一種無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)網(wǎng)的判選控制器設計

2005年2月A版

摘要：本文介紹了一種無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)網(wǎng)系統，并根據該系統的性能指標設計了該專(zhuān)網(wǎng)的判選控制器，給出了判選控制器的硬件結構。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)網(wǎng)；判選控制器；基站；分集接收；準同步發(fā)射

本文2004年12月20日收到。鄧洪波：工程師，從事數字通信系統設計；姜福廣：高級工程師。

前言
    無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)網(wǎng)廣泛應用于公安、鐵路、出租車(chē)隊等調度部門(mén)。它是一個(gè)以組群呼叫、接收轉發(fā)為主的移動(dòng)通訊系統。該系統一般為異頻雙工方式工作，可實(shí)現調度臺與移動(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(yǔ)音通訊。它的特點(diǎn)是系統信道數少，組群用戶(hù)數少，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、準同步發(fā)射式無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)網(wǎng)是解決廣域覆蓋問(wèn)題的最佳方案。所謂分集接收、準同步發(fā)射即是采用若干同頻發(fā)射基站對系統下行發(fā)射信號作同頻、同相發(fā)射，全方位覆蓋下行通訊區域。同時(shí)，為了解決移動(dòng)手持臺上行信號相對較弱的問(wèn)題，可在上行通訊不佳的區域內再增加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)的上行通訊區域。系統控制中心的判選控制設備將對這M個(gè)接收信號做信噪比分析，瞬時(shí)、動(dòng)態(tài)地將最佳接收信號切換給系統調度。該方法稱(chēng)之為“判選式分集接收”。與小區覆蓋的集群調度網(wǎng)相比，它具有系統投資小，占用頻率資源少，操作和維護方便等優(yōu)點(diǎn)。

系統組成與功能
本分集接收、準同步發(fā)射調度系統示意圖如圖1。

圖1  分集接收、準同步發(fā)射調度系統
判選控制器是系統控制中心的核心設備。
    自行設計的常規無(wú)線(xiàn)調度專(zhuān)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)準同步發(fā)射基站；控制中心與基地站采用有線(xiàn)鏈路連接；系統為異頻雙工方式，移動(dòng)臺為異頻半雙工方式；同頻發(fā)射采用銣振蕩源作為基準頻率；系統的接收-轉發(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)調度操作臺（一個(gè)主調度操作臺和兩個(gè)輔助調度操作臺），起監聽(tīng)和調度作用；調度員能通過(guò)友好的人機界面對整個(gè)系統進(jìn)行監控；系統具備自我診斷功能，包括接收語(yǔ)音鏈路的好壞，轉發(fā)鏈路的好壞，系統的增益的自動(dòng)控制等。這些功能都需要通過(guò)判選控制器來(lái)實(shí)現。
其中，信噪比分析采用射頻選擇（五個(gè)等級音調）和鏈路靜態(tài)噪聲分析相結合的方法。射頻選擇法即通過(guò)判斷各個(gè)接收的射頻信號的強弱來(lái)達到分析系統信噪比的目的。它將本應在系統控制中心對各路語(yǔ)音信號進(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)：接收機接收到的高頻信號越強，接收機的靜噪電平就越大，鑒頻輸出的語(yǔ)音信號的信噪比就越高。因此，在接收基站將靜噪電平作檢波、A/D轉換處理，再將它分成S個(gè)等級，分別一一對應于S個(gè)特定等級音調（頻率位于有效語(yǔ)音頻譜外見(jiàn)表1），并疊加在接收語(yǔ)音上一起經(jīng)鏈路傳送回系統控制中心。而控制中心的判選器只需簡(jiǎn)單地比較M路語(yǔ)音的音調頻率大小即可選出最佳語(yǔ)音，確保最短的呼叫接入時(shí)間。
表1   某調度專(zhuān)網(wǎng) 高頻信號強度-靜噪電平-信噪比-等級音調 關(guān)系對應表：
高頻信號強度(50Ω)
靜噪電平(600Ω)
信噪比S/N 
等級音調
<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：系統語(yǔ)音頻率范圍 300-2500hz

系統分析與判選控制器設計
    該專(zhuān)用網(wǎng)的主要功能實(shí)際上是通過(guò)同頻分集接收基站接收移動(dòng)臺上傳的信息，然后通過(guò)同頻發(fā)射基站轉發(fā)到區域內的移動(dòng)臺，從而實(shí)現調度臺與移動(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(yǔ)音通訊。在這個(gè)過(guò)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，對語(yǔ)音信號來(lái)說(shuō)，就有選擇最佳信道的問(wèn)題。為了使整個(gè)系統可靠運行，就必須有自我檢測功能。這些都必須要有一個(gè)控制器來(lái)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，該系統需要16路語(yǔ)音通道、4路發(fā)射信號通道、和3個(gè)調度臺信號以及與PC機通信的信道。這里最少需要25個(gè)控制信號，再加上濾波器（分離語(yǔ)音信號和特定等級音調信號）、自測DTMF信號和A/D轉換等控制，初步確定要40個(gè)控制信號才有余量。因為系統的處理能力要求不高，用普通的單片機就可以實(shí)現。從目前市場(chǎng)上的單片機情況來(lái)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，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簡(jiǎn)單，在編寫(xiě)一些算法時(shí)相對困難。而51系列單片機通用性好，擴展能力強，指令豐富，雖然其速度相對較慢，但對于本系統接收-轉發(fā)總延時(shí)≤100ms的指標，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)現時(shí)，有兩種方案可供選擇。一種是，利用51系列芯片的強擴展能力，只用一片AT89C52來(lái)完成整個(gè)系統的控制。另一種考慮到系統的復雜性，可采用雙CPU結構，通過(guò)對兩個(gè)CPU進(jìn)行功能的均勻分配，這樣會(huì )降低擴展的復雜性，提高系統的反應能力。一般情況下，監控系統應該盡量采用只有一個(gè)控制芯片的方案。但是考慮到擴展的復雜性，處理的復雜性，這個(gè)系統采用雙CPU結構是合適的。
    整個(gè)系統的控制采用總線(xiàn)結構，即所有語(yǔ)音信號都掛在總線(xiàn)上?？刂葡到y對上行鏈路信號進(jìn)行分析判斷后，接通效果最好那一路，然后，打通對應下行鏈路和監聽(tīng)鏈路。這樣，采用總線(xiàn)結構使整個(gè)系統變得簡(jiǎn)潔可靠。CPU采用中斷方式接收接入信號，提高了系統的及時(shí)反應能力。在中斷級別上，調度臺級別最高，其次是接入的語(yǔ)音信號。較高級別中斷能屏蔽較低級別中斷 ，且被更高級別中斷所中斷。設計中還有一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，就是濾波器的設計。濾波器可以采用有源或無(wú)源濾波器，考慮到該低通濾波器需要較窄的過(guò)渡帶(系統語(yǔ)音頻率范圍 300-2500Hz, 等級音調最低等級為2707Hz)，如果用無(wú)源濾波器，需很高的調試技巧。因此采用了有源的8階Elliptic型2.5KHz低通濾波器（用LTC1064實(shí)現）。
    控制器的實(shí)現分為硬件和軟件兩個(gè)部分。硬件主要包括兩大部分：音頻信號和隨路控制信號處理功能模塊、MCU控制和監測功能模塊。音頻接收插件模塊將接收到的音頻信號（頻率范圍：100Hz-2500Hz）和隨路接收控制信號（單音調正弦波，頻率范圍：2700Hz-3000Hz，它由基地接收站設備產(chǎn)生并疊加在音頻信號上，代表基站接收音頻信號信噪比S/N0的大?。┙?jīng)帶通放大后分離出來(lái)，將音頻信號放大至─10dBmw/600Ω后輸出；將隨路接收控制信號進(jìn)行頻率-數據（F-D）轉換，輸出一個(gè)并行4bit DATA 數據（掛在輔助MCU數據總線(xiàn)上）。音頻發(fā)射插件模塊根據主MCU的指令將調度MIC音頻信號、待轉發(fā)的（最佳）接收語(yǔ)音信號、自測DTMF信號等三路音頻信號進(jìn)行三選一選通，再將它疊加上隨路發(fā)射控制信號（2972Hz單音調正弦波），并放大、分配成三路輸出（0dBmw/600Ω）。主MCU控制模塊包含89C52單片機(主)， I/O口地址譯碼器電路，接收/發(fā)射語(yǔ)音通道選通、鎖存電路，，硬件看門(mén)狗電路（系統死機時(shí)硬件自動(dòng)復位），DTMF 信號檢測/產(chǎn)生功能模塊，隨路發(fā)射信號（2972HZ）產(chǎn)生電路，外部中斷源擴展電路，MCU與PC機的通信采用RS-232串口通訊電路，速率為9600bit/s，雙工通訊方式。語(yǔ)音判選控制模塊包含89C52單片機（輔助），外接電路，I/O口地址譯碼器電路，8位并行數據口驅動(dòng)電路，16路接收語(yǔ)音通道選通、鎖存電路，語(yǔ)音通道靜態(tài)噪聲分析電路，硬件看門(mén)狗電路（系統死機時(shí)硬件自動(dòng)復位）。系統語(yǔ)音/控制信號接口模塊將三個(gè)調度操作臺（一個(gè)主調度操作臺和兩個(gè)輔助調度操作臺）送來(lái)的三路MIC語(yǔ)音按優(yōu)先級選通后與接收語(yǔ)音疊加，送出到錄音輸出（兩個(gè)）接口；將接收語(yǔ)音送給三個(gè)調度操作臺監聽(tīng)；將較優(yōu)先調度語(yǔ)音與接收語(yǔ)音分別送給音頻發(fā)射模塊；將調度操作臺送來(lái)的控制信號（發(fā)射控制信號PTT和接收語(yǔ)音轉發(fā)控制信號T/T）送給主MCU。圖3、圖4是控制器的主、輔MCU硬件框圖。

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

結語(yǔ)
廣州某單位的專(zhuān)用網(wǎng)系統是在八十年代初建立的，該系統是進(jìn)口設備，現已比較陳舊，功能也達不到要求。為了提高系統的安全性和方便系統的維護，我們開(kāi)發(fā)了這套系統。此系統較舊系統做了很大的改進(jìn)，主要對系統的發(fā)射基站和接收基站做了擴展，舊系統只有1個(gè)發(fā)射基站和8個(gè)接收基站，現系統最大可支持16個(gè)判選式分集接收基站、4個(gè)準同步發(fā)射基站；系統自動(dòng)增益控制；信道判決時(shí)采用信噪比分析和鏈路靜態(tài)噪聲分析相結合的方法，比僅采用信噪比分析判決更佳；系統自我診斷功能；系統結構模塊化改進(jìn)。該系統的開(kāi)發(fā)實(shí)現了專(zhuān)用網(wǎng)監控系統的國產(chǎn)化，提高了系統的安全性和可維護性，有很好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。
圖3 主MCU控制模塊
圖4 輔助MCU控制模塊

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