一種GSM固定無(wú)線(xiàn)接入設備的設計

GSM固定無(wú)線(xiàn)接入(GFRA，GSM Fixcd Radio Access)技術(shù)又稱(chēng)GSM無(wú)線(xiàn)用戶(hù)環(huán)路(WLL)，是采用GSM數字蜂窩技術(shù)替代傳統用戶(hù)線(xiàn)來(lái)為用戶(hù)提供電信業(yè)務(wù)的技術(shù)。GFRA覆蓋范圍的直徑以幾十米、幾百米、幾千米、幾十千米不等，因而應用范圍較廣，即可為人口密集的城區服務(wù)，也可為農村和邊遠山區服務(wù)。
    
與傳統PSTN接入網(wǎng)相比，GFRA具有以下優(yōu)點(diǎn)。

◇經(jīng)濟。運營(yíng)維護費大大低于有線(xiàn)系統，且成本與距離無(wú)關(guān)，這在農村及邊遠地區尤顯其優(yōu)勢。
◇能迅速提供業(yè)務(wù)。據統計，GFRA在一個(gè)月即可投入使用，而有線(xiàn)接入網(wǎng)則需要6~18個(gè)月的時(shí)間，除此之外，有線(xiàn)接入網(wǎng)還存在占地、城區人口稠密地區接線(xiàn)困難和易受到自然災害破壞等缺陷。
◇容量大。采用小區覆蓋，頻率再用等技術(shù)，可擴大用戶(hù)容量。
◇靈活可變。無(wú)需預測話(huà)務(wù)量，可隨時(shí)按需進(jìn)行變更，擴容方便。
◇安全可靠。防盜線(xiàn)，保密性好。

1 GFRA設備的組成和工作原理

1.1GFRA設備的組成

GFRA設備由天線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、主控電路、電話(huà)控制模塊和充電電池電路組成，如圖1所示。其中，無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊完成接入GSM網(wǎng)絡(luò )的工作，相當于一部手機；電話(huà)控制模塊主要包括了用戶(hù)線(xiàn)接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產(chǎn)生電路，完成電話(huà)機的接入工作；而主控電路實(shí)現了有線(xiàn)電話(huà)信號和GSM電話(huà)信號相互轉換的接續、控制；充電電池電路為選配部件，是常停電地區采用的配件，市電不易到達的地方可配太陽(yáng)能充電電池。
    
GFRA設備一端通過(guò)天線(xiàn)接入GSM網(wǎng)絡(luò )，另一端通過(guò)電話(huà)線(xiàn)連接普通的電話(huà)終端，如普通電話(huà)機、IC卡電話(huà)機、投幣電話(huà)機等。GFRA設備相當于在普通電話(huà)機和GSM網(wǎng)絡(luò )之間搭起了一座橋梁。

 

1.2 GFRA設備的工作過(guò)程

(1)經(jīng)GFRA設備的去話(huà)過(guò)程

①主叫用戶(hù)摘機后，主控電路通過(guò)SuC電路檢測到電話(huà)機摘機。
②主控電路控制信號音電路送出撥號音，同時(shí)開(kāi)始檢測主叫用戶(hù)的DTMF撥號。
③收到主叫用戶(hù)的DTMF后，主控電路停送撥號音。
④收完號碼后，主控電路控制無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊以的號碼向外呼叫，如果被叫空閑，主叫用戶(hù)將聽(tīng)到回鈴音。
⑤被叫摘機，雙方開(kāi)始通話(huà)。主控電路同時(shí)SLIC電路向電話(huà)線(xiàn)送出反極信號，該信號可啟動(dòng)IC卡電話(huà)機、投幣電話(huà)機等的計費工作。
⑥如果主控電路檢測到主叫用戶(hù)先掛機，則向無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令，通話(huà)結束。
⑦如果主控電路檢測到被叫用戶(hù)先掛機，則向主叫用戶(hù)發(fā)送忙音，并通過(guò)SLIC監測主叫掛機，通話(huà)結束。

(2)經(jīng)GFRA設備的來(lái)話(huà)過(guò)程

①主控電路收到來(lái)自無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的振鈴信號RING后，通過(guò)信號音產(chǎn)生電路和SuC向本端電話(huà)機振鈴。
②主控電路在產(chǎn)生第一聲振鈴音和第二聲振鈴音之間，送出來(lái)電顯示信號。
③本端電話(huà)機用戶(hù)摘機，雙方開(kāi)始通話(huà)。
④雙方通話(huà)結束的處理同上面的去話(huà)過(guò)程。

2 硬件設計

GFRA設備的硬件結構框圖如圖2所示，包括電話(huà)機用戶(hù)線(xiàn)接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產(chǎn)生電路、MCU和外圍功能電路、GSM模塊電路四大部分。

 

GFRA設備硬件電路以P89C5lRD+為MCU，通過(guò)SPI接口連接外圍功能電路(串行存儲器X5045、DTMF接收和信號音發(fā)生電路CMX605)，通過(guò)CMX605連接SLIC電路STLC3055，MCU通過(guò)UART訪(fǎng)問(wèn)GSM模塊。

2．1 SLIC電路STLC3055

用戶(hù)線(xiàn)接口電路SuC是電話(huà)通信中的關(guān)鍵器件。本設計采用意法半導體公司(ST)近年來(lái)推出的全新SLIC芯片STLC3055。這種SLIC不僅能支持多種振鈴信號，而且電路中省去了諸如振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等許多傳統器件，從而可大大節省PCB布線(xiàn)空間，降低設計成本，并且控制使用也更加方便．STLC3055可以使用單獨的+12V供電，設計和使用都比較方便，其應用電路如圖3所示。

 

2．2 MCU和外圍功能電路

MCU及其外圍功能電路如圖4所示。

 

(1)MCU P89051RD

MCU采用Philips的P89C5lRD+，它兼容80C51單片機，內含有64KBFlashROM，1KBRAM，32個(gè)I／O。對于本設計，這些資源就足夠，不用擴展外部RAM和I／0。

(2)串行存儲器X5045

X5045用于存放GFRA設備的非易失工作參數。同時(shí)，該芯片將看門(mén)狗定器、上電復位控制、壓降管理以及具有塊保護功能的串行EEPROM這四種功能集成到一體，有助于簡(jiǎn)化應用系統的設計，減少PCB的占用面積，提高系統可靠性。

(3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘DSl302

DSl302是一個(gè)可編程3線(xiàn)SPI串行接口的時(shí)鐘芯片，用來(lái)備份系統時(shí)間和數據。

2.3 DTMF檢測和信號音發(fā)生電路CMX605

本設計主要使用CMX605的呼叫進(jìn)程音(450 Hz信號音和CID FSK)編碼和發(fā)送。以及DTMF的檢測功能。在MCU的控制下，經(jīng)過(guò)CMX605的第9腳，450 Hz呼叫進(jìn)程音被送到STLC3055的第14腳，最后送到AB線(xiàn)上。另外，AB線(xiàn)上DTMF經(jīng)過(guò)STLC3055的第20腳，在CMX605的第12腳被接收、檢測。最后將檢測到的DTMF編碼通過(guò)SPI總線(xiàn)發(fā)送給MCU。

2.4 GSM模塊

GSM模塊采用法國Wavecom公司的產(chǎn)品，其型號為WISMO Q2403A。它是一個(gè)功能完整的手機模塊，MCU通過(guò)UART對它進(jìn)行控制和數據傳輸，數據傳輸包括短信、CSD、GPRS、GROUP3 CLASS 1和CLASS 2語(yǔ)音等。它的特點(diǎn)是：電路交換數據(CSD)、支持語(yǔ)音和GPRS。MCU對模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標準GSM07.07和GSM07.05。

3 軟件設計

本設計程序采用C51語(yǔ)言編寫(xiě)而成。GFRA設備的程序分為三部分：初始化及自檢模塊、參數設置模塊、去話(huà)和來(lái)話(huà)模塊。

3.1 初始化及自檢模塊

上電后，程序完成對MCU寄存器和變量的初始化，以及對外圍功能芯片DSl302、X5045、CMX605的初始化。自檢的內容包括：讀取DSl302時(shí)間值，進(jìn)行合法性檢查和時(shí)鐘正常運行檢查；對X5045指定單元寫(xiě)入數值，再讀出比較，檢查該芯片的好壞；對CMX605寄存器進(jìn)行初始化。如果自檢不通過(guò)，則點(diǎn)亮LED閃爍告警。

MCU通過(guò)輸入AT指令對Q2403A模塊進(jìn)行初始化，以便進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)。主要的指令有：

◆設置語(yǔ)音參數。

AT+SPEAKER=1；+VGT=64；+VCR=196〈CR〉

◆設置來(lái)電號碼廣東省自動(dòng)顯示。

AT+CLIP=l

3.2 參數設置及保存模塊

GFRA設備可以通過(guò)外接的電話(huà)機設置工作參數。MCU通過(guò)CMX605指令讀取DTMF，特殊的D了MF序列用于設置參數，并把其中的工作參數保存到X5045。工作參數有：音量等級、音量增減、撥號前綴、呼叫轉移的輔助業(yè)務(wù)設置等。

3.3 軟件主流程

主流程如圖5所示。MCU把外圍功能芯片與GSM收發(fā)信機初始化后，處于空閑狀態(tài)，循環(huán)檢測SLIC和GSM收發(fā)信機，有電話(huà)機摘機或GSM來(lái)電時(shí)便進(jìn)入語(yǔ)音服務(wù)流程。

 

(1)去話(huà)模塊

MCU通過(guò)SLIC檢測到電話(huà)機的摘機信號，收到電話(huà)機撥號(如1860)后，MCU通過(guò)UART令GSM收發(fā)信機在語(yǔ)音模式下?lián)芡瑯拥奶柎a1860，撥號的AT命令是ATDT1860；對方摘機后，MCU將收到OK，然后立即通過(guò)SLIC向電話(huà)線(xiàn)送反極信號，提供計費啟動(dòng)信號，雙方開(kāi)始通話(huà)。
    
如果檢測到主叫用戶(hù)先掛機，MCU則向無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令ATH，通話(huà)結束。如果主控電路檢測到被叫用戶(hù)先掛機，則向主叫用戶(hù)發(fā)送450Hz忙音，并通過(guò)SLIC監測主叫掛機后，通話(huà)結束。

(2)來(lái)話(huà)模塊

在空閑狀態(tài)下，MCU收到GSM來(lái)電(RING)后，通過(guò)SLIC向外接電話(huà)機振鈴．同時(shí)提取主叫來(lái)電顯示號碼，并且在第一次和第二次振鈴之間送出滿(mǎn)足電話(huà)主叫識別信息傳送及顯示功能技術(shù)要求的來(lái)電顯示信號，具有來(lái)電號碼顯示的電話(huà)機將在LCD顯示主叫號碼．本端被叫用戶(hù)化摘機應答后，MCU若檢測到電話(huà)摘機，則向GSM發(fā)應答AT命令ATA，通過(guò)SLIC監測通話(huà)進(jìn)程至掛機。

4 GFRA設備提供的功能

本設計中的GFRA設備提供以下功能：

◆提供一個(gè)RJll接口，通過(guò)該有線(xiàn)接口連接所有符合電話(huà)線(xiàn)標準的電話(huà)終端產(chǎn)品；
◆去話(huà)、來(lái)電語(yǔ)音呼叫接入；
◆標準電話(huà)振鈴信號輸出，FSK制式來(lái)電顯示信號輸出；
◆提供反極信號，可以串接計費器；
◆E-GSM900／DCSl800自動(dòng)切換；
◆具有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信號強弱顯示；
◆GFRA可以匹配全向吸盤(pán)天線(xiàn)和定向天線(xiàn)，提高信號增益，而且體積小、重量輕安裝靈活方便；
◆提供交、直流兩用電源，可裝在移動(dòng)載體上；
◆停電通話(huà)功能，可使用后備充電電池供電，市電斷電后仍可通話(huà)。

結 語(yǔ)

數字蜂窩無(wú)線(xiàn)電話(huà)網(wǎng)GSM是目前世界上覆蓋最廣、使用最多的一種移動(dòng)通信網(wǎng)。數字終端設備具備了功能多樣化、保密性好、漫游方便、音質(zhì)清晰、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)先進(jìn)性、網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍等方面已經(jīng)得到用戶(hù)的普遍認可。
  
GSM運營(yíng)商可以利用已有的GSM網(wǎng)，無(wú)需增設基站等設備，只需增加固定終端，便可完成固定電話(huà)無(wú)線(xiàn)接入。GFRA設備能在GSM蜂窩網(wǎng)覆蓋的范圍內，快速經(jīng)濟地提供固定無(wú)線(xiàn)電話(huà)通信業(yè)務(wù)。例如，在市內構建無(wú)線(xiàn)公用電話(huà)系統，設立固定電話(huà)亭，開(kāi)展有人值守公用電話(huà)業(yè)務(wù)、在公共交通工具上開(kāi)設移動(dòng)公話(huà)業(yè)務(wù)，可為移動(dòng)運營(yíng)商發(fā)掘新的業(yè)務(wù)增長(cháng)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò )利用率，增加效益。

GSM固定無(wú)線(xiàn)接人設備還可在高速公路、防汛指揮、山區防火等場(chǎng)合作為應急通信手段。在偏遠地區，海島等架設通信線(xiàn)路困難或不經(jīng)濟的地方，使用GSM固定電話(huà)與外界聯(lián)系是一種迅速、廉價(jià)的解決方法。