一種無線調(diào)度專網(wǎng)的判選控制器設(shè)計(jì)

2005年2月A版

摘要：本文介紹了一種無線調(diào)度專網(wǎng)系統(tǒng)，并根據(jù)該系統(tǒng)的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)了該專網(wǎng)的判選控制器，給出了判選控制器的硬件結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：無線調(diào)度專網(wǎng)；判選控制器；基站；分集接收；準(zhǔn)同步發(fā)射

本文2004年12月20日收到。鄧洪波：工程師，從事數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)；姜福廣：高級(jí)工程師。

前言
    無線調(diào)度專網(wǎng)廣泛應(yīng)用于公安、鐵路、出租車隊(duì)等調(diào)度部門。它是一個(gè)以組群呼叫、接收轉(zhuǎn)發(fā)為主的移動(dòng)通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般為異頻雙工方式工作，可實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)與移動(dòng)組群的每個(gè)成員之間（縱向）、以及同一組群的不同成員之間（橫向）的語音通訊。它的特點(diǎn)是系統(tǒng)信道數(shù)少，組群用戶數(shù)少，要求建網(wǎng)投資要小，網(wǎng)絡(luò)覆蓋率要高。在頻率資源有限的情況下，分集接收、準(zhǔn)同步發(fā)射式無線調(diào)度專網(wǎng)是解決廣域覆蓋問題的最佳方案。所謂分集接收、準(zhǔn)同步發(fā)射即是采用若干同頻發(fā)射基站對(duì)系統(tǒng)下行發(fā)射信號(hào)作同頻、同相發(fā)射，全方位覆蓋下行通訊區(qū)域。同時(shí)，為了解決移動(dòng)手持臺(tái)上行信號(hào)相對(duì)較弱的問題，可在上行通訊不佳的區(qū)域內(nèi)再增加M-1個(gè)同頻分集接收基站，各個(gè)接收基站交叉覆蓋通訊網(wǎng)的上行通訊區(qū)域。系統(tǒng)控制中心的判選控制設(shè)備將對(duì)這M個(gè)接收信號(hào)做信噪比分析，瞬時(shí)、動(dòng)態(tài)地將最佳接收信號(hào)切換給系統(tǒng)調(diào)度。該方法稱之為“判選式分集接收”。與小區(qū)覆蓋的集群調(diào)度網(wǎng)相比，它具有系統(tǒng)投資小，占用頻率資源少，操作和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)組成與功能
本分集接收、準(zhǔn)同步發(fā)射調(diào)度系統(tǒng)示意圖如圖1。

圖1  分集接收、準(zhǔn)同步發(fā)射調(diào)度系統(tǒng)
判選控制器是系統(tǒng)控制中心的核心設(shè)備。
    自行設(shè)計(jì)的常規(guī)無線調(diào)度專網(wǎng)的組成與功能如下：?jiǎn)涡诺?，最大可支?6個(gè)判選式分集接收基站、4個(gè)準(zhǔn)同步發(fā)射基站；控制中心與基地站采用有線鏈路連接；系統(tǒng)為異頻雙工方式，移動(dòng)臺(tái)為異頻半雙工方式；同頻發(fā)射采用銣振蕩源作為基準(zhǔn)頻率；系統(tǒng)的接收-轉(zhuǎn)發(fā)總延時(shí)≤100ms ；信噪比分析和鏈路靜態(tài)噪聲分析；控制中心有三個(gè)調(diào)度操作臺(tái)（一個(gè)主調(diào)度操作臺(tái)和兩個(gè)輔助調(diào)度操作臺(tái)），起監(jiān)聽和調(diào)度作用；調(diào)度員能通過友好的人機(jī)界面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控；系統(tǒng)具備自我診斷功能，包括接收語音鏈路的好壞，轉(zhuǎn)發(fā)鏈路的好壞，系統(tǒng)的增益的自動(dòng)控制等。這些功能都需要通過判選控制器來實(shí)現(xiàn)。
其中，信噪比分析采用射頻選擇（五個(gè)等級(jí)音調(diào)）和鏈路靜態(tài)噪聲分析相結(jié)合的方法。射頻選擇法即通過判斷各個(gè)接收的射頻信號(hào)的強(qiáng)弱來達(dá)到分析系統(tǒng)信噪比的目的。它將本應(yīng)在系統(tǒng)控制中心對(duì)各路語音信號(hào)進(jìn)行噪聲分析的大部分工作“前移”到接收基站。采用這種方法是基于這樣一個(gè)事實(shí)：接收機(jī)接收到的高頻信號(hào)越強(qiáng)，接收機(jī)的靜噪電平就越大，鑒頻輸出的語音信號(hào)的信噪比就越高。因此，在接收基站將靜噪電平作檢波、A/D轉(zhuǎn)換處理，再將它分成S個(gè)等級(jí)，分別一一對(duì)應(yīng)于S個(gè)特定等級(jí)音調(diào)（頻率位于有效語音頻譜外見表1），并疊加在接收語音上一起經(jīng)鏈路傳送回系統(tǒng)控制中心。而控制中心的判選器只需簡(jiǎn)單地比較M路語音的音調(diào)頻率大小即可選出最佳語音，確保最短的呼叫接入時(shí)間。
表1   某調(diào)度專網(wǎng) 高頻信號(hào)強(qiáng)度-靜噪電平-信噪比-等級(jí)音調(diào) 關(guān)系對(duì)應(yīng)表：
高頻信號(hào)強(qiáng)度(50Ω)
靜噪電平(600Ω)
信噪比S/N 
等級(jí)音調(diào)
<0.3uV
0-10 dbm 
<12db
2707hz
0.3-0.8uV
10-18 dbm
12-20db 
2792hz
0.8-1.5 uV
18-25 dbm
20-28db
2852hz
1.5-2.2 uV   
25-30 dbm
28-35db   
2913hz
>2.2 uV   
>30 dbm
>35db   
2972hz
注：系統(tǒng)語音頻率范圍 300-2500hz

系統(tǒng)分析與判選控制器設(shè)計(jì)
    該專用網(wǎng)的主要功能實(shí)際上是通過同頻分集接收基站接收移動(dòng)臺(tái)上傳的信息，然后通過同頻發(fā)射基站轉(zhuǎn)發(fā)到區(qū)域內(nèi)的移動(dòng)臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度臺(tái)與移動(dòng)組群的每個(gè)成員之間（縱向）、以及同一組群的不同成員之間（橫向）的語音通訊。在這個(gè)過程中，牽涉到多個(gè)同頻發(fā)射基站和多個(gè)同頻分集接收基站，對(duì)語音信號(hào)來說，就有選擇最佳信道的問題。為了使整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行，就必須有自我檢測(cè)功能。這些都必須要有一個(gè)控制器來完成。圖2是判選控制器的功能組成。

圖2  判選控制器的功能框圖
    從接口上分析，該系統(tǒng)需要16路語音通道、4路發(fā)射信號(hào)通道、和3個(gè)調(diào)度臺(tái)信號(hào)以及與PC機(jī)通信的信道。這里最少需要25個(gè)控制信號(hào)，再加上濾波器（分離語音信號(hào)和特定等級(jí)音調(diào)信號(hào)）、自測(cè)DTMF信號(hào)和A/D轉(zhuǎn)換等控制，初步確定要40個(gè)控制信號(hào)才有余量。因?yàn)橄到y(tǒng)的處理能力要求不高，用普通的單片機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。從目前市場(chǎng)上的單片機(jī)情況來看，比較常用的有51系列、PIC系列和MSP系列等。PIC和MSP系列單片機(jī)，雖然在高端的有較多IO口，但考慮到成本較高。在低端，它們的擴(kuò)展又不方便。在軟件的編程方面，PIC和MSP系列采用的指令相對(duì)簡(jiǎn)單，在編寫一些算法時(shí)相對(duì)困難。而51系列單片機(jī)通用性好，擴(kuò)展能力強(qiáng)，指令豐富，雖然其速度相對(duì)較慢，但對(duì)于本系統(tǒng)接收-轉(zhuǎn)發(fā)總延時(shí)≤100ms的指標(biāo)，如采用16MHz的晶振也足夠了（其指令周期約為0.8ms）。因此，在控制芯片的選擇上采用ATMEL的AT89C52。
    在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，有兩種方案可供選擇。一種是，利用51系列芯片的強(qiáng)擴(kuò)展能力，只用一片AT89C52來完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。另一種考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，可采用雙CPU結(jié)構(gòu)，通過對(duì)兩個(gè)CPU進(jìn)行功能的均勻分配，這樣會(huì)降低擴(kuò)展的復(fù)雜性，提高系統(tǒng)的反應(yīng)能力。一般情況下，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該盡量采用只有一個(gè)控制芯片的方案。但是考慮到擴(kuò)展的復(fù)雜性，處理的復(fù)雜性，這個(gè)系統(tǒng)采用雙CPU結(jié)構(gòu)是合適的。
    整個(gè)系統(tǒng)的控制采用總線結(jié)構(gòu)，即所有語音信號(hào)都掛在總線上?？刂葡到y(tǒng)對(duì)上行鏈路信號(hào)進(jìn)行分析判斷后，接通效果最好那一路，然后，打通對(duì)應(yīng)下行鏈路和監(jiān)聽鏈路。這樣，采用總線結(jié)構(gòu)使整個(gè)系統(tǒng)變得簡(jiǎn)潔可靠。CPU采用中斷方式接收接入信號(hào)，提高了系統(tǒng)的及時(shí)反應(yīng)能力。在中斷級(jí)別上，調(diào)度臺(tái)級(jí)別最高，其次是接入的語音信號(hào)。較高級(jí)別中斷能屏蔽較低級(jí)別中斷 ，且被更高級(jí)別中斷所中斷。設(shè)計(jì)中還有一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是濾波器的設(shè)計(jì)。濾波器可以采用有源或無源濾波器，考慮到該低通濾波器需要較窄的過渡帶(系統(tǒng)語音頻率范圍 300-2500Hz, 等級(jí)音調(diào)最低等級(jí)為2707Hz)，如果用無源濾波器，需很高的調(diào)試技巧。因此采用了有源的8階Elliptic型2.5KHz低通濾波器（用LTC1064實(shí)現(xiàn)）。
    控制器的實(shí)現(xiàn)分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件主要包括兩大部分：音頻信號(hào)和隨路控制信號(hào)處理功能模塊、MCU控制和監(jiān)測(cè)功能模塊。音頻接收插件模塊將接收到的音頻信號(hào)（頻率范圍：100Hz-2500Hz）和隨路接收控制信號(hào)（單音調(diào)正弦波，頻率范圍：2700Hz-3000Hz，它由基地接收站設(shè)備產(chǎn)生并疊加在音頻信號(hào)上，代表基站接收音頻信號(hào)信噪比S/N0的大?。┙?jīng)帶通放大后分離出來，將音頻信號(hào)放大至─10dBmw/600Ω后輸出；將隨路接收控制信號(hào)進(jìn)行頻率-數(shù)據(jù)（F-D）轉(zhuǎn)換，輸出一個(gè)并行4bit DATA 數(shù)據(jù)（掛在輔助MCU數(shù)據(jù)總線上）。音頻發(fā)射插件模塊根據(jù)主MCU的指令將調(diào)度MIC音頻信號(hào)、待轉(zhuǎn)發(fā)的（最佳）接收語音信號(hào)、自測(cè)DTMF信號(hào)等三路音頻信號(hào)進(jìn)行三選一選通，再將它疊加上隨路發(fā)射控制信號(hào)（2972Hz單音調(diào)正弦波），并放大、分配成三路輸出（0dBmw/600Ω）。主MCU控制模塊包含89C52單片機(jī)(主)， I/O口地址譯碼器電路，接收/發(fā)射語音通道選通、鎖存電路，，硬件看門狗電路（系統(tǒng)死機(jī)時(shí)硬件自動(dòng)復(fù)位），DTMF 信號(hào)檢測(cè)/產(chǎn)生功能模塊，隨路發(fā)射信號(hào)（2972HZ）產(chǎn)生電路，外部中斷源擴(kuò)展電路，MCU與PC機(jī)的通信采用RS-232串口通訊電路，速率為9600bit/s，雙工通訊方式。語音判選控制模塊包含89C52單片機(jī)（輔助），外接電路，I/O口地址譯碼器電路，8位并行數(shù)據(jù)口驅(qū)動(dòng)電路，16路接收語音通道選通、鎖存電路，語音通道靜態(tài)噪聲分析電路，硬件看門狗電路（系統(tǒng)死機(jī)時(shí)硬件自動(dòng)復(fù)位）。系統(tǒng)語音/控制信號(hào)接口模塊將三個(gè)調(diào)度操作臺(tái)（一個(gè)主調(diào)度操作臺(tái)和兩個(gè)輔助調(diào)度操作臺(tái)）送來的三路MIC語音按優(yōu)先級(jí)選通后與接收語音疊加，送出到錄音輸出（兩個(gè)）接口；將接收語音送給三個(gè)調(diào)度操作臺(tái)監(jiān)聽；將較優(yōu)先調(diào)度語音與接收語音分別送給音頻發(fā)射模塊；將調(diào)度操作臺(tái)送來的控制信號(hào)（發(fā)射控制信號(hào)PTT和接收語音轉(zhuǎn)發(fā)控制信號(hào)T/T）送給主MCU。圖3、圖4是控制器的主、輔MCU硬件框圖。

系統(tǒng)的軟件包括：控制主程序（主MCU）和判選程序（輔助MCU）。從硬件設(shè)計(jì)就可以得到軟件的流程。

結(jié)語
廣州某單位的專用網(wǎng)系統(tǒng)是在八十年代初建立的，該系統(tǒng)是進(jìn)口設(shè)備，現(xiàn)已比較陳舊，功能也達(dá)不到要求。為了提高系統(tǒng)的安全性和方便系統(tǒng)的維護(hù)，我們開發(fā)了這套系統(tǒng)。此系統(tǒng)較舊系統(tǒng)做了很大的改進(jìn)，主要對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射基站和接收基站做了擴(kuò)展，舊系統(tǒng)只有1個(gè)發(fā)射基站和8個(gè)接收基站，現(xiàn)系統(tǒng)最大可支持16個(gè)判選式分集接收基站、4個(gè)準(zhǔn)同步發(fā)射基站；系統(tǒng)自動(dòng)增益控制；信道判決時(shí)采用信噪比分析和鏈路靜態(tài)噪聲分析相結(jié)合的方法，比僅采用信噪比分析判決更佳；系統(tǒng)自我診斷功能；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊化改進(jìn)。該系統(tǒng)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)了專用網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化，提高了系統(tǒng)的安全性和可維護(hù)性，有很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
圖3 主MCU控制模塊
圖4 輔助MCU控制模塊

參考文獻(xiàn)：
1.  麻鍵，集群移動(dòng)通信實(shí)用技術(shù) ，人民郵電出版社，1996