GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳輸終端的設(shè)計

摘要：介紹一款應用于GPS車輛監(jiān)控調(diào)度的高速GPS數(shù)傳終端的設(shè)計開發(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)可實時監(jiān)控車輛超過1200輛/分鐘。

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等以用無線數(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(wǎng)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(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、金融運鈔等對實時性要求高的應用。專網(wǎng)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(wǎng)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(shè)計方法及其性能、特點。

1 數(shù)傳終端設(shè)計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(shè)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(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)點名。時分復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(shè)備要求高。在車輛監(jiān)調(diào)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(shè)備復雜度。

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(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(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(shè)計

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等復雜的調(diào)制方式，需要較復雜的調(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(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。

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，恢復調(diào)制前的信號。

2.2 頻率調(diào)制和解調(diào)的設(shè)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(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。

接收解調(diào)電路框圖如圖3所示。

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，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，嚴重影響話音通信的質(zhì)量。因此設(shè)計時應盡量減少PLL的轉(zhuǎn)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(shè)計生產(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(shè)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(shè)計

整個數(shù)傳終端的設(shè)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(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

GPS數(shù)傳終端的軟件設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)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(shè)計。模塊設(shè)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(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(zhuǎn)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(nèi)。示意圖見圖6。

另外軟件設(shè)計中，串口通信程序采用分層設(shè)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(diào)度系統(tǒng)。

樣機的各性能指標均符合設(shè)計要求，具體如下：