德国版汽车工程手册：信息、娱乐

1.传输系统

汽车上使用的传输系统是多种多样的，且越来越重要。接收信息的结构[1]在很大程度上是一样的，这可从图8.5-22中看出。

图8.5-22 传输系统概貌

（1）AM/FM除传统的UKW无线电广播（其中还有短波无线电广播）外^[2]，开发了世界范围的多种数字标准。其特征是改善声音品质和附加数据服务。

（2）数字无线电

1）数字音频广播DAB。无线电节目通过UKW传播受到无线电节目边界的限制，因为很多的发射台是紧邻着的。此外，模拟的无线电信号还受到不同类型的信号干扰，如由于山脉、高楼、大气影响引起的信号反射。DAB是一个数字传输系统，以地面传播各类型的数据。它是在项目Eureka147框架内开发的，提供几乎是CD品质和附加的无线电服务和数据服务。以MP2编码形式（活动图像压缩标准层面2-MPEG Layer-2）传输音频数据。

DAB使用下面两个频段（波段）：

L频段（1452～1492MHz）和频段Ⅲ（约170～220MHz），其中部分频段至今用于TV发送。

在德国，两个频段都使用，英国只使用频段Ⅲ，加拿大使用L频段。在德国L频段只是地区发送，频段Ⅲ可在州际范围接收。

收听数字无线电不需要调整频率。在显示屏上能显示多个节目的名称，它汇集成一个数据包，发送提供给不同的部门。无线电台通常随节目发送信息，如乐曲名称、作曲家或纪念册名称，这些可在接收机显示屏上显示出来。

为能像UKW信号发送那样有很大发送面，DAB需要多个发送台，但运行成本仍较低。因为所有的发送台以COFDM（编码正交频分复用）方式在相同的频率上发送，所以很经济地利用频道，并允许在整个德国使用一个频道就可接收节目的数据包。

2）高清晰度收音机。高清晰度（HD—High Definition）收音机能有效地改善声音品质并同时保持现有的基础设施^[3]。这时发送台利用200kHz的频率间隔发送附加的数字信息。这个方法称为“在指示频段（波段）内的频道（IBOC—In-Band-On-Channel）”，且在美国不断认同。它利用FM频段（88～108MHz）和AM频段（520～1710kHz），并以编码正交频分复用（COFDM—Code Orthogonal Fregency Division Multiplex）法调制。这时需对编码信号校正，再通过多个调制的载频分别发送。这种方法可抑制所谓的“频道衰减”和“频道叠加”造成的常见的干扰噪声和信号波动。

3）卫星数字音频无线电服务SDARS。在这期间，卫星数字音频无线电服务（SDARS—Satellite Digital Audio Radio Services）在美国取得很大成功，可给听众提供约150个频道，从音乐信息到交通信息。在整个美国，所有频道按接近CD品质发送。接收者只要支付每月的费用就可自由收听。两个提供者Sirius和XM使用卫星和地面发送台的地面混合传输系统。地面无线电发射机的调制方法是COFDM。卫星利用相位变换正交键（QPSK—Quadrature phase Shift Keying），卫星载频为2.3GHz。

4）全球数字无线电广播DRM。全球数字无线电广播（DRM—Digital Radio Mondiale）可替代常规的无线电广播。这时数字音频数据和信息通过短、中、长波发送。很窄的频道宽度需要高压缩的音频数据。为此选用MPEG4 ACC Code和频道频谱复制（SBR—Spectral Band Replication）相结合的方法（SAR）可进一步压缩数据40%。同样，调制法采用COFDM法，这样可在远距离外得到像UKW的声音品质。此外，还可传输如节目名称、文本信息的附加信息。2003年以来DRM正式使用。可以期待的是，由于它的世界范围的可用性，2005年起不断被市场接受。

（3）全球数字视频广播DVB-T在汽车行驶中汽车乘员还可利用全球数字视频广播（DVB-T—Digital Video Broad casting-Terres trial）无干扰地接收电视节目。其他的优点是接收图像达到电影品质，图像尺寸16∶9和环绕声。DVB-T使用MPEG2编码的电视信号，调制法选用COFDM法。

（4）蓝牙　蓝牙（Bluetooth）是台式计算机和掌上计算机、PDA（便携式个人数据处理终端）、移动电话、打印机、扫描器和甚至家用电器之间无线通信开放式标准^[4，5]。世界范围的兼容性是由使用全球可用的2.4GHz频段保证的。蓝牙原来由爱立信（Ericsson）开发，并在这期间由特殊兴趣集团（SIG—Special lnterest Group）向前推进。SIG由世界9大公司（Eric-sson、3COM、Agere、IBM、Intel、Microsoft、Motorola、Nokia Toshiba）以及1800家承诺为蓝牙标准给予支持的合作伙伴组成。

蓝牙的技术规范包含连接层和应用层。它支持数据、语音和应用。

为支持各种应用，开发了一系列功能配置，它可以根据使用情况配置各种功能（图8.5-23）。在蓝牙标准中已定义这些功能配置。所列出的功能配置有的还在开发中。在购买蓝牙设备（装置）时要注意，所有提供的功能配置不是都有必要实现的。兼容性只是保证两个蓝牙设备（装置）在希望的应用场合具有相同的功能配置时才能实现。

图8.5-23 蓝牙功能配置

最重要的移动电话功能配置是遥控功能配置（HFP—Hands Free Profile），它是为自由通话设备开发的。该设备可“遥控移动电话”，如打电话或接电话。至今通过不是标准化的移动电话接口，在移动电话和自由通活设备之间实现数据传输。

2.人—机接口HMI

不断增多的HMI的特征数量影响高档乘用车市场，也影响大众市场上的一般汽车市场。影响汽车市场的一些推动者见图8.5-24。

图8.5-24 HMI设计

必须进行智能化的HMI设计，使之具有简单和可靠操作所有人—机接口的特征^[6]。在这一些HMI特征中，最重要的特征是语音识别设计。

（1）语音识别 对人们来说，利用语音通信是最自然不过的通信形式。特别是语音自动识别使驾驶人能在汽车内在最小的偏离车道的情况下选择所需的功能^[7]。

在汽车中利用语音识别操作一些功能，简单的可分4个方面：

1）空调设备。

2）收音机。

3）导航。

4）电话/遥控。

当功能范围，也即语音识别系统指令数目在空调设备和收音机两个方面功能受到限制时，导航和电话/遥控这两个功能不受限制。如在导航系统中输入目的地功能，则语音识别系统要能识别所有选定过的目的地，虽然这时要涉及几千个不同的言语。显然，在控制导航系统的语音识别时不能靠使用在识别整个的言语基础上的语音识别系统，即所谓的整个的言语识别器。在这种情况下，对所有不同的目的地有必要收集许多不同的语音，但这不是一件容易的事。当前更多地要使用“音素（最小的语音单位）”的语音识别系统。它是根据各种语音元素，即音素识别，各种音素就组成语音。如德语约有40个不同的音素，使用基于音素的语音识别系统的前提是对每个要识别的言语就要知道相应的音素顺序，即语音的音标。如果由语音识别系统识别出的言语随时间发生动态变化，正像电话本上的内容经常变化那样，则语音识别系统应能从要识别的言语书写方式得到语音的音标。这可使用从“表示一个音素的所有字母形成（Grapheme）”到“音素（Phoneme）”的转换器[如Keep（ki：p）、Cool（ku：l）、Call（kɔ：l）中的K音，即为音素——译者注]。

除了由于功能范围引起的识别能力外，要能够识别大量的不同言语和动态变化的语汇。对汽车上所用的语音自动识别系统提出如下要求：

在噪声环境中可靠：在汽车中的高噪声随各种影响因素，如行驶速度、天气条件、风窗玻璃开启状况等的强烈变化，所以需要有令人满意的语音识别系统功能。

在送话器中，在语音信号部分和由于环境引起的噪声部分的信噪比变化时，识别能力要可靠：

1）语音识别与说话者无关，并可覆盖地方话（方言）。

2）限制干扰噪声对说话者的影响。

3）系统分度。

4）自然对话。

图8.5-25是现代语音识别框图，可满足上述要求，能用于汽车的语音识别系统。

（2）使用蓝牙技术和语音识别系统自由交谈 下面要介绍的是在行驶中将蓝牙技术和语音识别技术结合运用就可实现通话^[8]，从而减轻驾驶人负担。图8.5-26是蓝牙与语音识别组合在汽车中自由交谈的简化框图。其特征不只是革新了车上移动电话的操作，而且允许附加使用多部移动电话与一台自由交谈设备通信。

通过中央控制模块，用语音命令实现蓝牙—移动电话控制。读音识别的语法可以与用户的希望配合。主要的区别是与使用者或与各个指令之间的语音对话。利用指令（如“选择号码”）进行语音对话。通过语音输入就可得到其他必要的信息，在这时就是电话号码。在各个指令中，在没有反馈信息情况下，从语音识别系统直接向指令说出电话号码。不仅通过声学的语音输入，而且通过在显示屏上的视觉显示，可以向使用者反馈信息。为此，可优先使用现成的显示屏，如在仪表组合、收音机上的显示屏或现成的中央显示屏。因为这些显示屏大多数情况下是与汽车总线（如CAN或MOST）联网。所以，仅为相应的总线接口匹配所需的软件，中央控制模块的成本较高。

(www.xing528.com)

图8.5-25 语音识别框图

图8.5-26 蓝牙与语音识别组合，以在汽车中自由交谈

移动电话机座是可选择的，因为它仅仅是给移动电话蓄电池充电。控制模块与移动电话之间的数据传输都是通过蓝牙实现的。集成的GSM（全球移动通信系统）模块在与蓝牙“SIM卡数据存取功能配置”连接时可能使用GSM外部天线，在移动电话没有机座时也要使用GSM外部天线。

3.前景

无线转输/交会　移动通话和通信电子设备（如移动电话、PDA和MP3播放机）的寿命周期要比汽车本身的寿命短得多。汽车可正常行驶10～15年，移动通话、通信电子设备技术突飞猛进，在1～2年就变了样。这给移动电话带来不少特别问题，因为安装在汽车上的自由交谈设备在购置新的移动电话时要完全或部分替换。其原因不仅在于结构形式的不同，需要另外的布置，而且更需要不同的通信协议，它通过串行接口传输。各个生产厂家的通信协议是不同的。

图8.5-27所示为移动电话通过无线的蓝牙标准与汽车联网。蓝牙首先实现短寿命的通话、通信电子设备（特别是移动电话）与长寿命的汽车的匹配。在这个方案中，单纯的数据传输不需要移动电话适配器。例外情况是应该在汽车上给移动电话蓄电池充电。

图8.5-27 无线传输

与移动电话的串行接口不同，蓝牙中涉及一个标准，在所有用蓝牙技术配置的移动电话可以以同样方式执行这个标准。实际上，这表明一个汽车上的多个使用者使用不同生产厂家的移动电话可以建立与汽车的联系，因此可以与PDA（便携式个人数据处理终端）通信。

但与串行接口不同，在实现蓝牙功能配置时，即使用蓝牙进行数据存取（如移动电话中）时，会受到使用软件的限制。

参考文献

4.汽车天线

几十年前汽车配备的天线只是为收音机收听节目，目前在汽车上接收的无线电服务项目急剧增加。表8.5-3列出现代汽车上的无线电服务项目和它们使用的频率。

表8.5-3 汽车上可接收的服务和它们的频率

（续）

所有天线的任务在于将自由空间波的电磁场能量引导到导线波的电磁中，即自由空间场的电磁场波阻抗从Z_Freiraum=120πΩ≈377Ω^[1]转换到敷设在汽车的导线阻抗（典型值为50Ω，很少的为75Ω）。汽车上使用的天线的重要特征参数是天线座部的阻抗和方向图。方向图由与空间角有关的天线发射功率S_r确定。

图8.5-28左是长度为h的垂直方向赫兹（Hertz）偶极天线^[1，2]，它是等电流I₀流过赫兹天线在与赫兹天线轴垂直的平面中的对数表示。右面是在与赫兹偶极天线轴平行的平面中的对数表示。箭头表示赫兹偶极天线和它在空间中的方向。赫兹偶极天线包括很短、很薄的导电体，这里看到的是有代表性的短的线状天线，它们作为挡泥板天线或车顶天线常用于接收无线电广播。在水平面的方向图，在整方位角是圆形的，即赫兹偶极天线从各个方向可以一样好地接收信号。在右图的垂直面中，在赫兹偶极天线纵向方向是零位，即使用这样的天线从这个方向无法接收信号。因为汽车在整天行驶对准一个要接收的发送台纯属偶然，所以在实际上所有汽车天线在水平面需要一个圆形的方向图。因此，原理上偶极天线，或短的线状天线，或λ/4（四分之一波长）偶极天线在整个传导面特别适用于汽车天线。

对汽车天线的另一个重要要求是带宽。在自由空间长度h≤λ^[1]的线状短天线的天线座部阻抗R_s为

式中，λ为波长，c为传播速度，f为频率。

R_s与频率的平方成正比。R_s不与带宽匹配，对唯一的频率只与汽车电气系统50Ω水平匹配。通过串联的带宽放大器可以在窄的边界范围提高天线的带宽。这样的天线放大器直接装在天线构件附近，如装在杆式天线的天线座部。通过敷设的导线给放大器供电，还可通过从接收机出来的天线导线的内导体供电，即高频信号和供电电路通过天线高频电缆传输的“幻电路”供电。方程式（1）表示，特别有必要对按表8.5-3的每一项服务将属于它的天线集成到汽车上。这样就不能通过唯一的一根天线接收不同频率的所有服务。

图8.5-28 赫兹偶极天线方向图

由于多路径传播产生许多干扰，特别是接收UKW和TV无线电信号。除了从发送机到接收机的直接接收路途外，汽车天线还接收如高楼、山脉、树林的无线电反射信号。这些反射信号与直接传播路径的信号叠加。如果反射信号在“途中”的传播时间要比直接路径到达天线的传播时间延迟，如正好延迟使用频率的半个波长，则引起不同传播路径的信号严重畸变，接收场强消失。最小场强的这些点随接收地点而有很大变化，汽车上使用的多个相互独立的天线，特别是在强干扰下可改善接收信号品质，因为至少有一个天线处于这样的多路径干扰以外的概率很高。

主要用于UKW无线电接收和电视接收的分集天线可以通过开关实现。只要接收信号的品质下降到定义的边界，另一根天线就会接到接收机上。这时识别干扰的时间常数为25μs，并保持天线在转换的位置^[3]，以抑制在音频信号中可听到的多路径干扰和在图像信号中可看到的多路径干扰。如果在定义边界以下的信号品质恢复，则再转接到下一根天线。在原理上，天线分集系统的天线数量不受限制，可实际上，在汽车上不超过4根天线。几年来，更多地使用相位分集系统，如参考文献[4]。它特别用于UKW无线电广播。首先限于两个天线的相位分集系统，为每根天线提供一个固有的接收机。信号处理器以数字形式将两台接收机的接收信号联系在一起，其合成信号的信噪比要比单根天线的信号信噪比在抑制多路径接收信号干扰外还可提高信号达3dB。新的数字无线电广播系统（如DAB或DVB-T）由于它们的数字调制法COFDM（编码正交频分复用）的特别优点^[5]，对多路径接收引起的干扰不灵敏。

除了前面提到的杆式天线外，汽车上的收音机、电视和无线电遥控还经常应用集成天线。它们的优点是汽车设计时不会受到可见的安装件限制，不会破坏车内空间，并提高舒适性，如清洗设备或低空间高度的车库，这样可取消拆卸天线杆。集成到车身电介质部分中的金属构件用作无源的发射元件。玻璃主要用电介质。这样，所有不能下降的风窗玻璃可作为天线构件的载体。这些天线构件银压在风窗玻璃中。常用的银压天线构件的风窗玻璃（如果存在）为行李舱周围的侧向风窗玻璃，或前风窗玻璃，或后风窗玻璃。在后风窗玻璃中固有的天线构件可用作后风窗玻璃加热场（采暖）的扩展，也可将原来不引人注意的加热场用作天线。

图8.5-29是在紧凑型汽车上，在打开的行李舱盖中带集成无线电广播和电视天线组件的加热场（采暖用）。该方案中只表示椭圆形的垂直导体，它嵌入加热场中以调整天线。这时，所有天线集成在汽车中。在最高配置的汽车上，为UKW和电视用的每个两根天线位于后部风窗玻璃中。另外，为放大接收信号和为阻抗与汽车电气系统的带宽匹配的放大器不可见地位于行李舱盖板里面，如图8.5-29所示，加热场本身就是天线构件。为满意地接收信号，利用有效的滤波器可保证：在加热场中接收的高频电流不会由于加热场供电通过汽车搭铁而短路，而是耦合到接收机的天线导线中。

图8.5-29 紧凑型汽车上在打开的行李舱盖中集成AM/FM/TV天线构件

集成天线的其他可能安装地点是（如果汽车上存在）塑料车身件或导流板。利用发挥天线构件作用的电线夹可制成集成天线或利用压有天线构件的塑料薄膜制成集成天线。

不同结构和设计的、或在无源车顶天线中压制在铂上的天线构件的短线状天线用于电话通信，在黑色、低矮的风窗玻璃边缘范围，主要是前风窗玻璃和后风窗玻璃边缘范围集成了看不见的微隙发射极。如需要，现有的塑料车身部件还能提供集成电话天线的结构空间。因为已给定了车身的结构空间和它的外形尺寸，所以在各种特殊车型上要使用“折叠式偶极天线”^[6]。

在优化无线电广播天线和电话天线（主要是优化水平面的接收信号）时，对基于卫星接收系统GPS和SDARS的接收天线，需要一根几乎是半球形方向特性的天线。在世界各个角落总是可以接收到4个GPS卫星信号。这些卫星信号给在地球上的任意方位角和仰角的汽车定位。可是为接收卫星数字音频无线电服务（SDARS）的两个提供者XM卫星无线电和Sirius卫星无线电由于卫星轨道和限制在美国和加拿大接收范围，给定的对水平面的优先仰角为50°～70°。但根据汽车方向、汽车倾角和当时的卫星位置还需要接收来自其他卫星的仰角，还要附加补充地面天线（特别在由于建筑情况遮挡卫星信号概率很高的城市范围），以扩大接收节目。在非常小、与水平面呈10°以内的仰角接收地面天线的信号时，用微波带天线，即所谓的“补丁”天线（Patch-Antenne）^[1]，可以实现几乎是半球形方向图的特性。

图8.5-30 “补丁天线”图标表示

图8.5-30是补丁天线的图形表示。将通过补丁外形尺寸调整工作频率的金属小片（“补丁”）涂在背面同样是金属化的电介质（如陶瓷或铂材料）上。补丁边长相当于在工作频率时的半波长度。用作接收天线的补丁天线能接收高于电介质平面的几乎所有的空间角。同样，补丁与涂在电介质上的输入导线（如图中所示）或与背面相连的同心导线连接。大多将这种天线集成到车顶天线中，个别的则集成在塑料或玻璃中。由于从卫星到接收天线的长传输路程中高的信号衰减，在卫星天线上的信号接收场强很弱。为此有必要在装有噪声值为0.5～1.5dB范围的低噪声前置放大器的接收天线上接收信号，在它进入接收机前直接放大22～30dB。

参考文献