通信系统和导航技术-汽车工程手册：德国版

1.目标和方案

汽车上的通信系统和导航主要覆盖三个方面：用于优化行驶路径，且不需要试探性行驶或避免交通拥堵时的等待时间；在行驶途中可以娱乐，欣赏无线电广播中的音乐或介绍沿途风光；提高行驶时的安全性和舒适性，如在汽车发生故障时可从汽车上发送信息或寻找合适的旅馆或预订旅馆。

实现这些功能是基于三个基本的装置（设备）：汽车收音机、移动电话和导航设备。

最常用的标准和系统是超短波（UKW）无线电广播、全球移动通信系统（GSM—Global System for Mobil Communication）和全球定位系统（GPS—Global Positioning System）。大多数标准的特点是它们最初不是为汽车使用而开发的。为适合汽车环境使用需要较高的费用。

下面就这些基本装置（设备）和一些逻辑关系作进一步说明。

2.汽车收音机

作为顶层概念的汽车收音机^[1]可作为无线电广播接收机、磁带和CD播放机构或CD换片机和类似于最初的娱乐设备。目前汽车收音机的典型的标准设备为UKW、RDS、2×20W末级（功率输出级）和CD播放机构。它可以播放数字压缩的乐曲（如MP3）。流行的汽车收音机可与可携带的存储介质或半导体存储器（记忆棒或U盘、SD卡）连接。

在欧洲，主要是UKW无线电广播。用于接收UKW无线电广播的汽车收音机电路框图如图6.4-20所示。

可调谐的前级通过调谐的带宽滤波器可以先粗选希望收听的电台节目。在混频器中利用PLL控制的振荡发生器将收听电台的频率转换为10.7MHz的中频（ZF），原来选择的电台频率信号就在混频器中。中频信号解调为多路信号（MPX-S）。图6.4-21是解调后的多路信号的频谱。

音频信号中包含单声信号、立体声信号、RDS（无线电数据系统）的附加信号。由于发动机点火引起的干扰信号可从多路信号（MPX-S）中识别并隐没。

在立体声解码和补偿电台侧的高音（高音提升）后可再现原来的音频信号。

在新的方案中，如蓝点（Blaupunkt）的数字接收机（DigiCeiver），将ZF信号数字化。通过在数字处理器中的信号处理，实现信号的放大、选择、立体声解码直至语音处理。这样就可在常规的模拟接收方案中完成很多复杂的调节原理。利用ZF滤波器的可变带宽可改善信号的接收品质。

通过数字处理可以使语音信号与汽车内部的声学特性实现最佳匹配。利用自适应均衡器或通过信号处理，在汽车行驶噪声下分析语音信号并进行修改，使汽车噪声被隐没。为进一步满足多方面的要求，高档汽车收音机常有多部接收机：

图6.4-20 简单的汽车收音机电路框图

图6.4-21 在多路信号（MPX-Signal）中的收音机信号和附加信号的频谱分布

1）通过有效的、经过安装在汽车上的两个天线接收同一电台信号的两个接收机的ZF信号的逻辑关系，可改善接收该台的信号品质。为此，在使用中有两个调节系统。一个系统是在从两个天线接收到的同一台的两个信号之间快速转换到当时较好质量的那个信号；另一个系统是自适应将两个信号权重相加，以使累积干扰信号尽量低。这个作用相当于方向选择，它可以隐没多路径的接收干扰。

2）一个接收机利用调整程序不断调准在电台同一节目的不同频率，并在要收听的电台节目的接收质量之间相互比较。如果在另一频率接收更好，则收音机自动地转换到该接收频率。

3）不是所有的电台发送附加信息。背景接收机可以接收与要收听的电台的不同信号。根据不同的接收任务和不同的接收状况，经常使用各种接收机。

由于半导体技术的不断微型化，当前多个接收机的数字信号处理可集成在一个芯片上。

（1）RDS无线电数据系统（RDS）在无线电广播信号中传播不能听到的各种控制数据和信息数据，见表6.4-1。

表6.4-1 RDS电文中的一些信息内容

用RDS为汽车驾驶人发送最重要的信息是有关交通状况的无线电广播信息和交通公告。

非常有用的是电台用不同频率发送同一节目的频率数据（AF）。因为在能够接收无线电广播节目的一些地区，在长途行驶时超过电台的有效距离常常需要变换频率，这时，在几米距离范围接收质量就会波动。AF信息可以在汽车收音机中自动转换。

RDS特征：发送方式为用（57±2.4）kHz的压缩载波调幅、相位相对导频信号不变、数据传输速率1.2kbit/s。

（2）TMC在RDS中使用简明的数据频道TDC就是交通信息频道（TMC—Traffic Mes-sage Channel）。通过这个频道就可以编码形式发送交通信息。为编码，使用国家专用的、标准化的长途公路网中的交通枢纽目录以及可能发生交通受阻时的一般目录，从而得到特别紧凑的、与语言无关的编码。为发送TMC信息，传输速率只需约100bit/s。

TMC信息可在接收机中解码，或者作为语音信号的合成语言输出，或者作为文本信息在显示屏上显示，或者用于导航系统中的动态路径计算。因为与语言无关的编码可以在解码时将TMC信息翻译成各种语言，还能在行驶到不同语言的其他国家收听自己国家的语言或阅读文本信息。

3.DAB

数字语音广播（DAB—Digital Audio Broadcast）是一个数字发送系统。数字发送系统的无线电接收在质量上与收听数字存储介质的信息是相当的。在发送时，语音数据、视像数据或其他的应用数据没有什么差别。数据流可从不同的分数据流自由地组合成多路信号。正在作长期规划，用DAB替代UKW无线电广播。

正在为移动接收设计发送方法，规定多路接收的误差范围，并有不少的误差校准方案。

高数据传输速率使DAB的图形显示的附加服务特别有效。

在TPEG格式的框架中正在开发其他的交通信息服务。

各种DAB技术（即DMB系统）可将TV发送给便携式接收机。在该技术基础上的第一次商用发送已在韩国和德国实现。其他的数字发送方法见8.5.4小节“信息娱乐/多媒体”。

对广大的国家范围，发送DAB节目采用VHF频段；对地区范围，特别是城市范围，则用L频段。利用几个电台的共用波传播，可以在整个传播地区用相同的频率发送节目，从而保证所有节目的统一传播。如果利用现有的频率，则收听者不需转换频道。

在国际频道规划会议RRC06以后，从2007年起有足够的频率供无线电广播使用，而且在这些频道上没有功率限制。

4.DRM

数字无线电世界（DRM—Digital Radio Mondial）是一个新的、标准化的长波、中波、短波的无线电标准^[3，4]。利用与DAB类似的方法，在这些频道上无干扰地传播信号，并通过使用最新的语音压缩方法保证音乐和语言节目的高质量。由于DRM的有效传播距离大和音乐、语言节目的质量高而赢得听众。

5.卫星无线电

2001年以来，美国的收费卫星无线电语音服务（SDARS—Satellite Audio Radio Service）投入运行。超过100个无线电广播通过对地同步卫星或大椭圆循环轨道卫星在本国范围发送频道为2310～2360MHz的节目。在汽车中也可接收节目。为能覆盖到有问题的地区（如城内）要使用转换器。

6.车载电话

车载电话可提供个人的和双向信息交换。较长时间以来就有一些技术方向，但技术上的突破只是在采用全球移动通信系统（GSM-Global System of Mobile Communication）标准后才出现^[5，6，7]。在德国采用D网和E网，在世界范围的很多国家也采用。UMTS是可能的接任系统，目前正在推广阶段。

车载电话网必须保证使用者在任何时间、任何地点主叫和被叫。为此，车载电话网由众多的分级（子级）结构。图6.4-22是GSM网的结构简图。

图6.4-22 作为大通信网一部分的车载电话

移动终端（MS）通过基站（BTS）和基站控制计算机（BSC）与移动交换站（MSC）连接。在连接中可以确定与终端通信的物理特性，如频道、场强、时间窗口等。根据终端反馈的场强、故障率等确定使用当前终端所在的基站或转换到另一个基站。此外，在通话时要确认使用者的使用权利和以无名化格式跟踪使用者所在的地点。移动接收数据在固定网中预处理或由固定网收集的数据再用于移动无线电广播。

MSC配置各种寄存器，它们存储使用者、终端等的数据。(www.xing528.com)

全球移动通信系统的特点是用户识别模块（SIM—Subcriber Indentity Modul）卡。插入终端设备的这个权利卡携带使用者的专门数据（信息），根据这些数据固定网就可识别使用者。

在GSM中的有效数据可以是语音、一般的数据或传真数据。与通话平行地可发送简要通知（短信息服务SMS）。

为提高数据传输速率9.6kByte/s（以及以压缩模式、减少误差校准时为14.4kbit/s），在GSM中采用高速回路转换数据（HSCSD—High speed Circuit Switched Data）或整包无线电服务（GPRS—General Packet Radio System）服务。在这些服务中多个数据通道捆绑在一起。在HSCSD中有最多可达8个通道的固定分配，传输速率达115.2kbit/s。在GPRS中，像在因特网中一样，没有给使用者安排专门的通道，数据定向地整包发送。利用无线应用协议（WAP—Wireless Application Protocoll）可在电话显示屏上显示有限网页。

（1）UMTS通用移动通信系统（UMTS—Universal Mobil Telecomminications System）是第3代的移动无线电广播标准，具有明显高的数据传输速率^[8]，所以能很快进入因特网和移动多媒体影像应用和数据应用，如移动图像电话或数据库访问。自2004年中期以来，4个“促进者（Betreiber）”网在德国运行，它们主要覆盖一些大城市。

UMTS数据传输速率随离基站的距离增加和随移动站的行驶速度提高而下降。在几乎是静止的移动站，在基站附近的数据传输速率从2MBit/s下降到在移动站速度约达120km/h时的344kBit/s，和在更高速度时的144kBit/s。实际数据传输速率视网的负荷大小还要低一点。

（2）汽车上的手机　大多数的移动电话是手机，它原先不是为在汽车上使用而开发的。GSM手机的主要部件是一个2W的发送、接收部分，为频道编码和语音编码的数字处理单元和一个控制部分。控制部分协调与其他网的相互配合。另外还有送话器、扬声器、天线、键盘、显示器、电池和SIM阅读卡。外部接口包括如IrDA和蓝牙（Bluetooth）以及照相机和其他扩展的附加配置。

为改善和简化在汽车上使用手机，还有安装总成：安放手机的支架、从汽车电源供电和外部天线。使用外部天线是必要的，因为手机的发射功率通过天线直接向外部发射而不是发射在作为电容外壳的乘员室内。

出于安全原因，许多国家禁止驾驶人在汽车行驶时使用手机，其中包括德国。手机安装总成中还包括乘员自由交谈设备。乘员交谈通过如安装在车内反光镜周围的送话器并通过安装在车内的扬声器将通话的语音信号放出来。

乘员自由交谈必须抑制声音反馈。反馈是由于来自扬声器的语音信号再次回到送话器中产生的。数字信号处理器也可采用回波压缩方案，同时还可谈话与接听以及抑制送话器语音信号中的行驶噪声。

7.路标通信

路标^[9，10]大多与安装在汽车后部风窗玻璃上的“在车通信单元（OBU—on board unit）”通信，它们间的距离为几米。路标直接安装在车道上的桥梁上或在公路边缘。使用路标通信的重点地区是如交通繁忙的高速公路电子收费站或有权进入的地区。

使用证明，微波作为通信的传播媒介是很有效的。为使OBU尽可能价廉，上行线（Uplink）和下行线（Downlink）的通信原理是不同的。对汽车向路标的上行线通信采用发送应答原理。从路标发送的5.8GHz载波在OBU中与一个调相的低载波1.5MHz或2MHz调制，并发送回路标。数据传输速率为250kbit/s。在下行线路标调制5.8GHz载波的幅值。数据传输速率为500kbit/s。

出于数据安全原因，OBU带含有一个有存款的无名芯片卡，通行时从卡中扣除过路费。

8.导航

导航系统^[11]帮助驾驶人快速、可靠地在陌生的公路网中定向。

导航是基于将目前的汽车行驶位置与到目的地的规划路径不断比较，由此可直接地得到绝对必要的一些功能部件、不断确定汽车位置的定向系统、行驶目的地输入、行驶路径计算单元、确定必要的行驶方式的导航单元以及行驶方向提示的输出单元（图6.4-23）。

图6.4-23 汽车导航的基本功能部件

导航系统的使用促进了汽车庞大市场的发展。它不需要导航的基本知识，在行驶时不需要操作，并尽可能减少驾驶人离开观察汽车行驶情景。在汽车必须转弯时导航系统及时向驾驶人发出语音提示。

现今的导航系统已经远远地超过了它的基本功能，并将导航系统组合在驾驶人信息系统中。主要的附加功能是可选择很大比例范围将数字地图局部放大显示。

通过美国的卫星系统[全球定位系统（GPS）]确定汽车位置。未来，也可通过位于车身内的欧洲定位系统GALILEO实现汽车定位。传感器（如转速表里程信号或汽车转动率传感器）支持汽车在不利的卫星接收信号状况下定位。作为精度约为±5m的地理坐标来确定汽车位置对驾驶人来说是无法利用的，因为驾驶人大多不知道这个精度的含义和不能对他的行程作出结论。只有将汽车的位置与存储的数字道路交通图比较才能得到有用的位置数据（经过的道路名），也才能与规划的行驶路径比较。

为规划行驶路径，驾驶人必须输入行驶目的地。这一步通常不用地理坐标，而是给出目的地的地址数据（城市、街道、房屋号）。为此还需要数字地图。

然后，在用作引导图的数字地图存储的道路网中就可从汽车当前的位置到输入的行驶目的地进行路径计算。驾驶人需要判断：是否按优化时间的标准来选择行驶路径或按优化行驶路段的标准选择行驶路径；以及是否避免选择收费路段、渡口、高速公路、隧道等行驶路径；或按这些标准和选择的组合。

将当前正在行驶的路段与接下来计算出的最佳路径的行驶路段比较就可实现目的地跟踪。

如果当前行驶的路段正好在最佳的行驶路径上，驾驶人就可知道为达到路径中的下一个路段必须采取什么样的操纵动作。为合成语音输出，这个行动可翻译成句子或转换成图像。如果驾驶人只是简单地跟随道路的走向，则大多数没有语音提示，而只是输出简单的符号与到下一个行动点（反应点）的距离。

在驾驶人输入目的地数据几秒钟后就可期待路径计算结果。大的数字地图（如西欧、美国/加拿大）对应用算法以及对地图数据结构提出高要求。在错误的或故意偏离计算路径以后要等到下一个道路分叉处才重新得到指示，应如何继续行驶。

（1）数字地图　最近几年，数字地图在内容上大大地丰富，以向驾驶人提供更多的信息和方位。

显示在彩色显示屏上的数字地图与印刷地图相似。除道路网外，还有江河湖海、耕田、铁路等。数字地图的一些系统也用透视的准三维显示。数字地形模型以及大城市的建筑物等使数字地图越来越多地成为逼真的相片。

感兴趣的点（POIs-Points of Interest）可为数字地图使用者选择他感兴趣的目标而不需要地址。而且根据分类目录和他现在位置的最近范围选择他感兴趣的点的目标或根据另外的行驶目的地选择他感兴趣的点的目标。还可以寻找最近的加油站或车间，或在他原来的行驶目的地附近寻找旅馆、餐馆。利用数字地图提供的数字旅行指南还可提供有关的商店营业时间、旅馆房间、餐馆菜单和其他相应于平面媒体上有的一切资料和信息。

未来，还将把更多的内容放到数字地图中，以改善驾驶人辅助系统的预见能力。数字地图可以在所谓的“电子视野”^[13]中，在实际上没有限制的预见范围内提供有关弯道半径、坡度、道路宽度等信息。这些信息和数据与常用的驾驶人辅助系统的传感技术的数据融合，以确定信号的正确性。

随着数字地图数据范围不断增加，原来使用的、作为存储介质的CD-ROM的存储量变得太小。占很大使用份额的DVD已替代了CD-ROM。未来的系统将不断采用自适应的硬盘。与此同时，对非常便宜的、对数据范围要求很低的系统将使用半导体存储器（如SD-Card），它的存储容量已超过CD-ROM的存储容量。

（2）动态导航　动态导航支持驾驶人了解他的行驶路径状况。驾驶人可利用行驶中交通受阻的状况寻找替代路径^[12]。这时可利用编码的RDS-TMC交通信息。

从交通枢纽发送的前、后交通受阻路段的编码信息，利用数字地图上配置的表格，可以确定受阻路段。如果受阻路段在计算的路径上，则或自动计算新的路径，或向驾驶人指示受阻路段，并询问是否要计算替代路径。

TMC的标准受阻原因可用交通流量骤减来解释，为此可用增加所需的行驶时间来评定。不是所有的交通受阻（全封闭除外）可找到有意义的替代路段。在这种情况下，保持原来的行驶路径，但要充分估计所需的行驶时间，并给出提示，这路径中有交通受阻路段。

在计算替代路径时，要考虑所有交通受阻的信息，这样的替代路径不会引导到其他已发布的受阻路段上。

在排除交通受阻时也要重新计算行驶路径，以免无用地绕道行驶。

利用TMC动态导航的缺点在于交通枢纽的编号是限于数字的和只是在远程道路网（在德国是高速公路和联邦公路）上采用，其他道路不采用编码信息。这样存在一个危险，替代路径同样会造成二次道路过负荷。

在未来，由AGORA开发的方法^[14]可以在所有道路上编码交通信息，且在数字地图上不需要参考表格。以这种方式编码的信息由于必要的带宽，当然无法利用RDS传播，但DAB提供相应的可能性。

在日本，已提供有关车辆信息和通信系统（VICS）的动态导航，其工作方式类似于以预先定义的道路网编码点为基础的TMC，但也利用其他的一些通信方法。

（3）驾驶人信息系统　导航系统在很多车辆上已成为驾驶人信息系统的组成部分，它使驾驶人按一致性原则轻松地利用各个系统的众多功能，并大多能在中央的、公用的显示屏上输出这些信息。

图6.4-24是驾驶人信息系统的各个功能部件。它们大多通过总线相互联系并可分散地安装在汽车内的不同地点。这些功能部件部分地或全部放在共同的体中。

图6.4-24 驾驶人信息系统结构

作为软键的操作件通常安排在显示屏周围或作为键的操作放在多功能转向盘上。通过中央按钮，转动、压下和点击可以进行菜单引导操作。同样还有语音识别系统，增加可操作性。当前最富有挑战性的是通过语音输入导航系统的目的地（城市名和道路名）。由于非常庞大的城市名和道路名，可能优先采用导航系统的声学和图形输出，以免出现驾驶人的信息泛滥。

参考文献