您现在的位置： 首页 >> 技术支持 >> 一种可实现高精度无线定位的多通道数字鉴相前端模块的设计和制作
一种可实现高精度无线定位的多通道数字鉴相前端模块的设计和制作
为了实现ETC车辆无线定位，设计了一种多通道数字接收前端模块，该模块采用九个天线、五路接收通道设计，通过精确测量不同天线的相位差实现车辆定位，模块具有内部校准电路，可对环境变化引起的相位变化进行校准以保持精确定位。实验结果表明模块五通道问相位差小于5°，幅度差小于1 dB，通道校准后内外相差小于2°。在国内ETC系统中首次使用该多通道鉴相模块，车辆定位精度小于1 m。
电子不停车收费(ETC)是用于公路、大桥和隧道的电子不停车收费系统，它通过路侧单元与车载射频标签之间的专用短程通信，在不需要司机停车和其他收费人员操作的情况下，完成收费处理全过程。在2007年中国自主知识产权的5．8 GHz ETC国家标准正式确立之后，中国ETC发展进入了快车道，但目前国内高速公路ETC系统多为单个通道，车辆通行时易产生“跟车干扰”，多车道时易产生“临道干扰”，在通行过程中对车速、车距都有相应要求，否则就会降低收费成功率，这些问题都对国内ETC发展产生了不利的影响。因此近年来，采用高精度定位技术实现自由流的高速公路收费系统已成为ETC技术的研究重点。
本文介绍了一种用于ETC系统高精度无线定位多通道数字鉴相前端，电路设计采用了九个天线和五个变频通道，利用通道间良好的相位一致性和稳定性，实现对目标物体的精确定位。同时该鉴相前端具备相位自校准电路，可以在各种环境中都保证定位精度。定位模块五通道间相位差小于5°，幅度差小于1 dB，利用内部相位校准电路和基带的DSP处理技术，使得通道校准后内外相差小于2°。系统误差校准后，对目标物体的定位精度小于1 m。
1 系统设计
为了实现高精度定位，数字鉴相前端模块采用九个天线，五路接收通道的设计，通过对各个天线间相位差的精确测量，并由基带DSP算法处理实现对目标物体的精确定位。模块的基本原理框图如图1所示。
本文中五路数字接收通道采用超外差式接收机结构方案，该系统分为两种工作模式：
(1)定位模式，该模式首先由射频开关选通五只天线的射频信号，再通过五路接收开关将信号送入五路LNA(低噪声放大器)放大25 dB后进入移相器调整相位后进行混频ωIF=ωRF-ωLO，本文中ωIF=41 MHz；ωRF=5 790 MHz，5 800 MHz；ωLO=5 749 MHz，5 759 MHz。本振信号由中国电科55所自主研发的WZB5000A锁相源产生，并通过高相位精度功分器分成五路提供给五路混频器，混频输出后经由中国电科55所自主研发的F217型放大器以及NDF41009N型SAW进行放大滤波后，将41 MHz中频信号送入基带DSP处理。
(2)校准模式，通过中国电科55所自主研发的K222型射频开关将输入信号切换到模块内部的校准信号，通过移相器和DSP处理对五路通道相位进行校准。本系统设计的核心就是通过多种方式保证五路数字鉴相通道的相位一致性，从而实现对目标物体的精确定位。
2 电路设计与实现
2．1 高相位精度五路功率分配器的设计与实现本文中五路功率分配器输出端口相位一致性是设计的要点之一，由于校准模式下五路功分器各个端口的相位差无法被校准，因此功分器各个端口误差将直接影响模块的相位测量准确性从而影响定位精度。本文中采用Wilkinson结构功分器级联的方式实现五路信号等功率等相位均分，电路具有结构简单，软件仿真准确度高，端口相位一致性易于控制的特点。
功率分配器是将输入信号按一定的比例分成多路输出的一种多端口网络，可直接、简单地将多路信号进行分配和合成。基本的功率分配器是一分二的三端口网络，信号从端口3输入，从特性阻抗为Z0的端口1和2输出，通过4个阻抗变换线段使得各个端口匹配，各个变换段的长度为1／4波长。电阻R为隔离电阻，如果端口2和1的输出电压比为K，则各变换段的特性阻抗为：
隔离电阻为：
本文中各级功分器的输出电压比K分别选取2／3，2／1和1。使用HFSS软件对功分器进行建模和仿真，结果如图2所示，板材选用Rogers RO4350，介电常数为3．48，厚度为0．508 mm，中心工作频率为5．8 GHz，带宽为200 MHz。图2(a)表明，各输入输出端口回波损耗小于-18 dB，插入损耗S21=-7．48 dB，S31=-7．69 dB，S41=-7．48 dB，S51=-7．75 dB，S61=-7．75 dB。最大-7．75 dB，最小-7．48 dB。输入端口到各分支输出端口的相位特性仿真结果如图2(b)所示。输入端口到各分支输出端口间相差分别为-74．05°，-73．04°，-73．53°，-74．85°，-74．78°。最大相差-74．78°，最小相差-73．04°。
高相位精度五路功率分配器实物如图3所示。一分五功分器实测五路输出相位差小于2°，和仿真结果一致，满足设计要求。
2．2 射频移相器的设计与实现
本文采用了开关线移相器设计来确保鉴相模块五通道间RF-IF相位的一致性，其基本原理如图4所示。
采用两个单刀双掷开关使信号在传输路径l1和l2之间转换，l1和l2的长度不同，传输相移不同，从而实现移相作用。两条路径间的相位延迟为：
式中：△φ为相移量；β为相位常数；λg为传输线中的波长。开关线移相器设计主要具有原理简单、结构易实现、移相温漂较小的优点，本文中采用三级移相器级联的形式可实现45°移相范围，移相精度为5．625°，同时为了避免谐振产生，设计中也对开关线长度作了优化。移相器实测结果可以满足设计要求。
3 鉴相前端模块测试结果
采用以上原理设计出的五通道数字鉴相模块如图5所示，其正面是由射频开关、LNA、移相器、混频器、SAW中频滤波器、中频放大器构成，为防止五路之间的信号串扰，设计采用金属隔成独立的五个腔体。模块背面是混频本振源以及校准信号源，可以通过单片机ATmega48-20MI实现对混频信号和校准信号的频率调整。
测试系统主要由Tektronix公司的DP070404B示波器、Agilent公司的N5230矢量网络分析仪、E4404B频谱仪、N5183A信号发生器等组成。
在定位工作模式下，使用一分五功分器模拟从天线端输入五路等相位射频信号，以第三路41 MHz中频信号作为基准，示波器测得其余端口中频信号和基准信号的相差，从图6可以看出此时五路相差小于5°，说明鉴相模块五通道间有很好的相位一致性。
数字鉴相模块的实际工作环境是室外，需要模块在-40～85℃均能够工作，在温度变化的条件下，各接收通道中的滤波器、移相器、混频器、放大器、电容、电感等元器件都会产生不同的相移，为保证在不同温度下五路相位的一致，模块采用了特有的校准电路对模块的各通道进行校准，在不同温度下，数字鉴相模块校准前后五通道间最大相位差的比较如图7所示。
通过图7比较可以看出，模块内部电路的相位校准可以使模块在工作温度范围内保证各通道间的相位一致性。将五路数字鉴相模块接入多车道ETC系统进行测试，通过基带DSP技术处理后，对时速100 km的目标物体定位精度可达到1 m左右，完全满足多车道电子收费系统的设计要求。该定位精度在国内ETC系统中已达到最高定位精度，在国际上处于先进水平。
4 结语
近年来物联网技术及产业一直保持快速增长的态势，ETC技术作为物联网四大支柱技术之一——RFID技术的重要分支也在快速发展。本文中介绍了一种可实现高精度无线定位的多通道数字鉴相前端模块的设计和制作，该模块具有在宽温度范围内均可实现精确定位的特点，在实际工程测试中已实现对时速100 km的目标物体进行精度小于1 m精确定位，定位精度已达到国际先进水平，其各项技术指标也均已达到设计要求，该模块的设计符合自由流的高速公路ETC收费系统的发展趋势，具有非常良好的应用前景。