GPS车辆监控调度系统中高速数据传终端的设计

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GPS车辆监控调度系统中高速数据传终端的设计

摘要：介绍一款应用于GPS车辆监控调度的高速GPS数传终端的设计开发。该终端半双工通信,GMSK数据调制解调,传输数据率9600bps,同时能够传输话音。使用此数传终端的车辆监控调度系统可实时监控车辆超过1200辆/分钟。
( d! z, K4 x( f    关键词：全球定位系统（GPS） 高斯滤波最小频移键控（GMSK） 无线通信
GPS车辆监控调度系统中,需要将车辆的定位数据通过无线数据通信平台回传到监控调度中心。常用的无线数据通信平台可以分为两大类：公网和专网。公网指的是GPRS、CDPD、GSM等以用无线数据网,专网则是指为调度系统专门建立的无线通信网。采用公网的GPS系统具有投资小、覆盖面大、系统维护量小等优点,但它的实时性比较差,不能进行GPS差分定位。要用专网的GPS系统对监控目标可采用时分复用方式进行数据传输,充分利用无线频率资源,传输快、实时性好,可进行GPS差分定位,定位精度高。因此专网的GPS车辆监控调度系统尤其适合于公安、消防、公交、金融运钞等对实时性要求高的应用。专网用GPS数传终端在系统中的作用主要是实现GPS差分定位与无线通信。本文介绍用于专网的低成本、高数据率、实时性好、可靠传话音的GPS数传终端的设计方法及其性能、特点。
1 数传终端设计中频率资源的充分利用
在车辆监控调度系统中,频率资源有限,
不能为每个终端分配一个频段,通常是所有终端共用一个数据频道。因此,如何复用这一频率资源,使它得到充分利用,增大系统数据通信容量是数传端和系统设计中值得探讨的问题。
" K( _4 U0 Q5 }! m  e; e. {9 M常用的单信道复用方法有两种：点名方式和时分复用方式。点名方式是在整个系统中,先由基站终端点名,指定某特定移动终端向它回传数据;在随后的一段时间内,指定的终端回传数据,其它的终端则保持沉默,基站的终端接收数据;然后又由基站终端继续点名。时分复用方式则是在一个时间段内为每一终端分配一个时隙,终端轮流发送数据,到下一时间段,所终端又依次发送,如此循环。点名方式的缺点是由于每次都要基站终端先点名,因此通信效率比较低,数据通信容量比较小,只能应用于比较小的系统。时分复用方式效率比点名方式高,数据通信容量大,但是所有终端需要一个共同的时间基准。在移动通信中,这个基准通常由基站通过单独的信道来提供,这就需要单独的控制信道,对设备要求高。在车辆监调度系统中,不能采用这种方法。考虑到GPS接收模块在进行GPS定位时,同时会得到一个非常准确的全球同步时钟,用它来作为时分通信的时间基准,就可以实现时分复用,而不增加成本和设备复杂度。
1 b/ R/ q& b. {% f8 o6 j在时分通信的GPS车辆监控调度系统中,移动终端发送和接收数据的时候不多,终端常处于空闲状态。而在车辆监控调度系统中,采用数据传输定位信息、话音实现调度功能将大大提高系统性能。因此如果能在半双工的传输平台上,实现既传输数据又传输话音而不相互干扰,将会使整个系统性能在不增加成本的情况下,得到极大的提高。考虑到以下两个事实：
（1）时分复用方式的监控调度系统中,每个移动终端传输和接收数据的时间都很短,在每个时分复用周期内只有一收一发两次,各几十毫秒。基站的数传终端数据收发时间则比较长。
! d* I) ?2 v& S0 N! E
. e, s4 j* R% @# k4 S% m% L' C5 s（2）话音通信时,话音偶尔被中断不到100毫秒,基本不影响话音的可懂度,收听者只感觉到轻微的喀、喀声。
# m( Z/ r; W- \' Z+ {/ }9 l( \笔者采取以下办法,实现数据与话音的同时传输：
. d' D2 c- e7 G- Z- F, s- D0 r3 A- v（1）采用两个25kHz带宽的频道,一个用于话音通信,一个用于数据通信;
4 k$ m6 m: E. }! u（2）大部分时间里移动终端处于话音频道,接收或发送话音,在收发数据的时隙,无论是否收、发话音,都强制切换到数据道收发数据,数据通信完成后,回到话音频道,继续收发话音。这样数据收发只会引起话音通信的不到100毫秒的中断,因而对话音通信的影响可忽略。
$ S. Y7 [9 B5 b2 ^（3）在监控调度中心安装两个基站终端,一个专用于话音通信,一个专用于数据通信;每个监控目标安装一个移动终端,在给定的时隙收发数据,其它时间收发话音;基站终端与移动终端只在软件上略有不同。这样,就可以在半双工的平台上,

同时实现数据和话音的半双工传输。
2 GPS数传终端的硬件设计
. R. L8 G9 D, e5 G+ {! _2.1 数字调制方式的选择
  J$ w2 q0 o. w7 A: K, R1 l7 ]; _, O时分通信系统中决定系统容量的主要因素有三个：无线数据传输率、不同终端之间数据传输的保护时间以及每个终端的数据量。增加数据传输速率,可直接加大通信系统容量。在车辆监控调度系统中,带宽资源是非常有限的,要提高通信数据率,必须采用效率比较高的调制方式。
. M2 b! f6 z7 ]ASK、PSK、FSK等调制方式,调制解调简单,但频谱特性不好,带宽利用率低;而QAM、TCM等复杂的调制方式,需要较复杂的调制解调手段,成本也比较高。这里采用GMSK（高斯滤波的最小频移键控）数据调制方式。GMSK是一种恒包络调制方案,可以用较简单的C类放大器实现,而且它能够在保持谱效率的同时维持较低的同波道和邻波道干扰。实现GMSK调制可以采用正交调制方式或简单的高斯低通滤波加频率调制的方式。这里采用后者,如图1所示。
解调时,采用完全相反的过程,先解调频,得到高斯滤波的基带信号,然后高斯逆滤波,恢复调制前的信号。
2.2 频率调制和解调的设计
为了保证数据传输的稳定可靠,发射电路采用两个振荡器：一个中频振荡器和一个本地振荡器,数据和话音分别调制这两个振荡器。数话分开调制的好处是避免了两路的相互影响,并且数据信号直接调制中频晶体振荡电路,提高了数据调制的稳定度,有利于实现MSK调制和接收电路的解调。中频振荡器采用高精度晶振构成的振荡器;本振采用可编程吞脉冲PLL（锁相环）频率综合器,通过PLL将本振VCO（压控振荡器）锁定于高精度晶体振荡器,使本振既具有很高的频率稳定度,又可以通过编程改变频率。
1 s" W' o' k- e  ^频率调制的框图如图2所示。
接收解调电路框图如图3所示。
从天线接收来的射频信号放大后,经过两次下变频、滤波得到基带信号,基带信号放大后,可以推动喇叭发声或往高斯逆滤波器解调出数字信号。
由于PLL频率综合器的成本比较高,考虑到实际使用时频率资源的限制,数传终端采用半双工工作方式,频率调制和解调共用一个PLL频率综合器（本振）。
PLL的转换时间是一个重要的指标,转换时间的大小直接影响终端的性能。 转换时间长使终端数字/话音通信频道转换时间也长,不同终端发送数据保护时间加长,会大大减小整个系统的数字通信容量,降低系统性能;而且PLL的转换时间长,数据通信就会使话音通信中断较长的时间,严重影响话音通信的质量。因此设计时应尽量减少PLL的转换时间,提高PLL的锁定速度。采用变宽法加速PLL的锁定,系统性能有了较大提高。
  m; O% @0 j+ \" D5 P2.3 高斯低通滤波和逆滤波电路
. {0 m# X$ F8 Q' w" K! P" n高斯低能滤波器指的是滤波器的频率响应为高斯函数：
9 I) f0 {) Z  p: ?9 L
; C* N! L1 P. U6 |高斯滤波器的冲击响应也为高斯函数,采用模拟方法是不可能实现这种滤波器的,通常采用数字存储的方法实现高斯滤波器。这里采用一款由CML公司设计生产的GMSK调制解调器FX589。
9 r. l, F8 D! Y5 S3 X- DFX589是一种低压高速GMSK调制解调器,它可以实现高斯低通滤波及逆滤波,数据率为4Kbps～64Kbps。
为了达到无线通信要求的信道带宽为25kHz,带外干扰<-60dB,选择数据率为9600bps,BT=0.5。
根据FX589的工作特性,采取了以下措施,提高数据通信的性能：
（1）精心设计FX589的外围电路,配合FX589工作;
2 p# d5 Q" O( ?7 A* m5 b& V（2）将发/收的数据进行加/解扰,去除信号中的直流和低频成分以适合FX589的要求;
0 p/ N9 w6 v) R4 y9 N（3）给数据加上合适的头码,利用FX589恢复接收时钟,保护接收数据完整性;

（4）软件上采取数据检错重发机制,消除误码对系统性能的影响。
8 C) A. l( i8 y2.4 数传终端的整体设计
整个数传终端的设计以mcu为中心,并采用FPGA来整合周边器件,提高系统的稳定性,降低测试维修的复杂度。数传终端的整体框图如图4所示。
串行EEPROM用于存储车辆的重要信息,如编号、车牌号等。FLASH用于记录车辆运行信息,以供调度中心查询。SRAM存储器主要用于存储临时数据,如GPS定位信息、差分定位信息等。GPS接收模块用于接收GPS信号,实现GPS差分定位功能。显示与控制面板采用带背光液晶显示,由电源音量旋钮、静噪调整旋钮与四个轻触按键控制。RS-232测试设置口用来与PC机或其它设备通信。FPGA将所有器件联系成一个整体,由微控制器通过串行通信口、地址数据接口及通用I/O口控制各模块协调工作,完成整个数传终端的显示、通信与数据处理等功能。
3 GPS数传终端控制软件的设计
( G* u3 U. X( E% @' ]9 O% t9 r! u& `GPS数传终端的软件设计,要求首先配合硬件保证终端工作稳定可靠;其次是合理控制,充分发挥硬件潜力,提升终端、系统的性能;另外还要兼顾系统需要,
, _/ X" G8 h6 `提供良好的操作界面和一定的附加功能与扩展能力。
整个软件的结构示意图如图5所示。
3 f& W7 t+ D: M# u由于终端工作在一个时分通信系统中,每个终端只能在指定的时刻收发数据,因此在软件设计中,实时性的要求非常高。如果软件控制的实时性不好,会乱不同终端间的数据通信相互干扰。这种情况下要保证数据传输可靠,就只能特殊系统数据通信容量,加大不同终端数据传输的保护时间。笔者在软件上采用以下方法提高控制的实时性：
（1）整个软件由一个短时间（几百微秒）的定时中断来定时,结合GPS高精度的时间信息,使所有终端都具有同步且准确的时间。
! O  S& \5 U% X* o' ]% y9 c（2）软件采用模块化设计。模块设计时,将每一模块的工作分成多个部分,模块运行时,每次只运行其中一部分,减小模块每次执行时间,提高软件控制的实时性。
% K1 ~; V  c; K7 W) N' r& U（3）按模块对实时性要求的同,将它们分成不同的执行优先级,如调频与解调电路控制模块的优先级设置为较高,而将EEPROM的读写模块的优先级设置为最低。
在软件设计中,为了减小不同终端之间数据传输的保护时间,增大系统容量,根据系统半双工数据通信的特点,对数据发射电路采用了提前转频道的控制方法。采用此方法后,保护时间不包含PLL锁定时间,只包含射频功率建立时间。由于射频功率建立时间很短,可以忽略,因而MCU控制的时间准确度便成了决定保护时间的主要因素,只要软件控制实时性好就可以把保护时间减少至几毫秒以内。示意图见图6。
/ o, e2 X* q, r) _! l另外软件设计中,串口通信程序采用分层设计,分为接收、命令分析和命令数据处理三层,便于以后扩展命令,以适应不同的车辆监控调度系统。
  N! U6 T* l7 s  v3 G
    样机的各性能指标均符合设计要求,具体如下：
（1）GPS定位与GPS差分定位功能;
（2）半双工无线通信,频率范围430MHz～450MHz通信数据率9600bps,同时可传输话音;
" `' R8 |# M6 N5 w5 n. ^3 u5 {（3）频道带宽25kHz;频率杂散<5kHz;发射邻频干扰<-60dB;
（4）接收灵敏度：1.0μV信号输入,解调输出SNR>30dB,BER<1.0e-5;
6 }! t/ |  E0 N8 c8 S* m（5）接收选择性：±10kHz;-6dB;±25kHz：-50dB;
, l) A5 ~7 @: n( x0 Y（6）发射功率：10W～35W（可调）;
6 P* d. ~  E7 Z+ j; \9 G（7）液晶背光显示;RS-232串行数据接口。

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