（信号与信息处理专业论文）利用无线电波的相位差实现精确定位.pdf

太原理工大学硕+ 研究生学位论文 利用无线电波的相位差实现精确定位 摘要 炼焦生产中需要三车精确对正及连锁控制，本课题针对实现三车连锁 自动控制的问题，在分析了国内外对焦炉机车控制研究现状的基础上，提 出了将无线电鉴相定位技术用于机车定位系统中的方法，用较低的造价获 得较高的定位精度。这种方法是在机车轨道两端各安装一个无线电发射机， 发射同频同相的无线电波，当机车在轨道上行驶时，装在机车上的无线电 接收机对接收到的两路无线电波相位进行比较，根据相位差来确定机车的 位置。适当选择无线电的频率，即可使定位误差_ 1 c m 。 与目前使用最多的编码电缆定位技术相比，无线电鉴相定位技术的精 度和可靠性相当，但后者的主要优势在于低成本。编码电缆定位系统仅花 在电缆上的费用就高达1 8 3 6 万元。采用无线电鉴相定位技术，设备造价 仅1 万元，由于省去了编码电缆，从而可使系统造价降低1 7 3 5 万元。 我的主要工作是完成三车连锁中机车定位系统的硬件设计。我首先对 无线电鉴相定位的原理进行了认真研究与分析，并通过电路制作和仿真， 确定了整体方案，设计出了各单元电路。其中包括晶体振荡电路、调制和 解调电路、鉴相电路等。我在课题设计过程中主要解决了以下三个问题： 1 为了提高鉴相精度、克服鉴相盲区，我采用了两套鉴相电路交替工 作的方法，取得了预期的效果。 2 为了降低造价、提高电路工作的稳定性，我采用了下变频技术，并 证明了这对鉴相精度没有影响，实验和仿真也证实了这一结论。 3 为了降低系统复杂度，我采用了调制技术使收发电路减半。 1 太原理：i ：大学硕士研究生学位论文 通过一年多的努力我完成了主要的硬件设计任务，通过调试效果良好。 该论文的完成将使无线电鉴葙定位技术在高精度定位系统中更易于普矿 关键词：无线电发射，鉴相器，高精度定位，变频，调制 l i 太原理工大学硕士研究生学位论文 p i 己e c i s el o c a t l 0 nb yr a d i op h a s e d e t e c t gt e c h n o l o g y a b s t a c t f o rt h et h r e el o c o m o t i v e s c o - j o i n ti si n d i s p e n s a b l ei ne v e r yc o k i n gp l a n t ， t h i sp r o b l e m - s t u d ya i m sa th o wt or e a l i z et h ec h a i na u t o - c o n t r o lo ft h r e e l o c o m o t i v e s c o - j o i n t a f t e ra n a l y z i n gt h es t a t u sq u oo fc o k i n gl o c o m o t i v e sb o t h h o m ea n da b r o a d ，w eb r i n gf o r w a r ds u c har a d i op h a s ed e t e c t i n gt e c h n o l o g ya s c o u l dg a i nh i g h e rw i t hl e s sc o s t a c c o r d i n gt ot h i sm e t h o d ，t w ot r a n s m i t t e r s s h o u l db ei n s t a l l e dr e s p e c t i v e l yo nt h eb o t hs i d eo ft h er a i l ，w h i c hw i l ls e n d s i g n a l su n i n t e r r u p t e d l y w h e nt h es i g n a l sr u no i lt h er a i l ，t h er a d i or e c e i v e ri n t h ee n g i n ei t s e l fr e c e i v e st h es i g n a l sf r o mt h et w or a d i os e n d i n gs e t sb e l o w w i t ht h e p h a s e d i f f e r e n c ec o m p a r e d ，t h el o c a t i o no ft h e e n g i n e c a nb e c o n f i r m e d c h o o s i n gt h ea p p r o p r i a t ef r e q u e n c yo ft h er a d i ow a v e ，p r e c i s i o no f s 1c e n t i m e t e rc a l lb ea t t a i n e d c o m p a r e dw i t ht h ec o d i n gc a b l el o c a t i o ns y s t e m ，o u rm e t h o dc a l lo f f e r e q u i v a l e n to r i e n t a t i o np r e c i s i o na n dw o r k i n gr e l i a b i l i t y , w h i l eo u rm e t h o dh a s a no u t s t a n d i n ga d v a n t a g eo fl o wc o s t u s u a l l y , t h ec o s to ft h ec o d i n gc a b l e l o c a t i o ns y s t e mi se x t r e m e l yh i g ha b o u t18 0 ，0 0 0 3 6 0 ，0 0 0y u a n h o w e v e r , t h e e q u i p m e n t sa t t a c h e dt or a d i op h a s ep o s i t i o n i n gt e c h n o l o g yc o s tm e r e10 ，0 0 0 y u a n b yu s i n go u rm e t h o d ，c o d i n gc a b l e sa r eo fn ou s e ，s ot h a ta tl e a s t15 0 ，0 0 0 i i i 太原理工人学硕十研究生学位论文 y u a nc a nb es a v e d m ym a i nt a s ki st od e s i g nt h eh a r d w a r eo ft h ee n g i n ep o s i t i o n i n gs y s t e mo f t h et h r e el o c o m o t i v e s c o - j o i n tc h a i n f i r s t ，ih a v em a d ec a r e f u lr e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h et h e o r ya n dp r i n c i p l ea b o u tr a d i op h a s e d e t e c t i n gp o s i t i o n i n g b y t h es i m u l a t i o no fc i r c u i t s ，ih a v ed e c i d e dt h ew h o l ep r e c e p t ，s c h e m e do u t c i r c u i t si ne v e r yu n i t ，a m o n gw h i c ha r ec r y s t a ls u r g ec i r c u i t ，m o d u l a t i o na n d d e m o d u l a t i o nc i r c u i t ，a n d p h a s e d e t e c t i n g c i r c u i t i nt h ec o u r s eo ft h i s p r o b l e m s t u d y , im a i n l ys o l v es u c ht h r e ep r o b l e m sa sb e l o w ： 1 t oe n h a n c et h ea c c u r a c yo ft h ep h a s e d e t e c t i n ga n do v e r c o m et h eb l i n d a r e a ，ia d o p tt w os e tc i r c u i t sw o r k i n ga l t e r n a t e l ya n dg a i nt h ee x p e c t e dr e s u l t s 2 t ol o w e rc o s ta n di m p r o v es t a b i l i t y , i a d o p tt h ed o w nf r e q u e n c y c o n v e r s i o nt e c h n o l o g y 。a n dp r o v et h a ti td o e s n t e f f e c tt h ea c c u r a c yo ft h e p h a s e - d e t e c t i n g ，w h i c hh a sb e e nc o n f i r m e db yt h ee x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n s 3 t ol o w e rt h ec o m p l e x i t yo ft h es y s t e m ，ih a v eh a l v e dt h er e c e i v i n ga n d s e n d i n gc i r c u i t sb yu s i n gm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y t h r o u g ht h ee f f o r t so fm o r et h a no n ey e a r , ih a v ec o m p l e t e dt h em a i n h a r d w a r ed e s i g nt a s k ，a n dg a i ns o u n dr e s u l t so fm o d u l a t i o n t h ec o m p l e t i o no ft h i sp a p e rw i l le n a b l et h er a d i o p h a s ep o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yi nt h eh i g ha c c u r a c yp o s i t i o n i n gs y s t e mm o r ee a s i l yu n i v e r s a l k e y w o r d s ：p h a s e - d e t e c t o r , r a d i ow a v es e n d i n g ，h i g ha c c u r a c yp o s i t i o n i n g ， f r e q u e n c yc o n v e r s i o n ，m o d u l a t i o n i v 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：2 遂：皇! 呈里 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签 日期：蛰星丛。：3q 导师签名： 蚕窒! 缝 日期： 渺号、弘、 太原理1 大学硕+ 研究生学位论文 1 1 引言 第一章绪论 焦炭是冶金、机械、化工等工业的重要原料，随着我国国民经济的发展，工业对焦 炭的需求量逐年增加。尽管我国也是焦炭生产大国，全国大小焦炉有上千座，但由于生 产操作的自动化水平很低，目前的生产现状难以适应经济发展的需要。如何提高焦化生 产的自动化水平是当前的一个热门课题。 炼焦生产中往往几十个炉室同时工作，而且推焦作业频繁。焦炭成熟时，推焦车、 拦焦车、熄焦车( 简称三车) 即运行至该炉门，对准位置后进行下一步作业。由于机车 在焦炉两侧，互相看不见，采用人工方式对位( 喊号、挥红旗、使用对讲机等) 不仅费 力费时，易出现炉门摘不掉、关不上、推焦杆弯曲等设备故障，加之工人在高温及污染 的环境下工作视线被烟尘遮挡，一旦红焦落地将会发生人身伤亡事故。国内各生产厂家 对这一系统的需求迫切，已有的钢厂高价从国外购进三车连锁的控制系统，但由于价格 昂贵，能够实际应用的厂家很少。 焦化生产首先要将焦煤置于密闭的焦炉( 炭化室) 内，经过1 8 小时的千馏后，得 到红焦，然后由推焦车将红焦从焦炉中推出，并通过拦焦车上的导焦槽将红焦导入熄焦 车中，由熄焦车运送到熄焦塔进行喷水熄焦。装煤车负责将焦煤通过焦炉顶部的装煤口 送入到炉室中，其运行相对独立。 实际生产中，几十个甚至上百个炉室并排，这决定了机车行走距离长，往复频繁。 厂房中大量的粉尘及各种腐蚀性气体弥漫于生产现场，使系统的准确检测与控制难以保 证。综上所述，如何保证三车精确对位( 误差 l e n a ) ，安全、高效的协调运行，就成为 焦炉控制自动化生产的核心问题【1 捌。针对这些问题，各国研究人员相继提出多种解决 方案，值得我们借鉴。 1 国内最早的应用是将光电传感器( 一般采用旋转编码器) 安装在车轮上，用来 检测车辆运行位置，通过对旋转编码器输出的两路脉冲进行辨向，后接可逆计数器就可 实现焦车绝对位置的检测。这种方法具有设计难度低、电路设计简单、成本低廉、安装 调试方便、运行维护成本低等优点。但是由于焦车是大型机车，而且是露天工作，尤其 在雨雪天气下，焦车运行将会产生滑移，同时在常年高温高热的环境下焦车轨道容易变 太原理【大学硕士研究生学位论文 形，难免会产生检测误差和累计误差，难以保证机车的对正精度，因此仅用于炉号识别， 不能精确定位。 2 另一种低成本的解决方案即在轨道旁安装锯齿条，用齿轮带动旋转编码器，以 达到同步运转的目的。然而由于轨道不平，导致车辆横向窜动；落焦堵塞，经常造成齿 轮脱啮，不能正常使用。要想使系统可靠运行，就要设计出一套能够适应焦车运行状况 的联动装置，这本身就会增加系统的设计难度，同时也增加了新的不稳定因素，使可靠 性降低。 3 用接近开关加金属码牌进行炉号识别是克服粉尘干扰的一种方案。接近开关的 低成本、易维护、以及非接触的特点，非常适合焦车这种振动强烈形式下的炉号识别。 但由于接近开关有效感应距离短( 5 1 0 c m ) ，使接近开关与码牌间的距离难以控制，不 能保证精度。存在的不足是金属码牌不能实现绝对编码，使炉号识别的软件工作量和系 统的不稳定性因素增加【3 - 6 。 4 射频识别( 1 冲i d ) 是9 0 年代兴起的一项新型自动识别技术，它的突出优点是利 用无线射频方式进行非接触双向通讯，从而达到识别目标和数据交换的目的。利用电子 标签的信息标识可以完成多目标识别。r f i d 技术已应用于交通、商业自动化等领域。 利用r f i d 进行炉号识别，将具有固定编号的电子标签埋于每孔焦炉中，利用车上的读 写器来识别车辆的绝对地址。具有成本低、适应性强、无累计误差、抗干扰能力强及预 埋标签无源等优点。其缺点是对正精度偏低，但用于炉号识别还是能够满足要求的。 5 利用丫射线传播的强穿透性和直线性实现三车连锁是近年来出现的一个新方法。 丫射线适应环境的能力强，可在一2 0 。c 至5 0 。c 的温度下稳定工作，对正的精度非常高， 已经应用于宝钢，效果非常理想。但因射线具有放射性，对保护装置要求较高，使得系 统维护复杂，成本高；同时由于人们对射线的恐惧心理，也使得这项技术的推广受到限 制【7 ，引。 6 采用激光对正技术是国内的另一个创新技术，即在炉室旁按照炉室的距离预置 一排特定高度的钢辊，并在焦车上装鼓轮机构，当焦车行驶进入炉室区域后，钢辊会沿 着鼓轮表面的螺旋沟槽移动，从而拨动鼓轮旋转，带动鼓轮机构中增量式旋转编码器， 由焦车控制器完成炉号的读取和识别。其主要部件都是无源的机械机构。精确对位是利 用三灯显示激光对射装置进行检测，在炉室的对应区域埋入遮光板，通过三束激光的对 射和不同的反射结果，从而提高机车对正的精度。 2 太原理：( 人学硕士研究生学位论文 7 感应无线技术是发达国家七十年代兴起一种介于有线通信和无线通信之间的通 信技术。它通过车载感应天线与沿轨道安装的感应电缆之间的电磁感应来检测车载天线 在感应电缆长度方向上的位置，特别适用于机车的精确定位和连锁控制。该技术既解决 了有线通信拖带电缆易磨损、滑环产生火花影响通信质量的问题，又克服了无线通信干 扰大、可靠性差的缺点 9 , 1 0 】。 目前仅几个大公司掌握该技术【l l 珥】，主要应用于大型机车的数据通信、地址检测， 并结合计算机、自动化技术达到自动控制的目的。感应无线技术将无线通讯与炉号识别 合于一体，能实现大型移动设备的定位与控制，能够适应恶劣环境，是一种较好的解决 方案，已在些大型焦化厂投入使用。在我国，只有上海电器研究所、湖南岳阳电子研 究所和武汉利德科技公司等从事这方面的研究工作【2 5 3 0 l 。 8 全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是目前技术上最成熟且已 实用的一种卫星导航和定位系统。它是美国从本世纪7 0 年代开始研制，历时2 0 年，耗 资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定 位能力的新一代卫星导航与定位系统。设计粗码定位精度为1 0 0 m 左右，精码定位精度 为1 0 m 左右。全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，是迄今最好的导航 定位系统。但由于他的精度随各个卫星的不同，而时时发生着变化，一般精度为几米到 几十米。无法满足机车高精度定位的要求。 1 2 本课题的研究内容 本课题所研究的内容就在于将无线电鉴相定位技术用于机车定位系统中，用较低的 造价获得较高的定位精度，来精确定位每一辆机车( 以一辆机车为例) 所到达的具体位 置，误差 l c m 。具体方法是在机车轨道两端各安装一个无线电发射机，当机车在轨道 上行驶时，装在机车上的无线电接收机对接收到的两个无线电波进行相位比较，根据得 到的相位差数据经过计算来确定机车所在的精确位置。其主要包括以下内容： 1 主要介绍了系统的组成部分及各部分联系，针对鉴相的关键技术的解决方案论 证，对系统中主要子电路进行了仿真，实验结果良好，证实了系统的逻辑可行性。 2 了解鉴相器的工作原理，掌握其工作条件和输出结果。由于我们所研究的是无 线电鉴相定位技术，要熟悉鉴相器的工作特征，将鉴相器的鉴相结果转化为精确的机车 位置。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 由于鉴相盲区造成的影响，是本课题需要解决的关键问题，需两组鉴相器交替 工作。配合软件设计，根据鉴相器输出的结果，配合其他部分的功能电路实现精确定位。 4 为了降低系统复杂度，采用了调制技术，将低频信号调制到高频信号上，使得 发射天线的数目减半，同时使得用于接收鉴相的电路减半，降低复杂度的同时，降低了 成本。 5 实践中发现，在高频上进行鉴相，固然可以对高频和微波信号直接进行检测鉴 相，但由于频率较高，测相误差会比较大。因此，我们先将两路高频信号通过混频转换 成为相应的两个中频信号，然后在中频上进行鉴相。 总之，采用超短波无线定位技术具备了定位精度高，工作稳定可靠，造价低廉等特 点，而且用于短距离的机车定位系统中是可行的。该项技术一旦试制成功，必将会取代 无线感应电缆定位技术，有很高的实用性。将对我省的炼焦厂安全生产起到可靠的保障 作用，大大促进炼焦生产的发展。 1 3 三车连锁控制系统方案 从功能上考虑，可将三车连锁系统划分为几个相互独立，但又紧密关联的部分：信 号发射部分、机车天线接收处理部分、机车控制器部分和主控部分，如图1 1 所示。 1 信号发射部分完成稳定频率信号的产生，再由间隔2 0 0 米内的高塔发射出去。 要求这两个发射塔要发射同频同相的信号，以便根据机车接收信号相位的不同来确定其 精确位置。 2 设计了各单元电路，其中包括晶体振荡电路、调制和解调电路、鉴相电路等，并 进行了仿真。 3 机车天线接收处理是系统的核心。它主要是机车上的多天线来接收信号。由于多 天线间存在干扰，我们采用阁板将其分开，将接收到的信号分别进行处理，后送至鉴相 器。将相位差数据送至机车控制部分。 4 机车控制部分接收到相位差数据后，进行运算、处理和分析后将数据( 机车的位 置) 传送到主控部分。 5 主控制部分主要完成数据收集并分析，确定机车所在位置。 4 太原理：j ：大学硕士研究生学位论文 i 发射台 豳l 琵缀豳豳礴豳豳霪 强 豳i _ 日 豳蘑 上控制室 豳 臻疆霸髓 豳；日。_ _ _ _ 日强豳_ 目一 疆 一i 一 介彳产介 多 妙 辽 悉 赢 * ”一w = 了 掣 掣 蓦 捌 捌 剿 捌 延 延 朦黼 p ? 村# 龋谢“z “t l 靴# “， # 。，渊# 1 目g 煳_ t _ # ? o - ；一_ c i 群# ， z 一崔 ，i 。“o 叫 硝纛 孥 缎 爿 麟j | i i ；攀漆 蓊阑螺黪豢 犁 一 溺 麓 熊鬻瀵 粼 - = 隈 恨 米 _ i 籀 别赛* 辎毒隧燃囊 罨婷强暴 骶 赛婷犁器群 l l l鹾 i 乙o ，o二j 荔：鍪 ? - 。k m l蠢霪爨琵碧笼绻之 鳓 萋腻 i 婺匡蓁避斓翼l 太原理：【：大学硕士研究生学位论文 第二章无线电机车定位原理 2 1 无线电鉴相定位原理 2 1 1 鉴相器的工作原理 鉴相电路通常分为模拟电路型和数字电路型两大类，而在集成电路系统中，常见的 电路有乘积型鉴相和门电路鉴相。鉴相器用途广泛，不仅可以用于解调调相，在锁相环 电路中更是得到了广泛的应用。 1 乘积鉴相器的工作原理 这种鉴相电路采用模拟乘法器作为非线性元件就是频率变换，然后通过低通滤波器 取出原调制信号，其原理方框图如图所示，其中t l 。是许解调的调相波，u 2 是由u l 变化 来的或是系统自身产生的与l 1 l 有确定关系的参考信号，设u i 与u 2 是正交关系，即 u i2 u i 。e o s w d + 纯f 】 ( 2 一1 ) u 22 u 2 。c o s w d + 伤f 】 ( 2 2 ) f i g 2 。1p r o d u c tt y p ep h a s ed i a g r a m 因为u 2 是参考信号，仍f 通常为0 或者是常数，为了分析的简单，取仍f 为0 。根据 u 。和u ：。的大小不同，鉴相电路有三种工作情况：u l 和u 2 均为小信号；u l 为小信号， u 2 为大信号；u l 和u 2 均为大信号。根据数学上的计算得到： ( 1 ) 当u l 和u 2 均小于2 6 m v 时，线性不失真鉴相范围为 9 一= + r d 6 r a d ( 2 - 3 ) ( 2 ) 当u l 小于2 6 m v ，u 2 大于1 0 0 m y 时，线性不失真鉴相范围为 败一= + n 6 r a d ( 2 4 ) ( 3 ) 当l i l 和u 2 均为大于1 0 0 m y 的大信号时，线性不失真鉴相范围为 纹一= + 冗2 r a d ( 2 5 ) 6 太原理工人学硕士研究生学位论文 以上分析表明，乘积型鉴相器应尽量采用大信号工作状态，这样可获得较宽的线性 鉴相范围。 2 门电路鉴相器的工作原理 门电路鉴相器的电路简单，线性鉴相范围大，易于集成化，得到较为广泛的应用， 常用的有或门鉴相器和异或门鉴相器。 “拥 2 7 t 图2 - 2 异或门鉴相器原理图 f i g 2 - 2x o rg a t es c h e m a t i cp h a s e 图2 2 所示是一个异或门鉴相器的原理图。它是由异或门电路和低通滤波器组成。 若输入给鉴相器的两个信号u i ( f ) 和“：( f ) 均为周期为t 的方波信号，”。( r ) 与甜：( f ) 之间的 延时为f ，它反映两信号之间的相位差。因为异或门电路的两个输入电平不同时输入为 “1 电平，而其他情况均为“0 ”电平，所以异或门输出信号的波形“d 和经低通滤波 器得到的平均分量与纯的关系均示于图中。从图中可以看出，异或门鉴相器的输出“d 与 伊，的关系为三角形曲线，并可表示为 “d ( 仍) ：甜拥丝，( 0 纯万) ( 2 6 ) 7 太原理工大学硕七研究生学位论文 ( 纯) = ( 2 一丝) ，( o 纯2 万)( 2 。7 ) 7 2 1 2 定位原理 1 定位思想 基本定位设计思想是在轨道中央设置一个主站，由其中的主机振荡器产生所需的频 率信号，经过幅度调制后通过馈线传到轨道两端的发射天线上发射。安装在各个机车上 的接收机将接收到的信号解调出原来的两路信号，后由鉴相器分别比较所两路信号的相 位差，确定段问和段内位置，通过数学模型求出机车位置。 2 定位原理简介 这种高精度无线鉴相定位技术，是在机车轨道两端各安装一个无线电发射机，当机 车在轨道上行驶时，装在机车上的无线电接收机对接收到的两个无线电波进行相位比 较，根据相位差来确定机车的位置，如图2 3 所示。 行驶方向 2 2 基于a d 9 9 0 1 的鉴相电路 图2 - 3 简易原理图 f i g 2 - 3s i m p l es c h e m a t i c 2 2 1a d 9 9 0 1 的元件特性介绍 a d 9 9 0 1 是美国a d i 公司生产的超高速鉴频、鉴相器，可处理高达2 0 0 m h z 信号，具 有较高的相位稳定性。特别是当用它对中频输入进行鉴相或鉴频时不会出现常规锁相环 中常见的相位不确定现象，无需预分频。由于a d 9 9 0 1 采用了特殊的设计，在线性检测 范围内消除了其它电路所存在的不稳定相位检测区。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 a d 9 9 0 1 的一个主要特点是无需欲分频就可以对中频输入进行鉴相或鉴频，不会出 现常规锁相环( p l l ) 中常见的相位不确定现象。由于采用了特殊的设计，a d 9 9 0 1 的 线形范围不象其他电路有不稳定相位检测区。仅需要+ 5 v 电源，就能在t t l 或c m o s 逻辑电平下工作。它还能在一5 2 v 的e c l 电平输入下工作。集电极丌路的输出结构使输 出摆幅达到后继电路的输入要求。通过一个电阻就可简单设置芯片的输出电流，芯片工 作在低频时可以降低功耗 3 1 , 3 2 l 。 1 结构与引脚图 a d 9 9 0 1 有商业级( 工作温度范围为o 。c 7 0 。c ) ，也有军用级( 工作温度范围 一5 5 。c + 1 2 5 。c ) 芯片。商业级芯片采用1 4 脚d i p 和2 0 脚l c c 、p l c c 封装。我们 选用的是商业级t t l 型。引脚图如图2 - 4 所示： g r o u n d b l a s g r o u n d g r c i n d v c o i n p u t o i r t 甲u t + v s 图2 _ 4 a d 9 9 0 1 引脚图 f i g 2 - 4p i n so f a d 9 9 01 g r o u n d g r o u n d r e f e r e n c el n p u r + v c o u t p u t r s e t g r o u n d 引脚功能如下： g r o u n d ：接地端，尽可能靠近器件接到阻抗地。 + v s ：正电源端，一般t t l 型芯片接+ 5 v 。 b i a s ：偏压输入端，连接+ v s ( + 5 v ) 。 v c oi n p u t ：v o c 输入端，t t l 兼容输入，一般连接v c o 输入信号。 o u t p u t 、o u t p u t ：正向输出，反向输出。对t t l c o m s 型，输出摆幅接近+ 3 2 v , - - 一 + 5 v 。 r s 盯：连接外部电流设置电阻r s _ 盯。通过r s e 丁电阻器的电流与输出电流最大值相 等。对t t l 型器件，r s e t 应通过v - s r r 接地。电流i s o r = 0 4 7 v r s 盯= i l o a d ( m a x ) 。 9 太原理：l ：大学硕士研究生学位论文 r e f e r e n c ei n p u t ：参考输入，丌l 电平输入，一般接参考输入信号。 a d 9 9 0 1 的主要工作条件如表2 1 所示 表2 - 1a d 9 9 0 1 的工作条件 t a b l e 2 1w o r k i n gc o n d i t i o n so fa d 9 9 0 1 正电源电压( + v s1 r r 几电平) + 7 v 工作温度范围 0 7 0 负电源电压( - v se c l 电平) 7 v 存贮温度范围_ 6 5 1 5 0 电压输入范围( 1 几电平)0 + 5 5 v温度函数 差分输入电压( e c l 电平) 4 0 v塑料1 5 0 i s e t 电流1 2 m a陶瓷1 7 5 输入电流 3 0 m a 引线焊接温度 3 0 0 2 器件选择方案论证 鉴相技术是本课题的关键技术，鉴相的精度决定着定位的精度。所以根据本课题的 要求，不仅要有较高的鉴相精度，而且要有较高的工作频率。我们知道，定位精度为 l c m ，所需鉴相器( p d ) 的精度至少应该为l o 。由于发射信号为超高频信号，所以所 选鉴相器应为高频鉴相器。经查阅资料可知，型号为a d 9 9 0 1 及e 1 2 5 4 0 的鉴相器性能 符合要求a 4 l 。 ( 1 ) a d 9 9 0 1 和e 1 2 5 4 0 的性能比较如表2 - 2 所示： 袁2 - 2a d 9 9 0 1 和e 1 2 5 4 0 的性能比较 t a b l e 2 2p e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nt a b l eo fa d 9 9 0 1a n de12 5 4 0 性能 输 直接鉴鉴相灵鉴入输入电源( v )功耗 频鉴相敏度 线性鉴相范围 相信信号m w 频率l ( d死号电平 f 0 ( m h z ) v r a d区模 模式 产品 式 可 能单 e 1 2 5 4 08 0o 1 6 【- 加2 兀】 e c l 5 - 一5 2 3 5 0 存 端 在 与国差 e c l a d 9 9 0 l 2 0 0 ( - 2 7 v - - 2 ：) 无t 几影一5 ，22 1 8 有关分 c o m s 在一种应答机的载波跟踪和侧音解调技术中，数字鉴相器常选用了e 1 2 5 4 0 。但在 使用中发现，当直接鉴相频率在6 0 m h z 附近时，e 1 2 5 4 0 工作已很勉强，锁定状态极 不稳定，甚至产生假锁，给调试工作带来很大的难度。与之相比美国a d 公司生产的 a d 9 9 0 1 便是一种值得推荐的数字鉴频鉴相器。它具有直接鉴频鉴相频率高、鉴相灵敏 1 0 太原理一 大学硕士研究生学位论文 度高、无“死区”特性等诸多优点。 ( 2 ) 鉴相“死区 当鉴相器的参考信号和反馈信号的相位差很小时，鉴相器的输出不能跟踪输入信号 的相位差变化，此相位差的范围即称为鉴相器的鉴相“死区。具有“死区 的鉴相器 的鉴相特性曲线如图2 5 所示。 j 7 一 理想特征 死区 ， , - | | ，。f ! 一 。1 一 - 2 x ， + 2 冗 ， ，。 ，。 f ， ， 图2 5 鉴相器特性曲线 f i g 2 5c o m p a r i s o np h a s ec h a r a c t e r i s t i c sc r t v c 实际上，这种鉴相“死区特性对所有类型的数字式鉴频鉴相器都是存在的。但 e 1 2 5 4 0 未增加改进电路，当两个输入信号的相位差很小时，它们的下降沿在时间上靠 得非常近，在这样短的时间内很难完成整个置位和复位操作，以至于在触发器的输出端 产生不确定的翻转，即在鉴相特性中出现“死区”。另外，当输入信号的频率相当高时， 也会出现同样的问题，从而限制了鉴相器的工作频率。而a d 9 9 0 1 具有减小死区特性的 改进电路，从而使“死区”搬移至线性鉴相区的末端。因此，在使用过程中就展现出 无“死区”的优点，a d 9 9 0 1 鉴相特性曲线如图2 - 6 所示。 太原理工大学硕士研究生学位论文 ! 兀研 巧 ； 一 p 嘎 - 一 ： ， -， v 2 ； 鉴频区 鉴相区 ； 鉴频区 图2 6a d 9 9 0 1 的鉴频鉴相特性曲线 f i g 2 - 6c o m p a r i s o np h a s ea n df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so l r v eo f a d 9 9 0 1 2 2 2 工作原理 鉴相器的功能是当输出偏离参考输入信号频率时产生用于调整振荡器频率的误差 信号。实现鉴相器的一般方法是用模拟混频数字鉴相器( 异或门) 。 a d 9 9 0 1 是数字鉴相器。采用正逻辑，主要元件包括四个d 触发器，一个异或门和一 些输出逻辑电路，其内部主要元件连接如图2 7 所示。其中前两个d 触发器的作用是将输 入的信号进行二分频，在锁定状态中可以看出两个输入频率的二分频。a d 9 9 0 1 的输入 信号是脉冲串，输出正比于两个输入信号的相位差。 输 输 图2 7 a d 9 9 0 1 内部结构图 f i g 2 - 7i n t e r n a ls t r u c t u r eo fa d 9 9 0 1 1 2 出 太原理工大学硕士研究生学位论文 a d 9 9 0 1 采用异或门来鉴别两个输入信号，即当两个信号的相位相同时，异或输出0 ； 当两个信号的相位不同时，异或输出1 。由图中可以发现，两路信号在进入鉴相器之后， 前两个d 触发器起到了二分频的作用，后两个d 触发器对信号相位差进行了相位差鉴别。 当两方波加在x o r 门上，如果两路信号输入相位差1 8 0 度，输出信号的占空比为5 0 ， 在这种情况下，a d 9 9 0 1 工作在锁定状态。输入信号之问的任何相位关系都会引起输出 信号占空比的变化。 当脱离锁定时，a d 9 9 0 1 成了鉴频器。此时任何时候参考信号脉冲都比振荡器的输 出多发生两次，由于高频和低频触发器输出逻辑低电平，这可使x o r f 输出合适的电平， 以使振荡器接近参考频率。旦频率落在线性范围内，器件又工作成了鉴相器。把鉴频 和鉴相结合起来便使锁定区变成非线性区。 信号1 信号2 黜降n：nn输出( q l 处) illlil 纂盖别nnn 直流平均值 异或门输出 图2 - 8a d 9 9 0 1 工作时的波形图 f i g 2 8t h ew o r kw a v eo fa d 9 9 0 1 由图中可以发现，两路信号在进入鉴相器之后，前两个d 触发器起到了二分频的 作用，后两个d 触发器对信号相位差进行了相位差鉴别。所以对于分频前的两个信号 来说，在两个信号反相时，即相位相差1 8 0 0 时，异或后的占空比最大为l ；超过1 8 0 0 后又逐渐减小，在3 6 0 0 ，即两信号同相时占空比最小为0 。而对于分频后的信号来说， 两个信号异或后的占空比在0 - - 3 6 0 。内随度数线性增加，如图2 - 9 所示。 1 3 太原理j 【火学硕士研究生学位论文 差 1 8 护3 6 0 5 4 0 * 7 卯 相位差 图2 - 9 占空比相位差 f i g 2 - 9d u t yc y c l e - p h a s e 鉴于a d 9 9 0 1 的分频特性，在图2 1 l 占空比一度数中知道，我们只需要区分所得 到的相位差是在哪一个3 6 0 0 内和3 6 0 0 在内的哪一个精确度数上。为此我们分为段间位 置检测和段内位置检测，即要发射两个频率的信号。由后面的计算可知这两路信号的频 率分别为0 2 3 m h z 和8 3 3 m h z 。 以段内定位为例，图2 1 0 所示。因为定位精度要求是l c m ，所以我们取个简单联系， 一列波的相位是3 6 0 0 ，我们取l o 对应l c m ，那么我们所要发射的无线电波的波长就是 3 6 m ，经过换算可知此列波的频率为 厂2v 兄= 3 x 1 0 8 3 6 h z = 8 3 3 m h z ( 2 8 ) 搭建在机车轨道两端的发射塔，发射同频同相的无线电信号，由处于轨道中间的 机车( 实线) 来接收，此时接收天线接收到的信号频率相同，相位差为零。当机车向 右( 虚线) 或向左行驶时，天线接收到信号的相位会存在差值，本文正是利用这个相 位差来确定机车的位置的，曲线图如2 1 0 所示。上图代表机车处于轨道中间位置时接 收到两端的发射信号，相位差为零；下图表示的是机车行驶后处于某一地方时接收两 端的信号，由于两端的信号到达机车所需时间不同，在一个周期内两个信号的相位不 同。利用鉴相器来鉴定两列信号的相位差，从而确定机车的精确位置。 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 | | 一? | | 0 一 位差 ；丘t ，i一：、， 。 相位差值- 差万 。、：夕 7 ，s 图2 1 0 相位比较示意图 f i g 2 1 0c o m p a r i s o np h a s ed i a g r a m 我们让主站发射的信号频率是8 3 3 m h z ，经过调制将要传送的信息加载在载波上， 通过轨道两端的两组发射天线进行发射。接收机接收到高频信号后，首先经过高放和限 幅得到8 3 3 m h z 的信号。为了提高鉴相精度，把接收到的高频信号与本机振荡信号进行 混频得到中频信号。机车上另一个接收天线接收到高频后也经混频得到中频信号，两组 信号经选频放大后送入鉴相器鉴相，得到的相位差输入计算机处理后，得到段内定位结 果。 1 段内位置确定 本课题所研究的定位精度为l c m ，而现今鉴相器的精度已经达到l o ，所以可以确知 此高精度的定位是可以实现的。如前所述，我们只需要区分所得到的相位差是在哪一个 3 6 0 。内和在3 6 0 0 内的哪一个精确度数上。为了达到l c m 的精度，我们选用l o 代表l e n a ， 所以3 6 0 0 也就表示3 6 m ，这3 6 m 就是一个小段( 段内位置) ，如图2 1 1 所示。 1 8 0 03 6 0 。5 4 0 。7 2 0 。 图2 - 1 1 段内位置检测示意图 f i g 2 - 11p o s i t i o nd e t e c t i o ni nas e g m e n t 1 5 太原理一j ：大学硕士研究生学位论文 2 段间位置确定 段内位置确定是在3 6 m 罩的精确位置，段问位置确定是在2 0 0 m 左右的轨道上确定 机车位置是在哪个3 6 m 上，要求精度仍然是1c m 。所以我们选用发射一个长波信号，为 节约成本，将其调制在8 3 3 m h z 的高频信号上，每3 6 m 代表长波中的1 0 ，如图2 1 2 所示。 那么长波的波长为： 见= 3 6 x 3 6 0 = 1 2 9 6 m 。由公式c = ，a 可求得所发射长波的频率为： 厂= 阮= 3 1 0 9 6 = 0 - 2 3 z ( 2 - 9 ) o 图2 1 2 段问位置示意图 f i g 2 1 2p o s i t i o nd e t e c t i o nb e t w e e ns e g m e n t s 当段内与段间位置均确定后，通过数学模型将段间与段内结果进行运算，得到机车 位置数据输出。 高精度无线电鉴相定位为了保证其很高的精度，需要3 6 0 0 范围内鉴相，即 一2 万+ 2 万。但在实际中，就算是a d 9 9 0 1 这种无“死区”的鉴相器，当随着输入信号 f 频率的增加，线性鉴相范围会变小，产生鉴相盲区。典型的检测范围可用( 1 - f 3 6 n s ) x 3 6 0 0 来计算。如在本设计中频率为8 3 3 m h z 时，线性鉴相范围为4 - 2 5 2 0 。 i 为了解决鉴相器的盲区现象，我们采用双鉴相技术，即用软件控制选取两个