城市交通信息系统总体设计及关键技术的实现

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1、城市交通信息系统总体设计及关键技术的实现城市交通信息系统总体设计及关键技术的实现 赵 强 （大连海事大学，信息工程学院，116026） 摘摘 要：要：智能交通系统是在信息技术、人工智能技术、计算机技术等的快速发展背景下，通 过采用先进的技术对道路网络等交通资源进行更有效地控制和管理， 提高交通的机动性和安 全性，最大限度地发挥交通基础设施的运行效率。本论文根据当前交通发展实际情况，首先 对城市交通信息系统进行了系统需求分析和系统设计。 接着分析了体系框架和副载波传输的 关键技术介绍。 关键词：关键词：智能交通系统 副载波 锁相环 滤波器 放大器 1 城市交通信息系统的整体方案 1 城市交通信息

2、系统的整体方案 1.1 系统的结构 1.1 系统的结构 城市交通信息系统按其功能要求并存着三个主线数据流：一是从各信息采集点采集数 据到信息处理子系统；二是信息处理子系统处理后的数据发送到数据库服务器,即信息管理 子系统；三是数据库中的数据发布到用户端。系统总体结构图如图 1-1 所示： 图 1-1 系统总体框图 1.2 传输媒介的选择 1.2 传输媒介的选择 当前无线通信技术发展很快，拥有多种信息传输手段，但均需要占用一定的频率资源， 建立通讯网及购置收发设备。而调频多工数据广播则利用了现有已高度普及的调频广播网， 无需占用新的频率资源和发射网络设备， 现在无论是网络用户还是车载终端都已经应

3、用无线 1 广播系统，而且在各大城市里都有完整的交通广播系统，所以直接应用调频广播系统，被认 为是一种最为经济的无线数据传输手段。 现有的调频广播基带频谱除了可容纳一套立体声或单声道主节目广播信号外， 尚有一部 分可利用的频谱空间， 可在传送主节目的同时传送其他的附加信息， 其频谱分布示意图如图 1-2 所示： 图 1-2 调频广播信道频谱分布 利用现有FM广播附加信道作为传输通道，在播发FM立体声语言节目时，实现点对点、 点对面数据信息传送的方式称为无线副载波数据广播（Sub-carrier data channel broadcast，以下简称SCA广播） 。我国用于附加信道的副载波频率为

4、 67kHz，附加的SCA信道 在 60kHz74kHz之间。附加有SCA广播的FM基带频谱如图 1-3 所示： 1 图 1-3 FM 基带频谱 1.3 发布中心传输控制 1.3 发布中心传输控制 发布中心将数据打包后， 经串口送到微处理器。 然后对数据进行基带调制和副载波调制， 最后同 FM 立体声广播一起由广播发射中心发射出去。其中，预调制带通滤波器的作用是把 副载波信号的频带限制在一定范围内， 消除各路之间的交叉干扰。 发布中心通信平台的组成 如图 1-4 所示。 图 1-4 信息发布中心硬件平台框图 2 1.4 移动终端的实现 1.4 移动终端的实现 广播台发射的信号由移动终端上的 F

5、M 接收机接收下来， 经鉴频器输出后得到的是总基带 频谱（见图 1-2） 。利用通频带为 57kHz77kHz 的带通滤波器得到副载波频段内的有效数据。 然后把信号从副载波频段搬下来， 恢复到副载波调制之前的频率， 即对信号进行副载波解调。 此时，利用低通滤波器滤除高频噪声和干扰，再对净化后的信号进行基带解调，解调后的数 据经过微处理器处理后，显示在移动终端的液晶显示器上。移动终端通信平台的组成如图 1-5 所示： 图 1-5 移动终端结构框图 2 副载波调制与解调技术的实现 2 副载波调制与解调技术的实现 在本系统中拟采用 9600bps 的速率来传送大量的文本数据，要求信息的传送具有实时、

6、 准确的特性，因此，应采用抗干扰性能强、误码性能好、频谱利用率高的调制技术，尽可能 地提高单位频带内传输数据的比特速率。系统中一次调制选用的是 4FSK 方式。 根据系统中大文本数据传输的特点，系统采用双向无线通信芯片 FX919B 来实现原始信 号调制成 4FSK,并实现基带上的解调。因此本章就副载波上的数据传输给予详细介绍。 2.1 概述 2.1 概述 本系统选择副载波信道传输交通信息数据， 这就需要对基带模拟信号进行二次调制 （副 载波调制） ，将信号的频谱搬移到副载波频段内，中心频率在 67kHz。 副载波调制有许多种，由于要求中心频率在 67kHz，频率比较低，又考虑到实现的难易 程

7、度和成本，最终副载波调制与解调采用了锁相环 CD4046 来实现。因为锁相环 CD4046 的 工作频率在 100kHz 以下，频率跟踪的线性度好，成本低廉。 3 2.22.2 CD4046 构成调制电路的工作原理 CD4046 构成调制电路的工作原理 1实际电路图 利用 CD4046 的压控振荡器组成的调制电路如图 2-1 所示。当从 9 脚输入音频信号时， 从4脚可输出受输入信号调制的调频信号。 由于FX919B调制后的信号是带有2.5V直流分量， 频率为 4.8kHz，峰-峰值为 1 的 4 电平信号，所以，在信号输入端，应输入具有上述特性的 交流信号，模仿 FX919B 的调制输出。

8、图 2-1 CD4046 用于信号调制电路图 芯片有三个外接元件C1、R1 和R2。压控振荡器的频率特性和这几个元件的取值有直接 关系。振荡器的中心频率与R1、C1 的关系曲线如图 2-2 所示。R2 与R1 的比值决定了振荡 器与 之比。它们的关系如图 2-3 所示。 0 f max0 f min0 f 3 图 2-2 振荡频率与 R1、C1 的关系曲线 图 2-3 R2/R1 与 0 f min0max0 ff的关系曲线 系统中，压控振荡器的中心频率为 67kHz，最大频偏为 7kHz，根据此参数，参照以上 两个关系曲线图，初步确定 R1、R2、C1 的取值，然后在实践环节中作一些调整。

9、2测试调制电路特性 为了测试压控振荡器的控制特性，我测了表 2-1 中的一组数据，从数据中可以看出，压 控振荡器在中心频率附近输入电压与输出频率的关系为线性的。 表 2-1 电压频率转换表 电压(V) 2. .00 2. .07 2. .14 2. .21 2. .35 2. .49 2. .56 2. .63 2. .70 2. .77 2. .84 2. .91 2. .98 频率(kHz) 61 37 62 13 63 00 63 7765336680675868 4069 19 69 92 70 6871 3872 20 4 压控振荡器的线性度计算公式为：线性度= %100 0 00

10、f ff 式中 2 22 0 + + = V V fV V f f DDDD V 在 VDD=5V 时为 0. .3V。对于本系统，=67kHz、VDD=5V、V=0. .3V。经过测量， (2. .8)=70.26kHz、(2. .2)=63.68kHz，由此得出 0 f ff 0 f=66.97kHz，压控振荡器的线性度 =0.04%。 3实际应用中，调制电路应注意的问题 经 CD4046 调制后的信号是频率变化的方波，为了避免信号在无线传输中对临道信号的 干扰，所以在发射信号到无线信道之前，需要对其进行预调制，即将方波的顶部平滑一下， 然后再与立体声信号一起经过 FM 发射到无线信道。这

11、里我们选用的是双耦合谐振回路的带 通滤波器。 4电容耦合回路带通滤波器的结构与参数 带通滤波器的作用是把通频带外的噪声完全滤掉， 而只让信号通过。 实际上滤波器不可 能把带外的噪声完全滤掉，只是带通滤波器的阶数越高，其效果越逼近理想带通滤波器。这 里我们采用高阻抗电容耦合双回路谐振电路。电路组成如图 2-4 所示： 图 2-4 带通滤波器 系统要求滤波器的性能指标是：中心频率为kHzf67 0 =，带宽为。 按照上述指标，可计算出电路中各元件值。双回路中的电感与电容的关系为： dB3kHzB14= LC f = 2 1 0 式中，取,在实际电路中调节，使滤波器达到最佳性能。由特 性阻抗 kHz

12、f67 0 =nFC5=L 和有效 Q 值可以计算出谐振阻抗 L QR，有关的计算公式如下： 2 0 = B f QL C L = L QR= 5 取=1mH 计算各元件值，L7 . 6= L Q447=，=KR3。双回路取临界耦合，所以电 容值为 pF Q C C L 820 12 = 在测实验数据时， 没有测滤波器的输入电平， 只对比了滤波器输出电平与通带内电平最 大值的关系见表 2-2 所示。可见通带内衰减小，滤波器带宽为 kHzkHzB15)6075(= 基本满足设计要求 这与设计值相符。当 f100kHz 时，输出电压的幅度仅为最大幅值的 10%，即功 率仅为 1%， 故可认为在 5

13、0kHzf100kHz 频率范围之外的噪声完全被滤掉了。 当 f=40kHz 时， 输出电压幅度为最大幅值的 1%，这说明该滤波器对 FM 立体声广播信号抑制得比较好. 表 2-2 带通滤波器实验数据 信号频率 f(kHz) 40 50 60626466676870 72 74 8090 输出电平 V(mV) 89 186 46354466673674667616 560 500 380281 5最终整个幅载波的调制电路见下图。 2.3 CD4046 构成解调电路的工作原理 2.3 CD4046 构成解调电路的工作原理 1实际电路图 利用CD4046 组成的解调电路如图 2-5 所示。 当从

14、14 脚输入一被音频信号调制的 （中心 频率与CD4046 的VCO的中心频率相同）调频信号，则相位比较器输出端将输出一个与音频信 号具有相同变化频率的包络信号，经低通滤波器滤去载波后，即剩下解调后的音频信号了。 8 6 图 2-5 CD4046 用于信号解调电路图 电路中低通滤波器由电容和两个电阻组成， 如上图所示引脚 2 与引脚 9 之间的电路， 这 种结构为比例积分滤波器。 其RC的时间常数应折衷在既要避免环路进入自激又要保证对输入 频率的变化有合理快的响应速度。 4经试验测试，选定的RC值如上图所示。 2测试解调电路特性 为了调好解调电路的外部参数，首先令 14 脚无信号输入，此时的压

15、控输出是压控振荡 器的中心频率，调节 R1、R2,使压控输出在 67kHz。然后，我们将测试解调电路的特性，表 2-3 是试验中测得的一组数据： 表 2-3 解调电路特性测试数据 信号输入(kHz) 60 62 64 66 67 68 70 72 74 VCO 输出(kHz) 60 62 64 66 67 68 70 72 74 解调的VCO输入(V) 0.68 0.94 1.16 1.37 1.51 1.56 1.75 1.91 2.08 解调输出(V) 0.40 0.55 0.69 0.83 0.92 0.95 1.09 1.20 1.33 从上表可以看出， 在调制方面， 输入不断增大的直流电压控制着压控振荡器输出频率也 不断增大， 以此做为信号源。 在解调方面压控振荡器输出端产生了与输入信号频率变化相对 应的电压变化， 使环路跟踪了输入电压频率变化。 这个电压变化经源极跟随器隔