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GPS車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳終端的設計
摘要：介紹一款應用于GPS車輛監(jiān)控調度的高速GPS數(shù)傳終端的設計開發(fā)。該終端半雙工通信，GMSK數(shù)據(jù)調制解調，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)控調度系統(tǒng)可實時監(jiān)控車輛超過1200輛/分鐘。關鍵詞：全球定位系統(tǒng)（GPS） 高斯濾波最小頻移鍵控（GMSK） 無線通信
GPS車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)中，需要將車輛的定位數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信平臺回傳到監(jiān)控調度中心。常用的無線數(shù)據(jù)通信平臺可以分為兩大類：公網和專網。公網指的是GPRS、CDPD、GSM等以用無線數(shù)據(jù)網，專網則是指為調度系統(tǒng)專門建立的無線通信網。采用公網的GPS系統(tǒng)具有投資小、覆蓋面大、系統(tǒng)維護量小等優(yōu)點，但它的實時性比較差，不能進行GPS差分定位。要用專網的GPS系統(tǒng)對監(jiān)控目標可采用時分復用方式進行數(shù)據(jù)傳輸，充分利用無線頻率資源，傳輸快、實時性好，可進行GPS差分定位，定位精度高。因此專網的GPS車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)尤其適合于公安、消防、公交、金融運鈔等對實時性要求高的應用。專網用GPS數(shù)傳終端在系統(tǒng)中的作用主要是實現(xiàn)GPS差分定位與無線通信。本文介紹用于專網的低成本、高數(shù)據(jù)率、實時性好、可靠傳話音的GPS數(shù)傳終端的設計方法及其性能、特點。
1 數(shù)傳終端設計中頻率資源的充分利用
在車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)中，頻率資源有限，(范文先生網325224.com收集整理)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)傳端和系統(tǒng)設計中值得探討的問題。
常用的單信道復用方法有兩種：點名方式和時分復用方式。點名方式是在整個系統(tǒng)中，先由基站終端點名，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，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)點名。時分復用方式則是在一個時間段內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，所終端又依次發(fā)送，如此循環(huán)。點名方式的缺點是由于每次都要基站終端先點名，因此通信效率比較低，數(shù)據(jù)通信容量比較小，只能應用于比較小的系統(tǒng)。時分復用方式效率比點名方式高，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。在移動通信中，這個基準通常由基站通過單獨的信道來提供，這就需要單獨的控制信道，對設備要求高。在車輛監(jiān)調度系統(tǒng)中，不能采用這種方法�？紤]到GPS接收模塊在進行GPS定位時，同時會得到一個非常準確的全球同步時鐘，用它來作為時分通信的時間基準，就可以實現(xiàn)時分復用，而不增加成本和設備復雜度。
在時分通信的GPS車輛監(jiān)控調度系統(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)控調度系統(tǒng)中，采用數(shù)據(jù)傳輸定位信息、話音實現(xiàn)調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�？紤]到以下兩個事實：
（1）時分復用方式的監(jiān)控調度系統(tǒng)中，每個移動終端傳輸和接收數(shù)據(jù)的時間都很短，在每個時分復用周期內只有一收一發(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，都強制切換到數(shù)據(jù)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)傳終端的硬件設計
2.1 數(shù)字調制方式的選擇
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制方式。
ASK、PSK、FSK等調制方式，調制解調簡單，但頻譜特性不好，帶寬利用率低；而QAM、TCM等復雜的調制方式，需要較復雜的調制解調手段，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)調制方式。GMSK是一種恒包絡調制方案，可以用較簡單的C類放大器實現(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。實現(xiàn)GMSK調制可以采用正交調制方式或簡單的高斯低通濾波加頻率調制的方式。這里采用后者，如圖1所示。
解調時，采用完全相反的過程，先解調頻，得到高斯濾波的基帶信號，然后高斯逆濾波，恢復調制前的信號。
2.2 頻率調制和解調的設計
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)和話音分別調制這兩個振蕩器。數(shù)話分開調制的好處是避免了兩路的相互影響，并且數(shù)據(jù)信號直接調制中頻晶體振蕩電路，提高了數(shù)據(jù)調制的穩(wěn)定度，有利于實現(xiàn)MSK調制和接收電路的解調。中頻振蕩器采用高精度晶振構成的振蕩器；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。
頻率調制的框圖如圖2所示。
接收解調電路框圖如圖3所示。
從天線接收來的射頻信號放大后，經過兩次下變頻、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出數(shù)字信號。
由于PLL頻率綜合器的成本比較高，考慮到實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，頻率調制和解調共用一個PLL頻率綜合器（本振）。
PLL的轉換時間是一個重要的指標，轉換時間的大小直接影響終端的性能。 轉換時間長使終端數(shù)字/話音通信頻道轉換時間也長，不同終端發(fā)送數(shù)據(jù)保護時間加長，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，嚴重影響話音通信的質量。因此設計時應盡量減少PLL的轉換時間，提高PLL的鎖定速度。采用變寬法加速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
高斯低能濾波器指的是濾波器的頻率響應為高斯函數(shù)：
高斯濾波器的沖擊響應也為高斯函數(shù)，采用模擬方法是不可能實現(xiàn)這種濾波器的，通常采用數(shù)字存儲的方法實現(xiàn)高斯濾波器。這里采用一款由CML公司設計生產的GMSK調制解調器FX589。
FX589是一種低壓高速GMSK調制解調器，它可以實現(xiàn)高斯低通濾波及逆濾波，數(shù)據(jù)率為4Kbps～64Kbps。
為了達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）精心設計FX589的外圍電路，配合FX589工作；
（2）將發(fā)/收的數(shù)據(jù)進行加/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，利用FX589恢復接收時鐘，保護接收數(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)傳終端的整體設計
整個數(shù)傳終端的設計以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，降低測試維修的復雜度。數(shù)傳終端的整體框圖如圖4所示。
串行EEPROM用于存儲車輛的重要信息，如編號、車牌號等。FLASH用于記錄車輛運行信息，以供調度中心查詢。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、靜噪調整旋鈕與四個輕觸按鍵控制。RS-232測試設置口用來與PC機或其它設備通信。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計
GPS數(shù)傳終端的軟件設計，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展能力。
整個軟件的結構示意圖如圖5所示。
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)，因此在軟件設計中，實時性的要求非常高。如果軟件控制的實時性不好，會亂不同終端間的數(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，就只能特殊系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信容量，加大不同終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo時間。筆者在軟件上采用以下方法提高控制的實時性：
（1）整個軟件由一個短時間（幾百微秒）的定時中斷來定時，結合GPS高精度的時間信息，使所有終端都具有同步且準確的時間。
（2）軟件采用模塊化設計。模塊設計時，將每一模塊的工作分成多個部分，模塊運行時，每次只運行其中一部分，減小模塊每次執(zhí)行時間，提高軟件控制的實時性。
（3）按模塊對實時性要求的同，將它們分成不同的執(zhí)行優(yōu)先級，如調頻與解調電路控制模塊的優(yōu)先級設置為最高，而將EEPROM的讀寫模塊的優(yōu)先級設置為最低。
在軟件設計中，為了減小不同終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋Ｗo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，對數(shù)據(jù)發(fā)射電路采用了提前轉頻道的控制方法。采用此方法后，保護時間不包含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控制的時間準確度便成了決定保護時間的主要因素，只要軟件控制實時性好就可以把保護時間減少至幾毫秒以內。示意圖見圖6。
另外軟件設計中，串口通信程序采用分層設計，分為接收、命令分析和命令數(shù)據(jù)處理三層，便于以后擴展命令，以適應不同的車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)。
樣機的各性能指標均符合設計要求，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）；
（7）液晶背光顯示；RS-232串行數(shù)據(jù)接口。
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