??? 摘? 要: 介紹一款應(yīng)用于GPS車輛監(jiān)控" title="車輛監(jiān)控">車輛監(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,同時能夠傳輸話音。使用此數(shù)傳終端的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)" title="調(diào)度系統(tǒng)">調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)控車輛超過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)? 無線通信

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??? GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,需要將車輛的定位數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信" title="數(shù)據(jù)通信">數(shù)據(jù)通信平臺回傳到監(jiān)控調(diào)度中心。常用的無線數(shù)據(jù)通信平臺可以分為兩大類:公網(wǎng)和專網(wǎng)。公網(wǎng)指的是GPRS、CDPD、GSM等公用無線數(shù)據(jù)網(wǎng),專網(wǎng)則是指為調(diào)度系統(tǒng)專門建立的無線通信網(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)時性比較差,不能進(jìn)行GPS差分定位。采用專網(wǎng)的GPS系統(tǒng)對監(jiān)控目標(biāo)可采用時分復(fù)用方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,充分利用無線頻率資源,傳輸快、實(shí)時性好,可進(jìn)行GPS差分定位,定位精度高。因此專網(wǎng)的GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)尤其適合于公安、消防、公交、金融運(yùn)鈔等對實(shí)時性要求高的應(yīng)用。專網(wǎng)用GPS數(shù)傳終端在系統(tǒng)中的作用主要是實(shí)現(xiàn)GPS差分定位與無線通信。本文介紹用于專網(wǎng)的低成本、高數(shù)據(jù)率、實(shí)時性好、可兼?zhèn)髟捯舻腉PS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?

??? 在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,頻率資源有限,不能為每個終端分配一個頻段,通常是所有終端共用一個數(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)中值得探討的問題。?

??? 常用的單信道復(fù)用方法有兩種:點(diǎn)名方式和時分復(fù)用方式。點(diǎn)名方式是在整個系統(tǒng)中,先由基站終端點(diǎn)名,指定某特定移動終端向它回傳數(shù)據(jù);在隨后的一段時間內(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。時分復(fù)用方式則是在一個時間段內(nèi)為每一終端分配一個時隙,終端輪流發(fā)送數(shù)據(jù),到下一時間段,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共同的時間基準(zhǔn)。在移動通信中,這個基準(zhǔn)通常由基站通過單獨(dú)的信道來提供,這就需要單獨(dú)的控制信道,對設(shè)備要求高。在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,不能采用這種方法。考慮到GPS接收模塊在進(jìn)行GPS定位時,同時會得到一個非常準(zhǔn)確的全球同步時鐘,用它來作為時分通信的時間基準(zhǔn),就可以實(shí)現(xiàn)時分復(fù)用,而不增加成本和設(shè)備復(fù)雜度。?

??? 在時分通信的GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,移動終端發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的時候不多,終端常處于空閑狀態(tài)。而在車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,采用數(shù)據(jù)傳輸定位信息、話音實(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上,實(shí)現(xiàn)既傳輸數(shù)據(jù)又傳輸話音而不相互干擾,將會使整個系統(tǒng)性能在不增加成本的情況下,得到極大的提高。考慮到以下兩個事實(shí):?

??? (1)時分復(fù)用方式的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中,每個移動終端傳輸和接收數(shù)據(jù)的時間都很短,在每個時分復(fù)用周期內(nèi)只有一收一發(fā)兩次,各幾十毫秒。基站的數(shù)傳終端數(shù)據(jù)收發(fā)時間則比較長。?

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

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

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

??? (2)大部分時間里移動終端處于話音頻道,接收或發(fā)送話音,在收發(fā)數(shù)據(jù)的時隙,無論是否收、發(fā)話音,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,回到話音頻道,繼續(xù)收發(fā)話音。這樣數(shù)據(jù)收發(fā)只會引起話音通信的不到100毫秒的中斷,因而對話音通信的影響可忽略。?

??? (3)在監(jiān)控調(diào)度中心安裝兩個基站終端,一個專用于話音通信,一個專用于數(shù)據(jù)通信;每個監(jiān)控目標(biāo)安裝一個移動終端,在給定的時隙收發(fā)數(shù)據(jù),其它時間收發(fā)話音;基站終端與移動終端只在軟件上略有不同。這樣,就可以在半雙工的平臺上,同時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和話音的半雙工傳輸。?

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?

??? 時分通信系統(tǒng)中決定系統(tǒng)容量的主要因素有三個:無線數(shù)據(jù)傳輸率、不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo(hù)時間以及每個終端的數(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,可以用較簡單的C類放大器實(shí)現(xiàn),而且它能夠在保持譜效率的同時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,采用完全相反的過程,先解調(diào)頻,得到高斯濾波的基帶信號,然后高斯逆濾波,恢復(fù)調(diào)制前的信號。?

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)射電路采用兩個振蕩器:一個中頻振蕩器和一個本地振蕩器,數(shù)據(jù)和話音分別調(diào)制這兩個振蕩器。數(shù)話分開調(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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??? 從天線接收來的射頻信號放大后,經(jīng)過兩次下變頻、濾波得到基帶信號,基帶信號放大后,可以推動喇叭發(fā)聲或往高斯逆濾波器解調(diào)出數(shù)字信號。?

??? 由于PLL頻率綜合器的成本比較高,考慮到實(shí)際使用時頻率資源的限制,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PLL頻率綜合器(本振)。?

??? PLL的轉(zhuǎn)換時間是一個重要的指標(biāo),轉(zhuǎn)換時間的大小直接影響終端的性能。轉(zhuǎn)換時間長使終端數(shù)字/話音通信頻道轉(zhuǎn)換時間也長,不同終端發(fā)送數(shù)據(jù)保護(hù)時間加長,會大大減小整個系統(tǒng)的數(shù)字通信容量,降低系統(tǒng)性能;而且PLL的轉(zhuǎn)換時間長,數(shù)據(jù)通信就會使話音通信中斷較長的時間,嚴(yán)重影響話音通信的質(zhì)量。因此設(shè)計(jì)時應(yīng)盡量減少PLL的轉(zhuǎn)換時間,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)到無線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)檢錯重發(fā)機(jī)制,消除誤碼對系統(tǒng)性能的影響。?

2.4 數(shù)傳終端的整體設(shè)計(jì)?

??? 整個數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)以MCU為中心,并采用FPGA來整合周邊器件,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低測試維修的復(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用于存儲車輛的重要信息,如編號、車牌號等。FLASH用于記錄車輛運(yùn)行信息,以供調(diào)度中心查詢。SRAM存儲器主要用于存儲臨時數(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,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)整旋鈕與四個輕觸按鍵控制。RS-232測試設(shè)置口用來與PC機(jī)或其它設(shè)備通信。FPGA將所有器件聯(lián)系成一個整體,由微控制器通過串行通信口、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時分通信系統(tǒng)中,每個終端只能在指定的時刻收發(fā)數(shù)據(jù),因此在軟件設(shè)計(jì)中,實(shí)時性的要求非常高。如果軟件控制的實(shí)時性不好,會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)時間。筆者在軟件上采用以下方法提高控制的實(shí)時性:?

??? (1)整個軟件由一個短時間(幾百微秒)的定時中斷來定時,結(jié)合GPS高精度的時間信息,使所有終端都具有同步且準(zhǔn)確的時鐘;?

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

??? (3)按模塊對實(shí)時性要求的不同,將它們分成不同的執(zhí)行優(yōu)先級,如調(diào)頻與解調(diào)電路控制模塊的優(yōu)先級設(shè)置為最高,而將EEPROM的讀寫模塊的優(yōu)先級設(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)時間不包含PLL鎖定時間,只包含射頻功率建立時間。由于射頻功率建立時間很短,可以忽略, 因而MCU控制的時間準(zhǔn)確度便成了決定保護(hù)時間的主要因素,只要軟件控制實(shí)時性好就可以把保護(hù)時間減少至幾毫秒以內(nèi)。示意圖見圖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)半雙工無線通信,頻率范圍430MHz～450MHz,通信數(shù)據(jù)率9600bps,同時可傳輸話音;?

??? (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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