基于無線傳輸?shù)闹悄芄幌到y(tǒng)的研究學(xué)士學(xué)位論文

1、摘 要近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車越來越普及，城際間的經(jīng)濟(jì)往來更加頻繁，造成大中城市交通日益擁擠。智能公交系統(tǒng)的出現(xiàn)能夠改善道路擁堵的現(xiàn)狀，是現(xiàn)代交通發(fā)展的必然趨勢。本文以此為出發(fā)點(diǎn)，研究設(shè)計了一種以AVR單片機(jī)為控制核心的智能無線傳輸系統(tǒng)。針對國內(nèi)公交系統(tǒng)的實(shí)際情況以及無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，本文研究了一種基于ATmega64L的高性能、低功耗的智能公交站牌，它利用無線通訊超高頻段以低成本實(shí)現(xiàn)公交企業(yè)運(yùn)營數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、快速傳輸及無線通訊系統(tǒng)車載智能設(shè)備及控制系統(tǒng)的實(shí)時通信，使公交企業(yè)能夠充分利用無線通訊系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)城市公交的車輛管理及信息查詢的智能化。系統(tǒng)主要由兩大塊組成，車載部分和站牌部

2、分。當(dāng)某路公交車到達(dá)某個站點(diǎn)時，車載無線發(fā)射器自動向站牌發(fā)送到站信號，經(jīng)調(diào)制解調(diào)后，站牌接受信號并顯示公交車目前的信息，以及將該信息傳到下一站牌，該電子站牌可為乘客提供公交車所處位置的實(shí)時信息，傳輸可靠性高、功耗低。本系統(tǒng)的控制芯片選用ATmega64L單片機(jī)；發(fā)射接收模塊選用無線收發(fā)芯片NA1TR8；計數(shù)模塊采用熱釋電紅外傳感器RE200B作為核心部件，檢測上下車人數(shù)；語音芯片選用美國ISD公司生產(chǎn)的ISD4004，并詳細(xì)介紹了各模塊的軟硬件設(shè)計。通過軟硬件調(diào)試，本文設(shè)計的智能公交站牌系統(tǒng)是切實(shí)可行的，其控制簡單、功耗低、運(yùn)行可靠，具有一定的推廣價值。關(guān)鍵詞：智能公交、無線通信、RE200B

3、、ISD4004目 錄1 緒 論11.1 課題的研究背景11.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢11.3 課題研究目的和意義21.4 論文的研究內(nèi)容41.5 論文的結(jié)構(gòu)102 無線智能公交系統(tǒng)總體設(shè)計62.1 系統(tǒng)方案選取62.2 系統(tǒng)組成及功能82.3 系統(tǒng)總體設(shè)計102.4 本章小結(jié)133 無線通信技術(shù)143.1 無線通信技術(shù)概述143.2 無線通信的工作原理213.3 無線收發(fā)模塊的選取263.4 無線通信協(xié)議103.5 IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)幀格式103.6 寬帶線性調(diào)頻信號的接收283.7 無線收發(fā)模塊硬件設(shè)計283.8 本章小結(jié)284 車載設(shè)備系統(tǒng)294.1 單片機(jī)主控模塊

4、的選擇294.2 單片機(jī)外圍電路設(shè)計354.3 紅外計數(shù)模塊設(shè)計394.4 語音模塊設(shè)計284.5 無線通信模塊電路設(shè)計284.6 本章小結(jié)395 站牌系統(tǒng)設(shè)計415.1 電子站牌總體設(shè)計415.2 顯示系統(tǒng)435.3 本章小結(jié)446 總結(jié)與展望456.1 全文總結(jié)436.2 展望43致 謝46攻讀碩士期間發(fā)表論文46參考文獻(xiàn)47Contents1 Introduction11.1 Background and Significance11.2 Digital Image Processing11.3 Research Status21.4 Main Contents , Innovative

5、s and Structure of the Paper42 Pretreatment of Image62.1 Image Grayscaling62.2 Image Filtering82.3 Image Binarization102.4 System Summary133 Dial Extraction143.1 Edge Detection143.2 Mathematical morphology213.3 Dial Extraction263.5 Summary284 Interpretation of meter294.1 Pointer Feature Extraction29

6、4.2 Confirm the Center of Circle354.3 Read and Recognition394.6 Summary405 Matlab Simulation and Error Analysis415.1 Matlab Simulation415.2 Error Analysis435.3 Summary446 Summarization and Expectation45Thanks46Reference Documents 47第一章 緒論1.1 課題研究的背景智能公交系統(tǒng)是未來公交系統(tǒng)的發(fā)展方向，它是將先進(jìn)的信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、控制技術(shù)及電

7、子傳感技術(shù)等有效的集成運(yùn)用于整個交通管理系統(tǒng)而建立的一種在大范圍內(nèi)發(fā)揮作用的，準(zhǔn)確、實(shí)時、高效的交通運(yùn)輸管理系統(tǒng)。智能公交系統(tǒng)是快速公交系統(tǒng)的重要組成部分，其充分考慮大中型城市先進(jìn)公交的運(yùn)行需要，采用網(wǎng)絡(luò)、控制、通信、計算機(jī)、數(shù)據(jù)處理及智能交通系統(tǒng)技術(shù)，提供可靠、高效、實(shí)用的運(yùn)營調(diào)度系統(tǒng)、車載電子系統(tǒng)、站臺智能系統(tǒng)等服務(wù)項目，逐步實(shí)現(xiàn)了“人-車-站-道”一體化，將公交優(yōu)先、合理調(diào)度、快速上下、安全舒適、人性化服務(wù)的功能發(fā)揮出來。智能公交系統(tǒng)的實(shí)施可以讓乘客清晰了解最優(yōu)化的乘車路線、車輛到站時間等信息，令城市公共交通更加順暢便捷。搭乘公交出行，我們難免遇到等待公交的問題，現(xiàn)在的公交站牌提供信息量

8、少，尤其在上下班高峰期，乘客們往往擁擠在公交站牌等待所乘公交車。為解決當(dāng)前公交系統(tǒng)提示信息的不足，本文研究了一種以AVR單片機(jī)為控制核心的智能無線傳輸系統(tǒng)，車載控制器以無線發(fā)送的方式將車輛信息發(fā)送到站牌顯示系統(tǒng)，比以往基于GPRS導(dǎo)航的公交系統(tǒng)更加直觀，讓出行者在等待公交時心中有數(shù)。隨著社會的發(fā)展，汽車數(shù)量不斷增加，交通問題日益突出。我國的公交系統(tǒng)早已建立，技術(shù)并不低于國外，一些較先進(jìn)的公交系統(tǒng)也早已建立，但是當(dāng)前的公交車準(zhǔn)時性較差，沒有確定的乘坐時間與等待時間。要想解決當(dāng)前的問題，就必須提高公交服務(wù)水平，使其科學(xué)運(yùn)營、準(zhǔn)時到站。這其中電子站牌系統(tǒng)起著重要的作用。基于以上的觀點(diǎn)，本文結(jié)合現(xiàn)有的

9、系統(tǒng)，設(shè)計出一種新型的智能公交站牌。1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢在20世紀(jì)80年代中期，歐洲10多個國家投資50多億美元，旨在完善道路設(shè)施，其他新興的工業(yè)國家和發(fā)展中國家也開始智能交通系統(tǒng)的開發(fā)和研究。1995年美國制定了“國家智能交通項目規(guī)劃”，明確規(guī)定了智能交通系統(tǒng)的領(lǐng)域，美國的先進(jìn)公共交通項目主要研究基于動態(tài)公共交通信息的實(shí)時調(diào)度理論和實(shí)時信息發(fā)布理論以及使用先進(jìn)的電子通訊技術(shù)來提高公共效率和服務(wù)水平的實(shí)施技術(shù)。1991年美國國會通過了“綜合地面運(yùn)輸效率方案”旨在利用高新技術(shù)提高路網(wǎng)的效率。日本早在1973年就開始了對智能交通系統(tǒng)的研究，目前日本已成功地開發(fā)了智能導(dǎo)航系統(tǒng)和公共交通管理系統(tǒng)

10、，智能導(dǎo)航系統(tǒng)向用戶提供道路通行情況及天氣情況等有關(guān)交通信息、電子地圖和GPS服務(wù)，這對日本的智能交通系統(tǒng)的良好發(fā)展起到了很大的推動作用。我國對于智能交通的研究起步較晚，目前還處于發(fā)展階段。近幾年，隨著智能公交系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)，我國城市的公交信息服務(wù)已達(dá)到了快速發(fā)展，在發(fā)展過程中，必須充分考慮城市交通系統(tǒng)對公交系統(tǒng)的影響，利用智能公交調(diào)度系統(tǒng)的公交車輛定位、形成時間預(yù)測等數(shù)據(jù)，綜合道路交通狀況，可以建立針對公交服務(wù)水平的動態(tài)評價模型，是公交企業(yè)可以實(shí)時評估公交系統(tǒng)的運(yùn)營狀態(tài)，根據(jù)企業(yè)的運(yùn)營服務(wù)目標(biāo)調(diào)整車輛調(diào)度計劃。1.3課題的目的和意義本課題的目的是研究一種新型的智能公交系統(tǒng)，解決以往公共交

11、通系統(tǒng)中存在的不足，促進(jìn)智能公交系統(tǒng)在城市中的普及，方便人們在等待公交的時候能直觀地看到自己所要乘坐的公交車的具體行駛位置，讓乘客能夠更加合理地安排自己的出乘計劃。汽車擁有量的增加是社會發(fā)展的結(jié)果，雖能控制，但大趨勢不可改變；而城市線路已基本固定，大量增加道路已不太可能，為避免交通的擁擠，人們不得不把眼光投向公交系統(tǒng)的改善，但是當(dāng)前的公交站牌大多存在著不實(shí)用、亂等不合理的問題，因此，設(shè)計一種新型的公交站牌系統(tǒng)是必要的。智能公交站牌信息顯示系統(tǒng)利用無線傳輸電路和LED顯示電路實(shí)現(xiàn)了公交站牌的信息顯示，該站牌顯示系統(tǒng)具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單和系統(tǒng)性能穩(wěn)定的優(yōu)勢，勝于復(fù)雜的GPS信息顯示系統(tǒng)。通過利用

12、該系統(tǒng)不僅能夠滿足中小城市公交系統(tǒng)的應(yīng)用，滿足人們出行的需求，還能提高城市公交的運(yùn)行效率，改善公交系統(tǒng)的服務(wù)水平。1.4 論文的研究內(nèi)容本課題主要圍繞無線通信智能控制系統(tǒng)的研究展開，主要內(nèi)容涉及自動收發(fā)模塊、調(diào)整模塊和無線通信模塊幾個部分，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是其共同協(xié)調(diào)運(yùn)行的結(jié)果，因此本論文的研究內(nèi)容可以分為四部分：（一）自動收發(fā)模塊的設(shè)計：公交車上安裝自動發(fā)射模塊，該發(fā)射模塊由無線發(fā)射電路和帶地址編碼的芯片來實(shí)現(xiàn)的。 （二）調(diào)整模塊的設(shè)計：通過編碼譯碼的方式來實(shí)現(xiàn)。（三）無線通信模塊的設(shè)計： 無線通信模塊是實(shí)現(xiàn)公交車與站點(diǎn)以及相鄰站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信，由NA1TR8無線收發(fā)器和單片機(jī)串口通信來完成。1

13、.5 論文的結(jié)構(gòu)按照課題研究的內(nèi)容，本文共分為6章：第一章 主要介紹了課題研究背景和意義，以及國內(nèi)外智能公交系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并就目前公交系統(tǒng)的概況，分析了本課題要做的工作。第二章 主要對智能公交系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計，通過介紹系統(tǒng)的研究思路，提出了以AVR單片機(jī)為控制系統(tǒng)的核心，以NA1YR8為數(shù)據(jù)信息的傳輸方式，為課題的展開奠定理論基礎(chǔ)。第三章 本章的主要內(nèi)容是公交系統(tǒng)信息傳輸關(guān)鍵技術(shù)無線通信技術(shù)的介紹，包括無線通信的基本結(jié)構(gòu)組成及工作原理，以及對本文所選用的收發(fā)芯片NA1TR8的相關(guān)功能介紹，無線通信協(xié)議的相關(guān)知識和IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)幀格式的介紹，信號的產(chǎn)

14、生和接收的介紹，最后介紹無線通信具體各模塊的電路設(shè)計。第四章 主要介紹了車載系統(tǒng)的研究和設(shè)計，以ATmega64L單片機(jī)為主控系統(tǒng)，NA1TR8作為本課題的無線收發(fā)器，對信息的處理和發(fā)送進(jìn)行了研究，并在此基礎(chǔ)上做出了系統(tǒng)硬件設(shè)計。第五章 本章主要介紹公交站牌系統(tǒng)的設(shè)計，站牌系統(tǒng)主要由電源模塊、顯示模塊和收發(fā)模塊組成，并詳細(xì)說明了各模塊的工作原理、硬件電路連接和實(shí)現(xiàn)功能。第六章 第二章 無線智能公交系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 系統(tǒng)方案選擇隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外研究智能公交系統(tǒng)的方式也越來越多，主要有兩種方式：基于GPS的智能公交設(shè)計和基于無線收發(fā)模塊的智能公交設(shè)計。（1）基于GPS的智能公交設(shè)計

15、20采用GPS定位系統(tǒng)，對公交車定位，在公交車行駛過程中，定位系統(tǒng)通過移動通信和中心服務(wù)器建立聯(lián)系，當(dāng)公交車的經(jīng)緯度與車站的經(jīng)緯度相接近時，確定定位，車輛把數(shù)據(jù)信息上傳到中心，服務(wù)器接收數(shù)據(jù)并處理后，將數(shù)據(jù)傳送到站牌系統(tǒng)，但是這種方案有很大的問題：現(xiàn)在大、中城市的建筑物，像高架橋、高樓隨處可見，阻礙了GPS應(yīng)該發(fā)揮的原本效果，這種局限性在特大城市中更加明顯。GPS通信鏈路單一，并且容錯性也不是很高，如果在一個完整的通信過程中，某一小部分出現(xiàn)了問題，整個通信系統(tǒng)將會停止運(yùn)行，處于癱瘓狀態(tài)。另外，GPS通信造價太高，還要對地形勘察，任務(wù)艱巨。（2）基于無線收發(fā)模塊的智能公交設(shè)計基于無線收發(fā)模塊的智

16、能公交設(shè)計是利用無線收發(fā)芯片，把公交車的實(shí)時數(shù)據(jù)信息傳送到電子站牌系統(tǒng)，該傳輸系統(tǒng)可采用現(xiàn)成的無線收發(fā)模塊，穩(wěn)定性高、調(diào)節(jié)方便、傳輸速度快、功耗低、價格相對便宜，在設(shè)計中較GPS省去了很多繁重的工作。因此，本課題的研究采用基于無線收發(fā)模塊來完成智能公交設(shè)計。 20陳勝，董德存公交電子站牌分析J交通科技與經(jīng)濟(jì),2009, 第 4 期2.2 系統(tǒng)組成及功能（1） 智能站牌系統(tǒng)在智能公交設(shè)計中，站臺部分是不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施之一，也是整個系統(tǒng)服務(wù)于乘客的必要環(huán)節(jié)，智能公交站臺系統(tǒng)主要包括車輛的識別、客流的采集、車輛信息的查詢等幾個主要部分。（2）智能車載系統(tǒng)車載電子設(shè)備是智能公交系統(tǒng)的重要組成部分，是

17、公交車與站臺、與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸?shù)谋夭豢缮俚难b備，也是智能公交為出行者服務(wù)的必要手段，保證系統(tǒng)高效運(yùn)行、方便快捷。車載電子系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)主要有： 采集車輛位置、工作狀態(tài)等信息。 建立公交車、站臺、監(jiān)控中心的無線通訊聯(lián)系，為實(shí)現(xiàn)公交智能化提供條件。 提供監(jiān)控中心對行駛車輛及設(shè)備的全面監(jiān)控，是西安公交運(yùn)營的實(shí)時性和過程監(jiān)控。 提供面向駕駛員的輔助調(diào)度界面。（3）無線通信系統(tǒng)智能無線系統(tǒng)的核心主要是怎樣準(zhǔn)確、快速、高效、及時的得到信息，以及怎樣進(jìn)行處理信息，而信息的傳輸離不開通信技術(shù)，通信技術(shù)為智能公交系統(tǒng)的正常運(yùn)營提供基礎(chǔ)平臺。智能公交中所需要的信息，像哪一路公交車到達(dá)哪一站臺以及客流量的信息

18、，一般需要無線通信來實(shí)現(xiàn)。2.3 系統(tǒng)總體設(shè)計智能公交系統(tǒng)基于計算機(jī)控制技術(shù)、先進(jìn)的信息技術(shù)、無線通信技術(shù)、地理信息技術(shù)的綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)公交交通系統(tǒng)運(yùn)營的信息化和智能化。如乘客外出在公交站牌等車時，能夠在站牌顯示系統(tǒng)中獲取其需要搭乘的公交車的到站情況和車上人數(shù)，根據(jù)自己需要，選擇坐公交車還是選擇其他交通工具；另外，車輛監(jiān)控人員可在調(diào)度中心監(jiān)視各路公交車的行駛情況。和其他電子站牌一樣，本設(shè)計系統(tǒng)主要由車載裝置和站牌系統(tǒng)兩部分組成15。當(dāng)某路公交車到達(dá)某個站牌時，公交車車載控制器通過收發(fā)器發(fā)出信息，電子公交站牌獲取公交車上傳信息，公交車與電子站牌和電子站牌之間采用無線通信方式完成信息得傳輸。圖2.

19、1以某一線路某路公交車為例說明系統(tǒng)的構(gòu)成。圖2.3 系統(tǒng)總構(gòu)成圖Fig.2.3 System structure diagram15 Suai-Zhang. Research on Intelligent Passenger Information System based on Its Traffic congestion exists widely in China large cities. Electronic Technology20Ron Franke. Porting application software in the embedded systemenvironment.

20、Electronic engineering,2000：3541.站牌主要由電源、LED燈、無線發(fā)射模塊和單片機(jī)控制模塊組成，當(dāng)某路公交車到達(dá)某個站牌時，公交車車載控制器通過收發(fā)器發(fā)出信息，電子公交站牌自動獲取公交車上傳信息，公交站牌顯示屏上相對應(yīng)的LED燈亮。再由站牌內(nèi)的收發(fā)器將這一信息傳至該路車行車線路站牌中其他站的公交站牌，并在該線路上的其他電子站牌上相對應(yīng)的LED燈亮。 例如某市1路公交車沿途共經(jīng)過15站，對每一站賦予相應(yīng)的代碼，用四位二進(jìn)制數(shù)顯示，收發(fā)器接收來自公交車信息以及向下一站發(fā)送信息，站牌顯公交車信息， 如某1路公交車沿途所經(jīng)過的站名如表1所示。表1 1路車所經(jīng)路線則公交車編

21、號如表2所示。表2 數(shù)據(jù)庫中存儲站名編碼表2 系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理整個系統(tǒng)分為三大部分，公交車車載控制模塊、站牌系統(tǒng)模塊和無線收發(fā)模塊。車載控制模塊即發(fā)射部分和接收部分，其發(fā)射部分包括信號調(diào)制和發(fā)射模塊，接收部分包括接收模塊、信號解調(diào)、顯示等。當(dāng)公交車到達(dá)某一站附近時，公交車上的發(fā)送器將信號輸出到nanoLOC TRX芯片1，經(jīng)調(diào)制，以射頻信號發(fā)射出去，電子站牌的射頻識別模塊能夠檢測到幾十米范圍內(nèi)上傳的公交信息2，并對信息進(jìn)行處理，得出具體的公交車信息，然后再利用LED燈來顯示公交車的位置信息，該收發(fā)器將信號傳至下一站牌，以此類推，這樣在站點(diǎn)等車的乘客就可以了解到所乘公交車的具體行駛位置了。系

22、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖這樣，本文所提出的設(shè)計方法解決了怎樣確定公交車即將到達(dá)哪一站點(diǎn)的問題，也說明了公交車只是在自己的行車路線上的所有站點(diǎn)中站站接力的方式傳達(dá)本車信息，跟其他線路是沒有關(guān)系的。在公交車信息傳送的終點(diǎn)即線路的終點(diǎn)監(jiān)控室可獲得整個線路的公交車的信息，方便了調(diào)度中心的集中管理和控制。公交車車載控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車上人數(shù)統(tǒng)計、語音報站和向靠近的站牌發(fā)送本車的具體數(shù)據(jù)信息的功能，其原理圖如圖2.3（1）所示；公交車電子站牌系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了顯示到達(dá)該站點(diǎn)所有公交車即將到站的信息，方便乘客查看自己所乘公交車的情況以及向所經(jīng)路線的下游站點(diǎn)傳送本車信息的功能，其原理圖如圖2.3（2）所

23、示。圖5.6 車載系統(tǒng)原理圖 圖5.6 站臺系統(tǒng)原理圖Fig. 5.6 Flow chart of wireless comFig. 5.6 Flow chart of wireless communication 該系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程如圖2所示，公交車到達(dá)A站后，則在下面的B、C站點(diǎn)會依次點(diǎn)亮A站點(diǎn)的LED燈，來表示車輛目前的位置。以1路和2路車為例，當(dāng)1路車分別到達(dá)A、C站點(diǎn)時，A站點(diǎn)顯示已到達(dá)的1路車的信息，在B站點(diǎn)顯示的是1路車到達(dá)A站點(diǎn)的信息，而C站點(diǎn)顯示的是到達(dá)C站點(diǎn)和未到達(dá)C站點(diǎn)的所有1路車的信息。 圖5.6 公交車運(yùn)行示意圖Fig. 5.6 Flow chart of wire

24、less communication program2.4 本章小結(jié)本章主要內(nèi)容為無線通信系統(tǒng)的智能公交系統(tǒng)的方案選擇和總體設(shè)計，主要包括通信方式的對比、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和基本原理。綜合考慮各方面，在滿足設(shè)計需要的前提下，采用模塊化設(shè)計的思想，提出了控制系統(tǒng)的總體設(shè)計框架。第三章 無線通信技術(shù)3.1 無線通信系統(tǒng)概述3.1.1 無線通信系統(tǒng)的組成所謂通信d，就是將信息從發(fā)送者傳輸?shù)浇邮苷叩倪^程，完成這個過程的系統(tǒng)稱為通信系統(tǒng)，包括有線和無線通信。一個完整通信系統(tǒng)的組成框圖如圖3.1所示。 圖3.3 通信系統(tǒng)的基本組成Fig. 3.3 Flow chart of wireless communicat

25、ion program信源：信源就是信號的產(chǎn)生（物），即信息的來源。可以是語言、文字、聲響、圖像等形式。輸入變換器：它的作用是把要傳遞的信號變成電信號，不同的信源需要不同的變換器。通常把這種電信號稱為基帶信號，該信號通常是低頻信號，它可能是數(shù)字信號，也可能是模擬信號。發(fā)射機(jī)：它的作用是將基帶信號變換成適合在不同信道內(nèi)有效傳輸?shù)男盘?，這種變換稱為調(diào)制，包括振蕩、放大、調(diào)制、輸出等。調(diào)制后的信號稱為已調(diào)信號，或通帶信號。信道：是發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的傳輸媒介，主要包括有線和無線兩種。有線信道是利用電線、電纜等來傳輸信號；無線信道是利用電磁波來傳輸信號，在無線模擬通信系統(tǒng)中，信道是指自由空間。接收機(jī)：

26、接收是發(fā)射的逆過程，它將由信道送來的已調(diào)信號變換為源端的基帶信號。包含混頻、解調(diào)、放大等。輸出變換器：它的作用是將傳輸來的基帶信號變換成所需要的信息。a李靜基于USB的短距離無線通信系統(tǒng)在分布式地震儀中的應(yīng)用吉林大學(xué)碩士論文,2007,4b白立峰點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)西安電子科技大學(xué)碩士論文,2010,5c時志云近距離高速無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究中北大學(xué)碩士論文,2008,4,18d李文遠(yuǎn)無線通信技術(shù)概論M國防工業(yè)出版社,2006,43.1.2 無線通信系統(tǒng)的特點(diǎn)無線通信系統(tǒng)不同于有線通信，所具有的特點(diǎn)是d a：1、無線電通信可以利用空間作為通信媒介，建設(shè)快、投資省、靈活性大，不受地形阻

27、隔。特別是對于應(yīng)急通信，抗災(zāi)通信更有獨(dú)特的優(yōu)越性。2、無線電通信可以傳送電報、電話、傳真、圖像、電視及現(xiàn)代通信的新業(yè)務(wù)，可保證高的傳輸質(zhì)量；而且還具有全球性或區(qū)域性廣播能力，是廣播、電視的重要傳輸手段。3、無線電波的傳播受氣候和環(huán)境的影響，如短波傳播受太陽黑子、磁暴、對電離層騷擾、雷電、工業(yè)性干擾和核爆炸等的影響，微波傳播則受大氣折射、地面反射、雨雪云霧的影響，這些影響或形成衰落、或造成干擾，因此無線電通信設(shè)備要采取各種技術(shù)措施以消除或盡量減小衰落、干擾和噪聲的影響。為保證高質(zhì)量的通信，也要對電磁波環(huán)境進(jìn)行管理以消除各種電器設(shè)備對無線電通信的干擾及通信互相干擾。4、無線電通信，存在易于截獲、竊

28、聽等問題，對重要保密通信，應(yīng)采取終端保密措施。現(xiàn)代化保密設(shè)備已可做到短期或長期的保密不被破譯，因此可根據(jù)不同條件使用無線電通信。3.1.3 無線通信系統(tǒng)的分類無線通信系統(tǒng)可以分為很多不同的類型d a。根據(jù)傳輸信號的不同，分為數(shù)字無線通信和模擬無線通信；根據(jù)無線終端狀態(tài)的不同，可分為移動無線通信和固定無線通信；根據(jù)信道路徑與傳輸方式的不同，可分為微波中繼通信、衛(wèi)星通信；根據(jù)電磁波波長或頻率的不同，可分為長波通信、中波通信、短波通信、超短波通信。不同頻率的波有不同的傳輸特點(diǎn)，因此在使用的時候，應(yīng)根據(jù)需要選用所需波段。表3.1為無線電通信中電磁波波段使用情況。表2.2 無線電波段劃分表Tab.2.2

29、The Performace Comparison of several RF Components波段名稱波長范圍頻率范圍主要用途超長波105104 m303KHz長距離通信、導(dǎo)航、頻率標(biāo)準(zhǔn)長波104103 m30300KHz長距離通信、導(dǎo)航中波103102 m3003KHz廣播、船舶通信、飛行通信短波10010 m330MHz廣播、各種通信超短波101 m30300MHz短距離通信、電視雷達(dá)導(dǎo)航分米波10.1 m3003000MHz短距離通信、雷達(dá)散射通信厘米波101c m330GHz短距離通信、雷達(dá)衛(wèi)星通信毫米波101 mm30300MHz穿入大氣層時的通信3.1.4 無線通信系統(tǒng)的主要

30、結(jié)構(gòu)單元在無線通信系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)是最重要的兩個單元。發(fā)射機(jī)將基帶信號變換成適合在不同信道內(nèi)有效傳輸?shù)母哳l信號，并發(fā)送到一定的信道上。接收機(jī)是發(fā)射的逆過程，它將由信道送來的已調(diào)信號在噪聲和干擾的環(huán)境中提取出有用的信息。發(fā)射、接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖分別如圖3.2（a）、3.2（b）所示。圖5.6 發(fā)射機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖Fig. 5.6 Flow chart of wireless communication program圖5.6 接收機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖Fig. 5.6 Flow chart of wireless communication program每個單元包括以下幾個模塊c：功率放大器、低噪聲放大

31、器、振蕩器、混頻器（降頻器和升頻器）、射頻濾波器、中頻濾波器和中頻放大器。分析整個射頻通信系統(tǒng)，最重要的器件就是放大器、混頻器、振蕩器和濾波器。發(fā)送信號時，從基帶模塊發(fā)送出的模擬信號，經(jīng)過中頻放大、濾波、升頻、功率放大后通過天線發(fā)射出去；接收機(jī)部分經(jīng)天線接收發(fā)送來的射頻信號，經(jīng)過濾波、放大后和本地振蕩器產(chǎn)生的本地振蕩信號混頻，產(chǎn)生中頻信號，然后再經(jīng)放大，輸送到基帶部分。下面將詳細(xì)分析各模塊功能和性能指標(biāo)。(1)低噪聲放大器(LNA)低噪聲放大器主要由四個明顯的特征。一是接收機(jī)前端的主要部分，主要對收到的微弱信號降低噪聲和放大，要求噪聲越小越好。為了防止產(chǎn)生非線性失真，又要求其增益不能夠過大。其

32、二，由于受傳輸過程中路徑的影響，加上接收的信號本身就很微弱，以致信號的強(qiáng)弱不固定，在傳輸路途中還可能摻雜著其他比較強(qiáng)的信號，這就要求低噪聲放大器有較大的線性范圍，并且具有可調(diào)的增益。第三，為了抑制部分鏡像頻率的影響，應(yīng)具有選頻功能。第四，低噪聲放大器應(yīng)該和天線保持很好的匹配，保證信號以最小的噪聲干擾最大的傳輸功率進(jìn)行傳輸。低噪聲放大器技術(shù)指標(biāo)c主要為：線性范圍合適、噪聲系數(shù)較低、增益均衡、輸入輸出阻抗匹配等。這些指標(biāo)之間即相互聯(lián)系，有相互矛盾，既要求滿足系統(tǒng)正常的傳輸信號，又要保證減小其他外界信號對系統(tǒng)的干擾。其中，低噪聲放大器和信號源的匹配至關(guān)重要。匹配通常有兩種方式：一是得到最小噪聲干擾的

33、噪聲匹配；二是得到最小反射損耗和最大功率傳輸?shù)墓捕笃ヅ洹Ｄ壳埃蟛糠值腖NA采用共軛匹配，這種匹配可以避免傳輸過程中的能量反射。(2)射頻功率放大器在無線發(fā)射系統(tǒng)中，為了使信息進(jìn)行有效的遠(yuǎn)距離傳輸，這就需要發(fā)送的信號具有較大功率，射頻功率放大器通常工作在發(fā)射機(jī)的末級，它的作用是保證調(diào)制好的信號放大到一定的功率，經(jīng)天線發(fā)送，使接收端在一定的范圍內(nèi)接受到有效的發(fā)送信號，并且保證不摻雜其他信道的干擾信號25。其技術(shù)指標(biāo)主要是：功率、雜散輸出與噪聲、線性、效率等。其中，基站功率通常為十幾到一百瓦，袖珍機(jī)功率通常為零點(diǎn)幾瓦。它的效率一般有兩種方法，其一是功率增加效率，是輸入輸出功率之差與電源提供功率的比

34、值；其二是集電極效率，是輸出功率與電源提供功率的比值。線性通常用來描述已處理好的信號的失真度，分為線性和非線性兩種。放大器線性越大，說明其性能越好；非線性有較高的功率，但在工作時，會產(chǎn)生一定的不利的影響。25Carl J. Weisman 著. 劉志華，徐紅艷，李萍譯. 射頻和無線技術(shù)入門. 北京：清華大學(xué)出版社，2004. 1944(3)混頻器混頻器是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，混頻器實(shí)現(xiàn)了兩種不同信號的乘積，通過其他部件的非線性完成的。在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)中分別采用上混頻器和下混頻器，上混頻器是完成信號從中頻到射頻段的轉(zhuǎn)移，則下混頻器的作用與之相反，它是完成信號從射頻到中頻的轉(zhuǎn)移。它將已調(diào)制的

35、中頻信號搬移到射頻段。其技術(shù)指標(biāo)主要是：線性范圍、增益、噪聲、阻抗匹配、輸入輸出端口的隔離等。其具體的技術(shù)指標(biāo)如表2.2所示。表2.2 混頻器主要性能指標(biāo)Tab.2.2The Performace Comparison of several RF Components增益10dBNF12dBIIP3+5dBm輸入阻抗50口間隔離1020dB (4)震蕩器振蕩器可分為固態(tài)振蕩器和電真空振蕩器，前者具有制作成本低、結(jié)構(gòu)簡單、低功耗、體積小的優(yōu)點(diǎn)，因此使用時一般都采用固態(tài)振蕩器。振蕩器的作用是產(chǎn)生用來驅(qū)動混頻器工作的射頻周期信號，是無線通信系統(tǒng)中不可或缺的重要器件。目前，在很多試驗中廣泛使用頻率合成

36、器，主要由參考源和兩個振蕩器組成。頻率合成器具有較低的噪聲、較高的效率、系統(tǒng)易于集成等特點(diǎn)。小信號振蕩器一般用于實(shí)驗室測量和較小范圍的傳輸，大信號振蕩器則通常用于發(fā)射機(jī)單元。主要技術(shù)指標(biāo)是：工作頻率范圍、長期頻率穩(wěn)定度、射頻輸出功率、調(diào)諧時間、調(diào)諧特性、調(diào)后漂移、諧波電平、推頻系數(shù)、工作溫度范圍及電源要求等。(5)濾波器在無線通信系統(tǒng)進(jìn)行信號傳播的過程中，難免會引進(jìn)入一些特定頻率以外的成分。濾波器的作用是利用離散時間特性對收到的信號波形進(jìn)行處理，保留系統(tǒng)需要的有用的信號，過濾掉該有效信號頻率以外的干擾信號。濾波器有模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種，模擬濾波器又分為有源和無源濾波器。在射頻電路的研究中

37、，大部分采用模擬濾波器，一般用無源電路來實(shí)現(xiàn)；而數(shù)字濾波電路需要占用單片機(jī)資源，工作頻率較低，在一般使用中，需要利用有源電路來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波28。28劉長軍，黃卡瑪，閆麗萍. 射頻通信電路設(shè)計. 北京：科學(xué)出版社,2005. 4344463.2 無線通信系統(tǒng)的工作原理所謂無線通信，就是利用空間電磁波作為傳輸介質(zhì)，在空中傳遞信號，將信息從發(fā)送方傳到接收方的過程。本系統(tǒng)中，公交車載系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)如公交車編號、車路號經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行一系列處理后變?yōu)楦哳l信號，送入發(fā)射模塊，通過天線發(fā)送出去，公交車站牌系統(tǒng)接收模塊接收數(shù)據(jù)，再經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行處理以LCD的方式顯示在站牌上，并以接力的方式一站站傳下去，在該路線上的

38、其它電子站牌上顯示出該輛車的實(shí)時信息。其基本結(jié)構(gòu)框圖如3.3所示。圖3.3 無線通信結(jié)構(gòu)框圖Fig.3.3 Structure diagram of wireless communication 3.3 無線收發(fā)模塊的選取隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線收發(fā)芯片的種類也越來越多。在使用中選擇符合設(shè)計要求的芯片很重要，正確的選擇需要進(jìn)行以下幾點(diǎn)的綜合考慮：（1） 無線數(shù)據(jù)傳輸編碼方式為在編程上有較高的經(jīng)驗技巧和更多的內(nèi)存容量，我們選用曼徹斯特編碼的芯片，并且曼徹斯特編碼大大降低了數(shù)據(jù)傳輸速率，一般就為標(biāo)稱速率的三分之一。（2） 外圍器件數(shù)量芯片外圍器件的連接簡單與否直接決定了模塊的體積及其復(fù)雜程

39、度。我們在使用時盡量選取外圍器件少的無線收發(fā)芯片。（3） 功耗為保證系統(tǒng)較長的帶電使用時間，從芯片使用壽命和使用成本綜合考慮，應(yīng)該選用功耗較小的模塊。（4） 發(fā)射功率在功耗低、外圍器件少的前提下，為保證信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃?，?yīng)選擇發(fā)射功率較高的芯片。幾種射頻元器件的性能比較如表3.3示。表3.3 幾種射頻元器件性能比較Tab.3.3The Performace Comparison of several RF Components對比項NA1TR8BC418RF2915XC1201CC400工作電壓2.4V3.6V2.5V3.4V2.4V5.0V2.4V5.5V2.7V3.4V可否直接接單

40、片機(jī)串口可以，數(shù)據(jù)無需曼徹斯特編碼，高速率不可，數(shù)據(jù)需曼徹斯特編碼，低速率不可，數(shù)據(jù)需曼徹斯特編碼，低速率不可，數(shù)據(jù)需曼徹斯特編碼，低速率不可，數(shù)據(jù)需曼徹斯特編碼，低速率發(fā)射、接收電流35mA;60mA45 mA;8mA17 mA;6.8mA10 mA;7.5mA91 mA;40mA最大輸出功率+8dBm+12dBm+5dBm-5dBm+14dBm速率2Mbps外部調(diào)制128Kbps;內(nèi)部調(diào)制2.4Kbps9.6Kbps64Kbps9.6Kbps接外部天線數(shù)12*12*1外圍元件數(shù)50個約50個兩根天線時約20個；一根時約35個25個通過以上比較，本系統(tǒng)采用Nanotron公司生產(chǎn)的NA1TR

41、8無線電收發(fā)芯片，該收發(fā)芯片是一種低功耗，高度集成的混合信號芯片，它采用獨(dú)特的線性調(diào)頻脈沖通信，陽離子技術(shù)寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS），這種創(chuàng)新的調(diào)制技術(shù)是新一代短距離無線數(shù)字傳輸技術(shù)，具有極低功耗的特點(diǎn)，能夠工作在廣泛的溫度范圍內(nèi)，并可在強(qiáng)大的無線網(wǎng)絡(luò)操作機(jī)構(gòu)中執(zhí)行，在全球通用的2.45GHz的ISM工頻段的無線通信網(wǎng)絡(luò)中已被廣泛應(yīng)用。NA1TR8無線電收發(fā)器利用Nanotron公司開發(fā)的一種獨(dú)特的調(diào)制技術(shù)寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS），CSS已被IEEE 802.15.4a任務(wù)組選定為基準(zhǔn)物理層標(biāo)準(zhǔn)。NA1TR8提供最大數(shù)據(jù)傳輸速率2Mbps，在室外最遠(yuǎn)通信距離為900m，包括一個集成SPI，包

42、括一個集成的MAC控制器，接收器的靈敏度為92dBm/Mb/s，處理增益為17dB。NA1TR8內(nèi)部集成了可編程控制器，該控制器由基帶控制器和MAC控制器組成，基帶控制器主要是完成基帶和鏈路層的控制和管理，包括SCO和ACL連接方式、差錯控制、物理層的認(rèn)證與加密等；MAC控制器主要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的仿真、以太幀的校驗、加/解密、分類/復(fù)用等控制功能。NA1TR8無線收發(fā)器芯片，主要用于工業(yè)控制與檢測，網(wǎng)絡(luò)和定位，照明和樓宇控制，射頻識別RFID，家庭自動化，報警系統(tǒng)，儀器儀表和傳感器網(wǎng)絡(luò)，多媒體等領(lǐng)域。3.4 無線通信協(xié)議在無線傳輸系統(tǒng)中，要使信號進(jìn)行可靠、安全、流暢的傳輸，設(shè)計模塊應(yīng)當(dāng)按照相應(yīng)的傳

43、輸協(xié)議進(jìn)行有關(guān)的系統(tǒng)配置。不同部位的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收需要不同的接口。本系統(tǒng)包含兩種數(shù)據(jù)傳輸方式c：一種是發(fā)送模塊已調(diào)制的數(shù)據(jù)在控制器與無線收發(fā)模塊之間的傳輸，采用串行接口方式進(jìn)行數(shù)據(jù)有效發(fā)送；另一種是數(shù)據(jù)在無線收發(fā)模塊之間即由發(fā)射機(jī)端口發(fā)送到接收機(jī)端口之間的傳送，采用的是自行構(gòu)建的無線通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)有效發(fā)送，如圖3.4所示。圖3.3 無線通信協(xié)議的構(gòu)建Fig.3.3 Structure diagram of wireless communication 當(dāng)通信進(jìn)行時，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，首先以握手的方式進(jìn)行連接，連接成功時，發(fā)射機(jī)把數(shù)據(jù)信息發(fā)送出去，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)，接收機(jī)就需要向發(fā)射機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號

44、，若發(fā)射機(jī)接收到應(yīng)答，就會繼續(xù)向接收機(jī)發(fā)送新的數(shù)據(jù)。若接收機(jī)收到否定應(yīng)答信號或發(fā)送超時，則重新進(jìn)行發(fā)送。若多次發(fā)送都成功，則說明信號在這個頻道上處于良好的傳輸狀態(tài)；若驚醒多次重發(fā)還是發(fā)送失敗，則說明信號與發(fā)送頻帶不匹配，需要重新?lián)Q頻后再進(jìn)行發(fā)送。c時志云近距離高速無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究中北大學(xué)碩士論文,2008,4,183.5IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)幀格式IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)是由使用CSS技術(shù)的物理層和使用CSMA的MAC協(xié)議組成的。物理層由前導(dǎo)碼、同步碼、MAC幀域及尾字符組成，前導(dǎo)碼的作用是目的主機(jī)接收器時鐘與源主機(jī)發(fā)送器時鐘同步；同步碼的作用是使幀同步；尾字

45、符作用是尾部與前一級幀的分隔符。IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)幀格式如圖3.5所示。圖3.5 IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)據(jù)幀格式Fig. 3.5 Data frame format of IEEE802.15.4aMAC層有6種幀格式，分別是數(shù)據(jù)幀（Data）、應(yīng)答幀（Ack）、廣播幀（Brdcast）、時間信標(biāo)幀（TimeB）、請求發(fā)送幀（Req2S）、清除發(fā)送幀（Clr2S）。依據(jù)上述不同的6種幀格式，MACFrame包含10個域。IEEE802.15.4是用于媒體介入控制層和低速無線個域網(wǎng)物理層的規(guī)范，低功耗是其最重要的特點(diǎn)，而IEEE802.15.4a通信協(xié)議

46、是針對IEEE802.15.4協(xié)議所做的一個修訂版34，其主要不同點(diǎn)在于： IEEE802.15.4a通信標(biāo)準(zhǔn)新增了2種物理層實(shí)現(xiàn)方式343536：一種是超寬帶物理層技術(shù)（UWB-PHY），其實(shí)時性更強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸率更快、定位測距更準(zhǔn)確以及具有良好的魯棒性；另一種是Chirp擴(kuò)頻技術(shù)（Chirp Spread Spectrum，CSS），其工作頻帶是2.4GHz，能夠在長距離和快速移動情況下通信。3.5.1 寬帶物理層技術(shù)UWB超寬帶物理層技術(shù)UWB是一種無線載波通信技術(shù)，使用1GHz以上帶寬的通信技術(shù)，又稱為脈沖無線電技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)易于實(shí)現(xiàn)、安全性高、功耗低，適用于高速、近距離通信，它將成為高

47、速無線通信技術(shù)的主流技術(shù)。UWB信道模型主要分為路徑損耗模型、多徑模型和小尺度衰落模型。（1） 路徑損耗模型在窄帶信道中路徑損耗表達(dá)式為式2.1，其中，是載頻，是發(fā)送功率，是接收功率，d是接收發(fā)射端之間的距離。 (2.1)對超寬帶而言，信號的路徑損耗即是頻率的函數(shù)也是距離的函數(shù)，簡化建模表達(dá)式如2.2所示。 (2.2)路徑損耗和頻率之間的關(guān)系如式2.3。 （2.3）若考慮陰影效應(yīng)，路徑損耗和頻率之間的關(guān)系如式2.4 ，為隨機(jī)變量；為衰減指數(shù)；是路徑損耗；式中為均值。 （2.4）（2） 多徑模型在實(shí)際測量中，很多接收的數(shù)據(jù)都有分簇的情況，如圖3.6所示。在無線傳輸工作時，可借鑒Saleh-Val

48、enzuela信道模型a。其具體的模型可用沖擊響應(yīng)來表達(dá)如式2.5。 (2.5)其中，是第一簇的延遲，是多徑系數(shù)， 是徑相對于到達(dá)時間的延遲， ，相位在系統(tǒng)中是均勻分布。圖5.6 信道脈沖響應(yīng)示意圖Fig. 5.6 Flow chart of wireless communication program簇的數(shù)量分布滿足泊松分布，如式2.6。 （2.6）其到達(dá)時間的分布密度函數(shù)，如式2.7。 （2.7）徑的到達(dá)時間分布如下： （2.8）在無直達(dá)徑時的多徑延時模型如式2.9。 （2.9）其中為PDP的增長速度，為第一徑衰落程度，為隨時間增長的衰減。 （3） 小尺度衰落模型 小尺度衰落振幅滿足式2.

49、10 。 （2.10） 其中是伽瑪函數(shù)，為正態(tài)分布隨機(jī)變量，表征平均能量。 均值為標(biāo)準(zhǔn)差為， 和與時間關(guān)系式如下： （2.11）對每一簇建模的第一徑因子都為恒定值，和時間無關(guān)，有： 。 3.5.2 Chirp擴(kuò)頻技術(shù)CSS是是德國Nanotron公司開發(fā)的一種獨(dú)特的無線傳輸技術(shù)，其綜合了ASK、FSK和PSK等方法的優(yōu)點(diǎn)，抗干擾能力特別強(qiáng)，并且在擁擠的ISM頻段也不會與其它信號發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)1Mb/s，實(shí)時性好等特點(diǎn)3839 。CSS信號是用具有有效帶寬 和時間的UpChirps和DownChirps信號進(jìn)行傳輸，它們可以分別代表傳輸比特“0”和“1”37。在給定的時間范圍內(nèi)，頻率從

50、低頻升到高頻的信號為UpChirp信號，如圖3.7中（a）所示；頻率從高頻降到低頻的是DownChirp信號，如圖3.7中（b）所示。圖3.7 Chirp信號Fig. 3.7Chirp signals寬帶線性調(diào)頻信號是以Chirp信號為載波的，Chirp信號可用一個鋸齒波信號調(diào)制壓控振蕩器（VCO）來產(chǎn)生。發(fā)射信號的瞬時頻率隨鋸齒波作線性變化，因此脈沖信號的載頻可以從單一頻率展寬為，如圖3.8所示。圖3.8 線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生方法Fig. 3.8 Generation method of the CSS signal寬帶線性調(diào)頻是其發(fā)射脈沖信號在一個周期內(nèi)，其載頻的頻率隨時間作線性變化，其寬帶

51、線性調(diào)頻信號波形如圖3.9所示。圖3.9 寬帶線性調(diào)頻信號波形Fig. 3.9 Waveform of the CSS signal由此可得其頻率與時間t的關(guān)系為 （3.1）式中，為載波頻率，為線性調(diào)頻斜率，通常為一常數(shù)。則其瞬時相位和調(diào)頻信號脈沖寬度與時間的關(guān)系表達(dá)式分別為 （3.2） （3.3）則寬帶線性調(diào)頻信號處理增益為信號帶寬與信息信號帶寬的比值，即 （3.4）由式（3.3）可推出其頻譜表達(dá)式，用復(fù)信號來表示： （3.5）對進(jìn)行傅里葉變換，得 （3.6）進(jìn)行變量代換并積分，得 （3.7）式中 （3.8） （3.9）其中 （3.10） （3.11）頻譜的模為 （3.12）頻譜如圖3.10

52、所示。由圖可見，信號能量的大多集中在帶寬內(nèi)，并且分布均勻。圖3.10 線性調(diào)頻信號頻譜Fig. 3.10 Spectrum of CSS signal3.6 寬帶線性調(diào)頻信號的接收在寬帶線性調(diào)頻系統(tǒng)中，發(fā)射端用一鋸齒波信號控制壓控振蕩器（VCO），就可產(chǎn)生隨鋸齒波斜率變化的線性調(diào)頻信號，如圖4.5所示。寬帶線性調(diào)頻信號的接收解調(diào)器由匹配濾波器來完成。匹配濾波器由互補(bǔ)色散延遲線（CDDL）構(gòu)成，這種延遲線對不同頻率的延遲時間不一樣的，對高頻成分延時長，對低頻成分延時短。因此，頻率由高到底的載波信號通過匹配濾波器后，各種頻率幾乎同時到達(dá)輸出端，這些信號成分疊加在一起，形成對脈沖時間的壓縮，使輸出信

53、號變?yōu)榉仍黾?、能量集中和瞬時功率高的窄脈沖，形成一個相關(guān)峰。帶寬線性調(diào)頻信號的接收過程如圖4.7所示，通過對相關(guān)峰的檢測，就可把信號檢測出來。對于那些與濾波器不匹配的信號，在時間上沒有被壓縮，而是被過濾，提高了抗干擾性。圖4.7 寬帶線性調(diào)頻信號的接收Fig. 4.7 Reception of CSS signal由匹配濾波器理論知，匹配濾波器的沖激響應(yīng)與信號之間的關(guān)系為 （4.13）則匹配濾波器的沖擊響應(yīng)為 （4.14）正好與的頻率變化相反，隨時間線性減小，減小的速率與的增加速率相同，即與的頻率變化關(guān)系是互補(bǔ)關(guān)系。下面推到色散延遲線的輸出信號表達(dá)式。寬帶線性調(diào)頻信號可表示為 （4.15）式中用復(fù)信號表示 （4.17） （4.18）輸出復(fù)信號為 （4.19）其實(shí)部為 （4.20）式中，為抽樣函數(shù)，如圖4.8所示。圖4.8 波形Fig. 4.8 Waveform of Sa(uTt/2)由式4.20可知，輸出信號的包絡(luò)為一抽樣函數(shù)，通過后，信號帶寬被壓縮，能量集中，相關(guān)峰的大小與時間帶寬積有密切的關(guān)系，通過對相關(guān)峰的檢測，就可恢復(fù)出傳送的信息40。由于采用了相關(guān)處理和脈沖壓縮技術(shù)，使系統(tǒng)有較強(qiáng)的抗干擾能力和較高的測量精度。40張亞薇一種高精度I/F變換器的研究D西安工業(yè)大學(xué)碩士論文,2010,06,083.6無