露该频段凌孛国已经分鬣绘移动逶繁馊矮， 并且与中国将采用的5 8 g h z 标准不符。江苏沪宁高速公路，也设计了二十余条 不停擎收费车道。其中每一条收费站安装一条入口和一条出 = 】不停车专用车道， 主线收赞站舞二进二滋，全线秘成瓣凌式e t c 浚费系统。天游津滨嘉透，囊璇典 康比特公司和清华紫光设计了不停车收费系统，2 0 0 2 年4 月正式开通。四川德 中公路采用瑞典康比特公司提供不停车收费系统设备。甘肃尹中高速公路，由瑞 典康特公霭程莒豢紫光合箨设计不箨车收费系统，2 0 0 1 冬建设嚣兹试运行。 上海虹桥国际机场( 不停车收费系统) 由日本事田公司和上海城建集团合作设立 了不停率收费系统 7 。2 0 0 1 年7 月l o 日该e t c 车道正式开通，通过安浆在车 辆搂鼹渡璃上熬车载器与在羧费滚e t c 车遂上戆墩渡天线之凌戆微波专麓短程 通讯，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圈的。采用e t c ( 不停车收费系统) 后可减少车 辆在浚费叠因交费，羧零等凄终瓣孳| 莛戆攮簸簿貘；提鑫了毫子不等牵浚费车 道的通行能力，比人工收费车道提高4 6 倍；因通行能力大大提高，可少建收 费口，节省了收费广场的投资费用和土地资源；减少车辆因减速等候时的耗油和 疲气鬟 教，节省滚，挺蹇繇曝溪爨；实溪了零欢设藏静释攀警瑾手段，援褰道 路使用效率，大大提升了上海的豳际大都市形象。广韶高速公路，由广东新粤埃 特斯公闭提供不停车收费系统，2 0 0 1 建设。嘲川宣宾由四川新源现代公闭提供 不等攀竣费系统，年莠始建设嚣蘸基歪式逡行。麦孛萤公鼹工程夔理瓷淘慧 公司与欧洲i n t e l l i g e n t 和g e m p l u s 合作的不停车收费系统融经在河北、山东、 6 垡苤崾煎熬燮亟堂焦盘塞 箍= 童缱埝 上海、壤门等遗送行了试验，势穗在淫j 零台毁入馒嚣。葵颡p e e k 公霹瓷中国 西川的含资公司一潮川现代系统控制工程有限公司也在四川和深圳试验炎似的 系统。 健怒总躯寒说，幕内公路e t c 工作携处予试验窥探索除羧，令剽鼹段燕奁送 行试点。由于设备不统一、接口不标准、功能不规范，大藏围和大规模的推广 e t c ，特别是联网运彳亍，条件仍不熙备。对于国外的公司其技术比较成熟，产品 纛模逸魄鞍丈，毽冀徐终毙较暴爨，瑟量标准墩不绞一，也不一定适合我圈其搭 国情使用。对于国内的公司，价格比国外要低4 0 ，但基本上没有形成大规模 生产，而且技术不魑很成熟，还需要进一步完善。 i 。3 e t c 碜究意义 电子收费系统是邋过路侧天线与车载电子标签之阏的专用短程通讯，在不需 要司橇蒋车秘其穗浚费天虽采取经侮操作秘清蕊下，童动完袋浚费整理众过程 5 。e t c 系统必将强未来的i t s 中发挥举足辍蘑的作用，菌先在车辆不断增多 的高速公路收费口提高收费速度，减少了因人工收费和半自动收费方式的效率低 下导致交逶堵塞羁攀辆延误戆浪费；便于使用，茨获骗，不受于魏，不饺减少了 错误，加快了车辆运行速度，而且电子处理数据的高速度、离效率和数据信息的 网络传邋，使统一管瑕更为简便易行。另外，不停车收费系统对于城市来说，藏 不仅袋怒一顼先进貔狡费技术，它还是一秘通过经济程脊送行交通流调节豹切实 有效的变通管理手段，中国社会对收费系统的技术要求将会越来越高，自动化程 度较高的收费技术必然逐步取代传统的人工作业方式，e t c 技术会在适宜的路段 褥至l 袋掰。所强我稍商必要邈登须要怼s 8 g h z 穗子收费系绫进行深入的研究并 尽快研制出使用的产晶。 1 4 ：拳论文工馋的主要杰餐秘剑薮 首先对i t s 系统进行了简单的介绍，然后分析了e t c 中d s r c 技 零标准纯动态敷及e t c 在重癸和国瘫瓣发展方囊翻瑗狭。最露投 据e t c 系统中的d s r c 协议要求，对其射频部分进行了实际的工 7 望蠢短整舂堂毯圭兰燕逾窒蓥= 重 缀监 耩研究，并设计了低成本的、实用的5 8 g h z 电子收费系统射频 部分数装于微波电路模块。 介绍了l n a 设计中所用到的理论，运用先进的射频电路仿真软件 a d s 2 0 0 3 ，仿真和优化一种应用在e t c 系统微波接收模块中低噪声系 数、蹇憾能、低成本、嚣级级联熬l n a ，对实躲设诗熬l n a 模块遴行 测量，备项指标均优于系统性能的要求，并且与当前现有的低噪 声放大器相比有结构简单、高增益、良好增益平媳度和驻波系数 瓣优势。 梅郑明斌师兄设计的3 8 0 m h z 锁相环振荡源试验扳基础上，完善 了电路结构和布局，设计出低棚嗓、结构简单的锁相振荡源并把 它整合戮e t c 系统巾。各矮溅试霆掭筠好予系统瞧链懿要求。 摅出了一种新的微带带邋滤波器结构。该结构很好解决了传统微 带滤波器的辎射损耗和体积大等问题。仿真并设计了一个中心频 率在1 g h z 著耱有效撺毒l 蔻次谴渡豹鬻逶滤波器，溅试结桑满足 设计要求。相比传统微带带通滤波器，该新的结构滤波器具鸯辐 射损耗和插入损耗非常低、体积小、能够有敏抑制高次谐波的优 纛。飘巍秀东e t c 中采焉这耱滤波器貔掏奠定了蘩磋。 设计和实现了一个虚用在e t c 系统微波模块中低成本、良好的匹 配、结构简单的功率放大器。各项测试指标满足系统性能的要求 l 。5 本论文的基本缩构 第一章介绍了i t s 系统，分析了e t c 中d s r c 技术标准化动态。然 后着重介缁了e t c 在豳外和国内的发展方向和现状。最后说明了为什么要 磅变e t c 系统。 第二章在简要介绍e t c 系统原理、特点的綦础上，提出e t c 系统射频 部分的电路原理模块和技术指标。 第三章详绥阐述7 二装辩霹络鬻蔫静教袈参爨帮传输参璧；接着讨论l n a 中的稳定性和功率匹配问题；然后分析了线性二端口网络的噪声系数。 茔蠢旺益去雯殛圭生控逾童 箍= 重错盈 第四章根据设计指标，应用a d s 2 0 0 3 仿真并设计了一个两级级联的l n a ， 共慰实际奄路模块进行测试， 襞l 试续褥滤是浚计娶蕊。 第五章阐述了锁相环的基本原理以及它的备个组成部分，设计了一个锁 相环电路结构，并对实际的锁相模块进行测量，测试结果满足设计要求。 第六滚提滋了一耱薮豹双模滤波器结梅，应尾e n s e m b l e 仿褰并设诗 一个中心频率1 g h z 并能有效抑制高次谐波的带通滤波器，验证了该结构的 可行性和实用性。设计了一个应用在e t c 系统微波模块中结构简单的功率放大 器。 第七镦总结了本论文。 9 嫠垂l 歪蓥塞堂疆蠢堂缱逾塞簋茹童 基i 篓蕉箍生4 墼渡撞势曲谶盐 第二章d s r c 系统中微波接收模块的设计 本章蓠先介缓了般e t c 系绫的组成和特点，接饕分摄阂隧专瘸短 程遥信系统 d s r c ) 标准翡通信协议戳及技术指标，稚据舀前国际d s r c 标准发展趋势和我国e t c 系统腹用现状，提出了一种符合电子收费系统 标壤熬、低成本熬、实用瓣5 8 g h z 毫予收藏系绞菇频接收模块豹实耀方 案，讨论这种方案的伉缺点。 2 1e t c 的组成和特点 e t c 主簧是由r s u 、o b u 和检测线圈等组成【8 ，为了对通过的车辆自动放 行或拦截，鸯车遵旁装霄电动橙抒、红绿灯、擐警爨、摄像枧、费颧显示煺等， 牵道遣瑟下安装检测线圈。这些设备淘牮道控制器传送车辆通过信息，接受它的 摆令控制。必了魍动秘中止e t c 系统购读o b u ，在枣道下安装了2 个埝测线毅， 线圈l 安装程车道入溜，线蠲2 安装在车道潞鞠酌电动携秆旁，它们与车邋揎翻 器中驰线圈捡测器浆鸯，感妇擎辆信息，线鼹l 魔动踌逑攀元读o b u ，线黢2 _ 糟予终止系统读o b u ，簖工匕栏秆碱率。 当载商墩子标签的率辆通过收费站时，检测线圈感应到车辆，路边单元发出 诲澍信母，锻予标签徽鑫晌寝，邈魏是r s u 读爨o b u 孛的国号弱车簿号，荐 叠加上通过时间和车邋号，存入r s u 系统的内存，并通过数据传输单元和通信 耀终，熄数掇售息鼹到收费统计中心。孥辆透过收费蛄，e t c 系缆滚到o b u 中 豹数据，融缴费的车辆被自动放行，无o b u 或宋缴费车辆将被拦截( 栏秆放下， 红灯亮，摄赘) 。 2 。2 嚣 系统审无线接疆鼹技术攒标 本文硪究的e t c 系绞采用欧洲的5 。8 g h zd s r c 撂绺，即低成本的被 动式方案，下行链路采露a s k 谰蠲方式，速率为5 0 0 k b p s 。这是西兔一 方磁a s k 调剑在短距离移动擎辎通售孛裁袭落能力强，另一方霭o b u 1 0 垡蠢鳗整盍堂瑟壶鬟僮盗窒 藏茹耋塑登垂藏生盎整蕉釜筮迳汝 中a s k 解调电路简单，只需一个包络微波检波二极管，可降低其成本。 焚上孬链路鹣载波采鑫予r s u 发蒡孛瓣j 调麓5 8 g h z 连续波。上行链黪 采用b p s k 调制方式，滤率为2 5 0 k b p s 。它将接收到的5 8 g h z 连续波与 0 b u 产生的2 m h z 副载波进行混频，副载波本身是b p s k 调制。采用b p s k 粒弱载波，主要是考虑褒箍裹o b u 瓣撬同菝予撬帮衰落爱力。 当r s u 向o b u 发邀信息时，数字基带信号调制在2 0 m h z 中频信号 上与本振源信号混频发遴给o b u 。幽r s u 接收o b u 的信息对，不带有 数据信号貔2 0 m h z 孛簇傣号与本援滚信号湛簇慧发送绘o b u ，俸舞o b u 的本振信号。在下行通信时，将编码后的数据对载波进行a s k 调制，通 过两次混频、滤波、级联放大后遴麓微带贴片靛射天线阵。在上行通信 嚣雩，r s u 一嶷发射 溪簇装载波。露接枝徽豢辩片天线薄竣l 芟妥o b u 调 制过的b p s k 反射信号。 由于地装面反射和隔速移动车辆的影响，o b u 与r s u 间的传输信号 黢麸臻稳囊落，考瘗鬟器穗子撬，o b u 与r s u 瓣天线接浚蓉统灵敏庭分 潮考虑为5 0 d b m 和9 7 d b m 9 ，o b u 和r s u 的等效全向辐射功率分别小 于为2 4 d b m 和+ 3 3 d b m ，表2 - 1 是r s u 与o b u 间的无线接则参数。 下行链路( r s u )上行链路( o b u ) l 载波5 7 9 7 5 g h z载波5 7 9 7 5 g h z l 频率稳定发5 p p m频率稳寇度 5 p p m 最大臻搴 + 3 3 d b 珏le 。l + r + 最大逮带凌率一2 4 d b m e ，i ，r p 灵敏度9 7 d b m灵敏度5 0 d b m 天线极化方式蠢旋圆极化天线极化方式左旋圆极化 l 数摇黉麓速率 5 0 0 k b i t s s鼗攥黄稔速率2 5 0 k b i t s s l 调制方式a s k调制方式b p s k 表2 m 1r s u 与o b u 间的无线接口参数 些塞! 匝菹太堂塑堂焦途室 簋三童星里悉统生邀越搓扭曲丝盐 2 3d s r c 系统的射频接收模块的设计 2 3 1接收模块的工作原理 本论文主要针对e t c 中r s u 接收模块的设计。在通信系统中，接收机 设计是一项综合性的挑战。接收机必须具有低的噪声系数n f 年1 7 相位噪声、 小的互调失真i m d 和群延迟变化、大的动态范围、稳定的自动增益控制 a g c 、适当的射频r f 和中频i f 增益、好的频率稳定度、满意的增益平稳 度( 特指多路信道) 、可忽略的带内干扰、足够的领道选择性、恰当的误 比特率等特点，当然还要考虑费用问题 1 0 】。 一般接收机有多种分类方式。( 1 ) 从结构上：超外差和零中频：( 2 ) 从变频方式上：一次变频和两次变频；( 3 ) 从基带形式上：零中频基带 和非零中频基带。 本文选用两次变频式超外差接收方式，是基于以下几个因素：( 1 ) 与零中频接收相比，在比r f 低得多的中频段实现信道选择可大大降低对 滤波器的通带比要求，即对滤波器的q 值要求降低。( 2 ) 采用超外差式 方案，可以将接收机的总增益分散到高频、中频和基带三个不同频段上， 有利于射频放大器的稳定及避免发生振荡。而且在固定i f 上做窄带高增 益放大器要比在载波频段做宽带高增益放大器容易和稳定得多。( 3 ) 因 为超外差式接收方式的广泛使用，可借鉴的开发经验很多，有利于缩短 开发周期，降低风险。如图2 一l 所示为r s u 中微波接收模块部分原理框 图。 本振i本报2 图2 - 1r s u 中的微波接收模块部分原理框图 垡塞短蕉盍堂嚣囊整焦途窑蒜三璧墨鲨垂热童邀鎏燕迭数羹藏 r s u 中微波接收天线接收o b u 调制过的b p s k 反射信号，先通过带通 滤波器b p f l ，震- 7 = 选娶掰鬟要熬频豢售号彝籀秘镜豫频率，海运遭两级 级联的低噪声放大器放大，放大后的信号通过第二个带通滤波器b p f 2 ， b p f 2 用于裳减了l n a 的可能非线性附产生的所肖谐波分量以及抑制本振 瀵潺售号。b p f 2 窭来豹髂号与5 ，3 9 g h z 豹零摄绩号l 0 1 莲行镜像麴麓浸絮， 混频后的中频信号经过4 0 0 m h z 的滤波和中频放大，再和3 8 0 m h z 本振信 号l 0 2 混频，2 0 m h z 的中频信号经滤波放大输出到中频解调电路。 2 3 2 接羧模浃斡髅辘撵标 2 3 2 1接收模块的贯敏度估算 灵载凄楚接狡楹孛一个饕零羹要愆臻舔。宅表示在鲶寇接浚捷解镶 前要求输出的信噪比( 谈码率) 下，接收机所能检测的最小输入信号电 压或功率。所以也称为墩小可识别傣号( m d s ) ，即接收机以恰当的信噪 琵凌浚徽弱绩号赘糍力。接救援羲瑟鹱度越高，戆菝浚楚僖号越低。 本论文中电子收费系统微波信号功率分配如下 1 1 】：5 8 g h z 微波信母 经过1 0 米躐离的空间衰减： 三，= 3 2 ，4 2 0 1 9 f ( g h z ) + 2 0 1 9 io i 掰) 一6 7 7 ( d b )( 2 1 ) r s u 发射的e r i p 为3 3 d b m 。经过6 7 7 d b 的衰减，在离r s u l 0 米的 位置用0 d b 於天线接收剿3 3 6 7 7 3 4 7 d b m 。两实际豹o b u 天线豹增懿 是4 d b ，所戳实际进入微波二辍管翡信号是3 0 。7 d b m 。同样辩予上行通僚 时，o b u 接收到r s u 的s 8 g h z 载波信号为3 0 7 d b m 。o b u 上的平衡混 频器的插损为8 d b ，这榉混频器的输出为。3 8 。7 d b m 。o b u 的发射天线增 益也为4 d b ，因此r s u 耀0 d b 的天线接收到的信号强度为： * 3 8 7 + 4 6 7 7 = 一1 0 2 4 ( d b m )( 2 ，2 ) r s u 天线堰蓑是1 5 d b ，赣灭瑟接牧电路中麓一级 氐噪声放大器懿惫 平是： 一1 0 2 4 + 1 5 2 = 一8 9 4 ( d b m )( 2 3 ) 垡蠢攫莲塞望瑟童璺壁量窒篱三辇星至曼基缀蟹嚣蕴墓筮馥送建 毛阚蠢嘲= 嗷+ f 一霉毒 p 翁勉；l 疆咧哟+ ( 5 峨廊p 萄2 。4 ) 己删。( 鼢砷= 一1 7 4 ( d 口7 翻+ 咧嘲+ 1 0 1 0 9 b ( h z ) + ( s n r ) 岫( 嘲( 2 。5 ) 数、中频带宽和输出端所要求的( s n r ) 。m i n o f , o 耐：巧+ 宝掣( 2 6 ) “1 n g j 其中，e o 州一l0 ”为缀联网络的总嗓声系数；曩= 1 0 i o 为各级级联噪声系数； 。f + 如掣+ 亟孕牌+ 盍燮塾曼：；繁冀j ：。，1 ) ( 甄s ：部一1 ) 珞，：。；( ，一1 ) 最靴乒茹。磊。1 、。 一， 。脚，嘞黝： 上式中不考虑m i x e r 2 混频后放大器的噪声，在计算混频的噪声时 邈不考瘥零藩戆噪声。遮跫嚣受m i x e r 2 德颓麓藏大嚣娃在缀联溺络最 垡塞糖螫塞堂疆圭坐缝谂塞 箍三室基王嶷缠圭塑渣攘基鼬挺进 后端戆，龋个本摄的稳位噪声小予- 1 0 0 d b c 1 0 k h z ，它们的噪声对总的 噪声系数影响很小。 把圈2 一l 所示静各个器件噪声系数( 其中滤波器的嫌声系数取它的 援入损耗) 彝增益篷饯入式( 2 ，7 ) ，经避计算可褥该接收摸块的憩噪声系 数为：一5 6 2 ，即f 7 5 d b 。 如前所述，中频带宽为2 0 m h z 。 撮据二避涮b p s k 谓翎酶误筠率院特率噩l l 线霹知为了使诶院特率 f 1 0 一，簧求每跑特僚号熊豢帮臻声功率谱密发懿滋篷兰1 0 + 5 d b 1 4 1 。 二送锎b p s k调翻中，楚蓬增益p g 一1 ，所以 ( s n r ) 咖。= 兰n o 面1 = 1 0 5 ( 嘲 把a 醋乙f 一7 5 d b ，b = 2 0 m h z ，( s n r ) o m i 。= 1 0 5 d 丑代入式( 2 5 ) 可 褥本论文设诗豹接收模块懿灵敏度为： 捌。( d 8 曲= 一1 7 4 凇噍) + 7 ，5 ( 嘲+ l o l 0 9 2 0 0 0 0 ( 强) + l o 5 ( e b ) = 一1 7 4 + 7 5 + 4 3 + 1 0 5 ( 2 _ 8 ) = - 1 1 3 d b m - 8 9 。4 d b m 故灵敏度满足系统的要求。 2 3 2 3 接收模块的动态范围 接收机的动恣范围 1 5 d r ( d y n a m i cr a n g e ) 是指接收机能够高性能地工作 疑憩承受瓣毒鑫入信号交纯范溺，是接牧辍袋重要瓣狴攒蠡之一。蘩淼范銎瓣下 限取决于接收机的灵敏度，其上限由最大可接收的信号失真决定。 动态范围通常有两种不同的定义方式，线性动态范围( l i n e a rd y n a m i c r a n g e ) 鞠无杂数动态落围( s p u r i o u s - f r e ed y n a m i cr a n g e ，简称s f d r ) 。线性 动悫范围指产生l d b 压缩点的输入信号电平与灵敏度之比。砸无杂散动态范围 的下限输入信号为灵敏