摘? 要: 分析了綜合跳頻(FH)通信、碼分多址(CDMA)、時(shí)分多址(TDMA)等多種技術(shù),采用新型小區(qū)制兩級(jí)蜂窩組網(wǎng)方式和通信協(xié)議的GPS移動(dòng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞: GPS-AVL? 跳頻技術(shù)? 蜂窩組網(wǎng)

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1 目前系統(tǒng)存在的問題及跳頻系統(tǒng)的組成

　　全球衛(wèi)星定位移動(dòng)車輛監(jiān)控系統(tǒng)(Global Positioning System-Automatic Vehicle Location,簡稱GPS-AVL)是在全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS、地理信息系統(tǒng)GIS (Geography Information System)和移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)上實(shí)現(xiàn)的移動(dòng)目標(biāo)管理系統(tǒng)。GPS-AVL系統(tǒng)由指揮監(jiān)控基站和移動(dòng)車載單元兩部分組成。

　　目前,GPS-AVL系統(tǒng)存在的問題主要有:車載單元與監(jiān)控中心之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換速率低、GIS電子地圖的實(shí)時(shí)顯示和實(shí)時(shí)報(bào)警速度慢、容量和信道的使用效率不高。隨著現(xiàn)代反高科技作案和反電子對(duì)抗課題的提出,這些問題更加突出,并且增加了通信的隱蔽性、保密性和抗惡意干擾、抗多徑衰落的要求。

　　為此,可在原有普通電臺(tái)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),綜合跳頻(FH)通信、碼分多址(CDMA)、時(shí)分多址(TDMA)等多種技術(shù),采用全新的小區(qū)制兩級(jí)蜂窩組網(wǎng)方式和通信協(xié)議組建GPS-AVL系統(tǒng),系統(tǒng)組成原理如圖1所示。

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2 跳頻關(guān)鍵技術(shù)

2.1 跳頻圖案的構(gòu)造

　　跳頻圖案的選擇對(duì)跳頻通信系統(tǒng)性能的好壞有決定性的影響。由于各用戶的跳頻超始相位不同,傳輸延時(shí)差異等因素,要做到跳頻圖案無相互干擾極其困難。跳頻頻隙的“擊中”或者稱為“碰撞”,可用參數(shù)漢明相關(guān)來衡量。

2.1.1 跳頻圖案設(shè)計(jì)要求

　　(1)每個(gè)跳頻序列都可以使用頻隙集合中的所有頻隙,以實(shí)現(xiàn)處理增益最大;

　　(2)跳頻序列數(shù)目盡量多且實(shí)現(xiàn)電路盡量簡單,以實(shí)現(xiàn)多址通信;

　　(3)跳頻序列集合中任意兩個(gè)跳頻序列在所有相對(duì)時(shí)延下,發(fā)生頻隙重合的次數(shù)應(yīng)盡可能少,同時(shí)跳頻序列集合中的任意跳頻序列與其跳頻平移序列的重合次數(shù)也應(yīng)盡可能少,即要求漢明互相關(guān)和漢明自相關(guān)越小越好;

　　(4)跳頻序列應(yīng)有良好的均勻性、隨機(jī)性和較大的線性復(fù)雜度,以使系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能,且令敵方不能利用以前傳輸?shù)念l率信息預(yù)測當(dāng)前和以后的頻率;

　　(5)跳頻序列應(yīng)能實(shí)現(xiàn)寬頻隙跳頻,以對(duì)抗寬帶阻塞干擾、跟蹤干擾和抗多徑衰落。

2.1.2 跳頻圖案實(shí)現(xiàn)電路

　　理論分析表明:假設(shè)重合次數(shù)為k,頻隙數(shù)目q=pⁿ(p為素?cái)?shù)),性能最優(yōu)的跳頻序列碼是長度為L=q-1,信息元b=k+1的(L,b)RS碼。它為非重復(fù)序列族,序列數(shù)目為q;序列漢明自相關(guān)旁瓣為0;兩序列在任意相對(duì)時(shí)延τ下,漢明互相關(guān)不大于1。在本系統(tǒng)中,設(shè)定k=1，p=2，n=5，q=pⁿ=25=32，則L=q-1=31，b=k+1=2。為實(shí)現(xiàn)寬頻隙跳頻,采用對(duì)偶頻帶法構(gòu)造跳頻序列族,可滿足設(shè)計(jì)要求。假定跳頻頻隙不小于32Δf,選取(31,2)RS碼,跳頻序列按如下步驟構(gòu)造:

　　(1)在頻隙集合F={0,1,…,63}上構(gòu)造兩個(gè)區(qū)間頻帶,分別為:F1={0,1,…,31}和F2={32,33,…,63};

　　(2)選擇n=5次本原多項(xiàng)式:f(x)=x⁵+x²+1;

　　(3)以f(x)為聯(lián)接多項(xiàng)式的m序列發(fā)生器產(chǎn)生非零狀態(tài)序列G={a₁，a₂，…，a₃₁}；

　　(4)在G的各項(xiàng)加上一個(gè)該m序列的固定狀態(tài)a_V={v₁，v₂，…,v₅},即可生成區(qū)間F₁和F₂上的兩族非重復(fù)跳頻序列:

式中,加法按逐位模2運(yùn)算;

　　(5)組合區(qū)間F1和F2上的兩族跳頻序列得到新的一族跳頻序列S_V(j)。由于跳頻頻隙不小于32Δf,所以實(shí)際上S_V(j)在區(qū)間F₁和F₂上的跳頻頻隙相互交錯(cuò),即:

　　跳頻序列S_V(j)的實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

2.2 頻率合成技術(shù)

　　系統(tǒng)跳頻鎖定時(shí)間主要由鎖相環(huán)跳頻鎖定時(shí)間決定,對(duì)于半雙工電臺(tái)還得解決發(fā)射接收功放電路的切換時(shí)延問題。本系統(tǒng)采用全雙工電臺(tái),頻率合成器采用日本富士通公司的MB1504,工作頻段為403～443MHz,參考頻率為f_R=25kHz。

　　為了既考慮鑒相波紋的抑制能力,又要兼顧環(huán)路的瞬態(tài)特性,選取ξ≈0.707，ω_n≤ω_R/5。根據(jù)ξ、ω_n及環(huán)路增益可唯一確定環(huán)路濾波器RC常數(shù)。考慮到增加PLL環(huán)路增益可以縮短環(huán)路鎖定時(shí)間,在環(huán)路濾波器之后,再增加一級(jí)集成運(yùn)放。則鎖相環(huán)環(huán)路換頻鎖定時(shí)間tS可以按如下近似公式計(jì)算:

　　但實(shí)際電路中由于串行送數(shù)的局限和電路中分布參數(shù)的影響,t_S為理論值的5～6倍左右,小于1ms。

2.3 跳頻同步技術(shù)

2.3.1 設(shè)計(jì)要求

　　對(duì)于跳頻通信,應(yīng)保證以下三種同步:

　　(1)跳頻圖案同步,即跳頻接收機(jī)與發(fā)射機(jī)的跳頻圖案要求相互一致;

　　(2)載波同步,即發(fā)送信號(hào)載頻和接收本地信號(hào)載頻之差,應(yīng)落在中頻帶通濾波器內(nèi);

　　(3)碼元同步,可分為跳頻碼元同步和信息碼元同步。

2.3.2 硬件設(shè)計(jì)

　　跳頻同步包括同步捕捉和同步跟蹤兩個(gè)過程。首先由捕獲過程保證跳頻圖案的同步,然后進(jìn)行載波同步跟蹤和碼元同步跟蹤。

　　同步捕捉可利用GPS OEM模塊的高精度秒脈沖信號(hào)進(jìn)行同步。秒脈沖信號(hào)的起點(diǎn)精度ΔTUTC可達(dá)±1μs,甚至為±50ns,其秒脈寬為100ms,上升沿是世界協(xié)調(diào)時(shí)UTC(Universal Time Coordinated)時(shí)刻。電路實(shí)現(xiàn)如圖3所示。

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　　秒脈沖信號(hào)1PPS經(jīng)微分電路得到窄脈沖秒信號(hào),對(duì)分頻電路定時(shí)清零,從而做到本地的毫秒時(shí)鐘與UTC同步。分頻電路得到的周期為5ms的脈沖信號(hào)送往CPU的中斷/INT0,作為跳頻圖案同步信號(hào)。

　　跳頻速率為200hop/s,即跳頻時(shí)隙間隔Δt₁為5ms;假設(shè)信息傳輸速率為100kb/s,即信息元寬度Δt₂為10μs,則跳頻碼元同步時(shí)間誤差和信息碼元同步時(shí)間誤差分別為:

　　所以可以不加碼元同步跟蹤電路,而載波同步跟蹤則可以由鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)。

　　采用高精度時(shí)鐘授時(shí)同步組網(wǎng)有如下優(yōu)點(diǎn):在任一時(shí)隙中各用戶發(fā)射的是彼此互不相同的頻隙,不會(huì)相互干擾;可對(duì)抗敵方利用單一頻率的方法進(jìn)行測向,因?yàn)樵谌我粫r(shí)隙中各用戶發(fā)射互不相同的所有頻隙。

3 GPS-AVL系統(tǒng)組網(wǎng)方案

　　網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為兩級(jí)星形蜂窩跳頻(FH)通信系統(tǒng),由兩個(gè)固定基站和八個(gè)移動(dòng)基站組成,用以監(jiān)控GPS-AVL系統(tǒng)的警車、運(yùn)鈔車、消防車、救護(hù)車等近兩百部GPS移動(dòng)車載單元。網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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　　兩個(gè)固定基站為原系統(tǒng)之大功率基站,由時(shí)分雙工改為碼分雙工,即發(fā)射和接收各選用一幅相互正交的跳頻圖案以實(shí)現(xiàn)收發(fā)并行處理。而移動(dòng)基站為碼分雙工,每個(gè)移動(dòng)基站的發(fā)射和接收機(jī)亦各選用一幅相互正交的跳頻圖案以實(shí)現(xiàn)收發(fā)并行處理。監(jiān)控中心節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)基站和移動(dòng)車載單元的電臺(tái)完全一致,統(tǒng)一的電臺(tái)系統(tǒng)便于維護(hù)和更換。

　　每個(gè)移動(dòng)基站容量設(shè)定為管理32部移動(dòng)車載單元,8個(gè)移動(dòng)基站足以管理256部移動(dòng)車載單元。每4個(gè)移動(dòng)車載單元的GPS定位信息以TDMA的方式匯接成1個(gè)移動(dòng)基站的數(shù)據(jù),而移動(dòng)車載單元靠CDMA方式區(qū)分移動(dòng)基站;移動(dòng)基站再將移動(dòng)車載單元的GPS定位信息發(fā)送給固定基站,每4個(gè)移動(dòng)基站的數(shù)據(jù)亦以TDMA的方式匯接成1個(gè)固定基站的數(shù)據(jù),移動(dòng)基站亦靠CDMA方式區(qū)分固定基站;然后由監(jiān)控中心的兩部電臺(tái)并行接收來自兩個(gè)固定基站的數(shù)據(jù),最后存入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫以備進(jìn)一步的處理和實(shí)時(shí)GIS電子地圖顯示。

　　在同一小區(qū)內(nèi),離基站近的和遠(yuǎn)的移動(dòng)車載單元雖然按同一跳頻圖案通信,但由于它們被安排在不同的時(shí)隙上通信,所以離基站遠(yuǎn)的信號(hào)不會(huì)被離基站近的信號(hào)所掩蓋,即FH/CDMA-TDMA系統(tǒng)能在頻域和時(shí)域上使遠(yuǎn)近信號(hào)完全分開。因此無須采用自動(dòng)功率控制技術(shù),即可解決擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的“遠(yuǎn)-近效應(yīng)”問題。

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