GPS車(chē)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(jì)

 摘要：介紹一款應(yīng)用于GPS車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度的高速GPS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)能夠傳輸話音。使用此數(shù)傳終端的車(chē)輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛超過(guò)1200輛/分鐘。

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等以用無(wú)線數(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。要用專(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、可靠傳話音的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)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(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）話音通信時(shí)，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(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)終端處于話音頻道，接收或發(fā)送話音，在收發(fā)數(shù)據(jù)的時(shí)隙，無(wú)論是否收、發(fā)話音，都強(qiáng)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(huì)引起話音通信的不到100毫秒的中斷，因而對(duì)話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。

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)和話音分別調(diào)制這兩個(gè)振蕩器。數(shù)話分開(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。

接收解調(diào)電路框圖如圖3所示。

從天線接收來(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)使話音通信中斷較長(zhǎng)的時(shí)間，嚴(yán)重影響話音通信的質(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(yīng)為高斯函數(shù)：

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，利用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。

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。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。

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)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(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)間。

（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)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)間減少至幾毫秒以內(nèi)。示意圖見(jiàn)圖6。

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)線通信，頻率范圍430MHz～450MHz通信數(shù)據(jù)率9600bps，同時(shí)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(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。