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GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中高速數(shù)據(jù)傳終端的設(shè)計(jì)
摘要：介紹一款應(yīng)用于GPS車輛監(jiān)控調(diào)度的高速GPS數(shù)傳終端的設(shè)計(jì)開發(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)傳終端的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛超過1200輛/分鐘。GPS車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，需要將車輛的定位數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)回傳到監(jiān)控調(diào)度中心。常用的無線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)可以分為兩大類：公網(wǎng)和專網(wǎng)。公網(wǎng)指的是GPRS、CDPD、GSM等以用無線數(shù)據(jù)網(wǎng)，專網(wǎng)則是指為調(diào)度系統(tǒng)專門建立的無線通信網(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。因此專網(wǎng)的GPS車輛監(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差分定位與無線通信。本文介紹用于專網(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)通常由基站通過單獨(dú)的信道來提供，這就需要單獨(dú)的控制信道，對(duì)設(shè)備要求高。在車輛監(jiān)調(diào)度系統(tǒng)中，不能采用這種方法�？紤]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。
（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，收聽者只感覺到輕微的喀、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)專用于話音通信，一個(gè)專用于數(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
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