??? 摘? 要: 介紹一款應(yīng)用于GPS車(chē)輛監(jiān)控" title="車(chē)輛監(jiān)控">車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度的高速GPS數(shù)傳" title="數(shù)傳">數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。該終端半雙工通信,GMSK數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào),傳輸數(shù)據(jù)率9600bps,同時(shí)能夠傳輸話(huà)音。使用此數(shù)傳終端的車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)" title="調(diào)度系統(tǒng)">調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛超過(guò)1200輛/分鐘。?

??? 關(guān)鍵詞: 全球定位系統(tǒng)(GPS)? 高斯" title="高斯">高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)? 無(wú)線(xiàn)通信

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??? GPS車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,需要將車(chē)輛的定位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信" title="數(shù)據(jù)通信">數(shù)據(jù)通信平臺(tái)回傳到監(jiān)控調(diào)度中心。常用的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通信平臺(tái)可以分為兩大類(lèi):公網(wǎng)和專(zhuān)網(wǎng)。公網(wǎng)指的是GPRS、CDPD、GSM等公用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng),專(zhuān)網(wǎng)則是指為調(diào)度系統(tǒng)專(zhuān)門(mén)建立的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)。采用公網(wǎng)的GPS系統(tǒng)具有投資小、覆蓋面大、系統(tǒng)維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn),但它的實(shí)時(shí)性比較差,不能進(jìn)行GPS差分定位。采用專(zhuān)網(wǎng)的GPS系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)可采用時(shí)分復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,充分利用無(wú)線(xiàn)頻率資源,傳輸快、實(shí)時(shí)性好,可進(jìn)行GPS差分定位,定位精度高。因此專(zhuān)網(wǎng)的GPS車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)尤其適合于公安、消防、公交、金融運(yùn)鈔等對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用。專(zhuān)網(wǎng)用GPS數(shù)傳終端在系統(tǒng)中的作用主要是實(shí)現(xiàn)GPS差分定位與無(wú)線(xiàn)通信。本文介紹用于專(zhuān)網(wǎng)的低成本、高數(shù)據(jù)率、實(shí)時(shí)性好、可兼?zhèn)髟?huà)音的GPS數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)方法及其性能、特點(diǎn)。?

1 數(shù)傳終端設(shè)計(jì)中頻率資源的充分利用?

??? 在車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,頻率資源有限,不能為每個(gè)終端分配一個(gè)頻段,通常是所有終端共用一個(gè)數(shù)據(jù)頻道。因此,如何復(fù)用這一頻率資源,使它得到充分利用,增大系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信容量是數(shù)傳終端和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中值得探討的問(wèn)題。?

??? 常用的單信道復(fù)用方法有兩種:點(diǎn)名方式和時(shí)分復(fù)用方式。點(diǎn)名方式是在整個(gè)系統(tǒng)中,先由基站終端點(diǎn)名,指定某特定移動(dòng)終端向它回傳數(shù)據(jù);在隨后的一段時(shí)間內(nèi),指定的終端回傳數(shù)據(jù),其它的終端則保持沉默,基站的終端接收數(shù)據(jù);然后又由基站終端繼續(xù)點(diǎn)名。時(shí)分復(fù)用方式則是在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)為每一終端分配一個(gè)時(shí)隙,終端輪流發(fā)送數(shù)據(jù),到下一時(shí)間段,所有終端又依次發(fā)送,如此循環(huán)。點(diǎn)名方式的缺點(diǎn)是由于每次都要基站終端先點(diǎn)名,因此通信效率比較低,數(shù)據(jù)通信的容量比較小,只能應(yīng)用于比較小的系統(tǒng)。時(shí)分復(fù)用方式效率比點(diǎn)名方式高,數(shù)據(jù)通信容量大,但是所有終端需要一個(gè)共同的時(shí)間基準(zhǔn)。在移動(dòng)通信中,這個(gè)基準(zhǔn)通常由基站通過(guò)單獨(dú)的信道來(lái)提供,這就需要單獨(dú)的控制信道,對(duì)設(shè)備要求高。在車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,不能采用這種方法?？紤]到GPS接收模塊在進(jìn)行GPS定位時(shí),同時(shí)會(huì)得到一個(gè)非常準(zhǔn)確的全球同步時(shí)鐘,用它來(lái)作為時(shí)分通信的時(shí)間基準(zhǔn),就可以實(shí)現(xiàn)時(shí)分復(fù)用,而不增加成本和設(shè)備復(fù)雜度。?

??? 在時(shí)分通信的GPS車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,移動(dòng)終端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時(shí)候不多,終端常處于空閑狀態(tài)。而在車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,采用數(shù)據(jù)傳輸定位信息、話(huà)音實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能將大大提高系統(tǒng)性能。因此如果能在半雙工的傳輸平臺(tái)上,實(shí)現(xiàn)既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸話(huà)音而不相互干擾,將會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)性能在不增加成本的情況下,得到極大的提高?？紤]到以下兩個(gè)事實(shí):?

??? (1)時(shí)分復(fù)用方式的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,每個(gè)移動(dòng)終端傳輸和接收數(shù)據(jù)的時(shí)間都很短,在每個(gè)時(shí)分復(fù)用周期內(nèi)只有一收一發(fā)兩次,各幾十毫秒?；镜臄?shù)傳終端數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)間則比較長(zhǎng)。?

??? (2)話(huà)音通信時(shí),話(huà)音偶爾被中斷不到100毫秒,基本不影響話(huà)音的可懂度,收聽(tīng)者只感覺(jué)到輕微的喀、喀聲。?

??? 筆者采取以下辦法,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與話(huà)音的同時(shí)傳輸:?

??? (1)采用兩個(gè)25kHz帶寬的頻道,一個(gè)用于話(huà)音通信,一個(gè)用于數(shù)據(jù)通信;?

??? (2)大部分時(shí)間里移動(dòng)終端處于話(huà)音頻道,接收或發(fā)送話(huà)音,在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)隙,無(wú)論是否收、發(fā)話(huà)音,都強(qiáng)制切換到數(shù)據(jù)頻道收發(fā)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)通信完成后,回到話(huà)音頻道,繼續(xù)收發(fā)話(huà)音。這樣數(shù)據(jù)收發(fā)只會(huì)引起話(huà)音通信的不到100毫秒的中斷,因而對(duì)話(huà)音通信的影響可忽略。?

??? (3)在監(jiān)控調(diào)度中心安裝兩個(gè)基站終端,一個(gè)專(zhuān)用于話(huà)音通信,一個(gè)專(zhuān)用于數(shù)據(jù)通信;每個(gè)監(jiān)控目標(biāo)安裝一個(gè)移動(dòng)終端,在給定的時(shí)隙收發(fā)數(shù)據(jù),其它時(shí)間收發(fā)話(huà)音;基站終端與移動(dòng)終端只在軟件上略有不同。這樣,就可以在半雙工的平臺(tái)上,同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話(huà)音的半雙工傳輸。?

2 GPS數(shù)傳終端的硬件設(shè)計(jì)?

2.1 數(shù)字調(diào)制方式的選擇?

??? 時(shí)分通信系統(tǒng)中決定系統(tǒng)容量的主要因素有三個(gè):無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸率、不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間以及每個(gè)終端的數(shù)據(jù)量。增加數(shù)據(jù)傳輸速率,可直接加大通信系統(tǒng)容量。在車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,帶寬資源是非常有限的,要提高通信數(shù)據(jù)率,必須采用效率比較高的調(diào)制方式。?

??? ASK、PSK、FSK等調(diào)制方式,調(diào)制解調(diào)簡(jiǎn)單,但頻譜特性不好,帶寬利用率低;而QAM、TCM等復(fù)雜的調(diào)制方式,需要較復(fù)雜的調(diào)制解調(diào)手段,成本也比較高。這里采用GMSK(高斯濾波的最小頻移鍵控)數(shù)據(jù)調(diào)制方式。GMSK是一種恒包絡(luò)調(diào)制方案,可以用較簡(jiǎn)單的C類(lèi)放大器實(shí)現(xiàn),而且它能夠在保持譜效率的同時(shí)維持較低的同波道和鄰波道干擾。實(shí)現(xiàn)GMSK調(diào)制可以采用正交調(diào)制方式或簡(jiǎn)單的高斯低通濾波加頻率調(diào)制的方式。這里采用后者,如圖1所示。?

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??? 解調(diào)時(shí),采用完全相反的過(guò)程,先解調(diào)頻,得到高斯濾波的基帶信號(hào),然后高斯逆濾波,恢復(fù)調(diào)制前的信號(hào)。?

2.2 頻率調(diào)制和解調(diào)的設(shè)計(jì)?

??? 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠,發(fā)射電路采用兩個(gè)振蕩器:一個(gè)中頻振蕩器和一個(gè)本地振蕩器,數(shù)據(jù)和話(huà)音分別調(diào)制這兩個(gè)振蕩器。數(shù)話(huà)分開(kāi)調(diào)制的好處是避免了兩路的相互影響,并且數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制中頻晶體振蕩電路,提高了數(shù)據(jù)調(diào)制的穩(wěn)定度,有利于實(shí)現(xiàn)MSK調(diào)制和接收電路的解調(diào)。中頻振蕩器采用高精度晶振構(gòu)成的振蕩器;本振采用可編程吞脈沖PLL(鎖相環(huán))頻率綜合器,通過(guò)PLL將本振VCO(壓控振蕩器)鎖定于高精度晶體振蕩器,使本振既具有很高的頻率穩(wěn)定度,又可以通過(guò)編程改變頻率。?

??? 頻率調(diào)制的框圖如圖2所示。?

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??? 接收解調(diào)電路的框圖如圖3所示。?

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??? 從天線(xiàn)接收來(lái)的射頻信號(hào)放大后,經(jīng)過(guò)兩次下變頻、濾波得到基帶信號(hào),基帶信號(hào)放大后,可以推動(dòng)喇叭發(fā)聲或往高斯逆濾波器解調(diào)出數(shù)字信號(hào)。?

??? 由于PLL頻率綜合器的成本比較高,考慮到實(shí)際使用時(shí)頻率資源的限制,數(shù)傳終端采用半雙工工作方式,頻率調(diào)制和解調(diào)共用一個(gè)PLL頻率綜合器(本振)。?

??? PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間是一個(gè)重要的指標(biāo),轉(zhuǎn)換時(shí)間的大小直接影響終端的性能。轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng)使終端數(shù)字/話(huà)音通信頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間也長(zhǎng),不同終端發(fā)送數(shù)據(jù)保護(hù)時(shí)間加長(zhǎng),會(huì)大大減小整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字通信容量,降低系統(tǒng)性能;而且PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間長(zhǎng),數(shù)據(jù)通信就會(huì)使話(huà)音通信中斷較長(zhǎng)的時(shí)間,嚴(yán)重影響話(huà)音通信的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少PLL的轉(zhuǎn)換時(shí)間,提高PLL的鎖定速度。采用變帶寬法加速PLL的鎖定,系統(tǒng)性能有了較大提高。?

2.3 高斯低通濾波和逆濾波電路?

??? 高斯低通濾波器指的是濾波器的頻率響應(yīng)為高斯函數(shù):?

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??? 高斯濾波器的沖擊響應(yīng)也為高斯函數(shù),采用模擬方法是不可能實(shí)現(xiàn)這種濾波器的,通常采用數(shù)字存儲(chǔ)的方法實(shí)現(xiàn)高斯濾波器。這里采用一款由CML公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的GMSK調(diào)制解調(diào)器FX589。?

??? FX589是一種低壓高速GMSK調(diào)制解調(diào)器,它可以實(shí)現(xiàn)高斯低通濾波及逆濾波,數(shù)據(jù)率為4Kbps～64Kbps。

??? 為了達(dá)到無(wú)線(xiàn)通信要求的信道帶寬為25kHz,帶外干擾<-60dB,選擇數(shù)據(jù)率為9600bps,BT=0.5。?

??? 根據(jù)FX589的工作特性,采取了以下措施,提高數(shù)據(jù)通信的性能:?

??? (1)精心設(shè)計(jì)FX589的外圍電路,配合FX589工作;?

??? (2)將發(fā)/收的數(shù)據(jù)進(jìn)行加/解擾,去除信號(hào)中的直流和低頻成分以適合FX589的要求;?

??? (3)給數(shù)據(jù)加上合適的頭碼,利于FX589恢復(fù)接收時(shí)鐘,保護(hù)接收數(shù)據(jù)完整性;?

??? (4)軟件上采取數(shù)據(jù)檢錯(cuò)重發(fā)機(jī)制,消除誤碼對(duì)系統(tǒng)性能的影響。?

2.4 數(shù)傳終端的整體設(shè)計(jì)?

??? 整個(gè)數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)以MCU為中心,并采用FPGA來(lái)整合周邊器件,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低測(cè)試維修的復(fù)雜度。數(shù)傳終端的整體框圖如圖4所示。?

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??? 串行EEPROM用于存儲(chǔ)車(chē)輛的重要信息,如編號(hào)、車(chē)牌號(hào)等。FLASH用于記錄車(chē)輛運(yùn)行信息,以供調(diào)度中心查詢(xún)。SRAM存儲(chǔ)器主要用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù),如GPS定位信息、差分定位信息等。GPS接收模塊用于接收GPS信號(hào),實(shí)現(xiàn)GPS差分定位功能。顯示與控制面板采用帶背光液晶顯示,由電源音量旋鈕、靜噪調(diào)整旋鈕與四個(gè)輕觸按鍵控制。RS-232測(cè)試設(shè)置口用來(lái)與PC機(jī)或其它設(shè)備通信。FPGA將所有器件聯(lián)系成一個(gè)整體,由微控制器通過(guò)串行通信口、地址數(shù)據(jù)接口及通用I/O口控制各模塊協(xié)調(diào)工作,完成整個(gè)數(shù)傳終端的顯示、通信與數(shù)據(jù)處理等功能。?

3 GPS數(shù)傳終端控制軟件的設(shè)計(jì)?

??? GPS數(shù)傳終端的軟件設(shè)計(jì),要求首先配合硬件保證終端工作穩(wěn)定可靠;其次是合理控制,充分發(fā)揮硬件潛力,提升終端、系統(tǒng)的性能;另外還要兼顧系統(tǒng)需要,提供良好的操作界面和一定的附加功能與擴(kuò)展能力。?

整個(gè)軟件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。?

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??? 由于終端工作在一個(gè)時(shí)分通信系統(tǒng)中,每個(gè)終端只能在指定的時(shí)刻收發(fā)數(shù)據(jù),因此在軟件設(shè)計(jì)中,實(shí)時(shí)性的要求非常高。如果軟件控制的實(shí)時(shí)性不好,會(huì)造成不同終端間的數(shù)據(jù)通信相互干擾。這種情況下要保證數(shù)據(jù)傳輸可靠,就只能犧牲系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信容量,加大不同終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間。筆者在軟件上采用以下方法提高控制的實(shí)時(shí)性:?

??? (1)整個(gè)軟件由一個(gè)短時(shí)間(幾百微秒)的定時(shí)中斷來(lái)定時(shí),結(jié)合GPS高精度的時(shí)間信息,使所有終端都具有同步且準(zhǔn)確的時(shí)鐘;?

??? (2)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)。模塊設(shè)計(jì)時(shí),將每一模塊的工作分成多個(gè)部分,模塊運(yùn)行時(shí),每次只運(yùn)行其中一部分,減小模塊每次執(zhí)行時(shí)間,提高軟件控制的實(shí)時(shí)性。?

??? (3)按模塊對(duì)實(shí)時(shí)性要求的不同,將它們分成不同的執(zhí)行優(yōu)先級(jí),如調(diào)頻與解調(diào)電路控制模塊的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高,而將EEPROM的讀寫(xiě)模塊的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最低。?

??? 在軟件設(shè)計(jì)中,為了減小不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時(shí)間,增大系統(tǒng)容量,根據(jù)系統(tǒng)半雙工數(shù)據(jù)通信的特點(diǎn),對(duì)數(shù)據(jù)發(fā)射電路采用了提前轉(zhuǎn)換頻道的控制方法。采用此方法后,保護(hù)時(shí)間不包含PLL鎖定時(shí)間,只包含射頻功率建立時(shí)間。由于射頻功率建立時(shí)間很短,可以忽略, 因而MCU控制的時(shí)間準(zhǔn)確度便成了決定保護(hù)時(shí)間的主要因素,只要軟件控制實(shí)時(shí)性好就可以把保護(hù)時(shí)間減少至幾毫秒以?xún)?nèi)。示意圖見(jiàn)圖6。?

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??? 另外軟件設(shè)計(jì)中,串口通信程序采用分層設(shè)計(jì),分為接收、命令分析和命令數(shù)據(jù)處理三層,便于以后擴(kuò)展命令,以適應(yīng)不同的車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)。?

??? 樣機(jī)的各性能指標(biāo)均符合設(shè)計(jì)要求,具體如下:?

??? (1)GPS定位與GPS差分定位功能;?

??? (2)半雙工無(wú)線(xiàn)通信,頻率范圍430MHz～450MHz,通信數(shù)據(jù)率9600bps,同時(shí)可傳輸話(huà)音;?

??? (3)頻道帶寬25kHz;頻率雜散<5kHz;發(fā)射鄰頻干擾<-60dB;?

??? (4)接收靈敏度:1.0μV信號(hào)輸入,解調(diào)輸出SNR>30dB,BER<1.0e-5;?

??? (5)接收選擇性:±10kHz: -6dB;±25kHz:-50dB;?

??? (6)發(fā)射功率:10W～35W(可調(diào));?

??? (7)液晶背光顯示;RS-232串行數(shù)據(jù)接口。?

參考文獻(xiàn)?

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