一种无线调度专网的判选控制器设计

摘要：本文介绍了一种无线调度专网系统，并根据该系统的性能指标设计了该专网的判选控制器，给出了判选控制器的硬件结构。

前言
    无线调度专网广泛应用于公安、铁路、出租车队等调度部门。它是一个以组群呼叫、接收转发为主的移动通讯系统。该系统一般为异频双工方式工作，可实现调度台与移动组群的每个成员之间（纵向）、以及同一组群的不同成员之间（横向）的语音通讯。它的特点是系统信道数少，组群用户数少，要求建网投资要小，网络覆盖率要高。在频率资源有限的情况下，分集接收、准同步发射式无线调度专网是解决广域覆盖问题的最佳方案。所谓分集接收、准同步发射即是采用若干同频发射基站对系统下行发射信号作同频、同相发射，全方位覆盖下行通讯区域。同时，为了解决移动手持台上行信号相对较弱的问题，可在上行通讯不佳的区域内再增加M-1个同频分集接收基站，各个接收基站交叉覆盖通讯网的上行通讯区域。系统控制中心的判选控制设备将对这M个接收信号做信噪比分析，瞬时、动态地将最佳接收信号切换给系统调度。该方法称之为“判选式分集接收”。与小区覆盖的集群调度网相比，它具有系统投资小，占用频率资源少，操作和维护方便等优点。

系统组成与功能
本分集接收、准同步发射调度系统示意图如图1。

图1  分集接收、准同步发射调度系统
判选控制器是系统控制中心的核心设备。
    自行设计的常规无线调度专网的组成与功能如下：单信道，最大可支持16个判选式分集接收基站、4个准同步发射基站；控制中心与基地站采用有线链路连接；系统为异频双工方式，移动台为异频半双工方式；同频发射采用铷振荡源作为基准频率；系统的接收-转发总延时≤100ms ；信噪比分析和链路静态噪声分析；控制中心有三个调度操作台（一个主调度操作台和两个辅助调度操作台），起监听和调度作用；调度员能通过友好的人机界面对整个系统进行监控；系统具备自我诊断功能，包括接收语音链路的好坏，转发链路的好坏，系统的增益的自动控制等。这些功能都需要通过判选控制器来实现。
其中，信噪比分析采用射频选择（五个等级音调）和链路静态噪声分析相结合的方法。射频选择法即通过判断各个接收的射频信号的强弱来达到分析系统信噪比的目的。它将本应在系统控制中心对各路语音信号进行噪声分析的大部分工作“前移”到接收基站。采用这种方法是基于这样一个事实：接收机接收到的高频信号越强，接收机的静噪电平就越大，鉴频输出的语音信号的信噪比就越高。因此，在接收基站将静噪电平作检波、A/D转换处理，再将它分成S个等级，分别一一对应于S个特定等级音调（频率位于有效语音频谱外见表1），并叠加在接收语音上一起经链路传送回系统控制中心。而控制中心的判选器只需简单地比较M路语音的音调频率大小即可选出最佳语音，确保最短的呼叫接入时间。
表1   某调度专网 高频信号强度-静噪电平-信噪比-等级音调 关系对应表：
高频信号强度(50Ω)
静噪电平(600Ω)
信噪比S/N 
等级音调
<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：系统语音频率范围 300-2500hz

系统分析与判选控制器设计
    该专用网的主要功能实际上是通过同频分集接收基站接收移动台上传的信息，然后通过同频发射基站转发到区域内的移动台，从而实现调度台与移动组群的每个成员之间（纵向）、以及同一组群的不同成员之间（横向）的语音通讯。在这个过程中，牵涉到多个同频发射基站和多个同频分集接收基站，对语音信号来说，就有选择最佳信道的问题。为了使整个系统可靠运行，就必须有自我检测功能。这些都必须要有一个控制器来完成。图2是判选控制器的功能组成。

图2  判选控制器的功能框图
    从接口上分析，该系统需要16路语音通道、4路发射信号通道、和3个调度台信号以及与PC机通信的信道。这里最少需要25个控制信号，再加上滤波器（分离语音信号和特定等级音调信号）、自测DTMF信号和A/D转换等控制，初步确定要40个控制信号才有余量。因为系统的处理能力要求不高，用普通的单片机就可以实现。从目前市场上的单片机情况来看，比较常用的有51系列、PIC系列和MSP系列等。PIC和MSP系列单片机，虽然在高端的有较多IO口，但考虑到成本较高。在低端，它们的扩展又不方便。在软件的编程方面，PIC和MSP系列采用的指令相对简单，在编写一些算法时相对困难。而51系列单片机通用性好，扩展能力强，指令丰富，虽然其速度相对较慢，但对于本系统接收-转发总延时≤100ms的指标，如采用16MHz的晶振也足够了（其指令周期约为0.8ms）。因此，在控制芯片的选择上采用ATMEL的AT89C52。
    在具体实现时，有两种方案可供选择。一种是，利用51系列芯片的强扩展能力，只用一片AT89C52来完成整个系统的控制。另一种考虑到系统的复杂性，可采用双CPU结构，通过对两个CPU进行功能的均匀分配，这样会降低扩展的复杂性，提高系统的反应能力。一般情况下，监控系统应该尽量采用只有一个控制芯片的方案。但是考虑到扩展的复杂性，处理的复杂性，这个系统采用双CPU结构是合适的。
    整个系统的控制采用总线结构，即所有语音信号都挂在总线上。控制系统对上行链路信号进行分析判断后，接通效果最好那一路，然后，打通对应下行链路和监听链路。这样，采用总线结构使整个系统变得简洁可靠。CPU采用中断方式接收接入信号，提高了系统的及时反应能力。在中断级别上，调度台级别最高，其次是接入的语音信号。较高级别中断能屏蔽较低级别中断 ，且被更高级别中断所中断。设计中还有一个关键技术，就是滤波器的设计。滤波器可以采用有源或无源滤波器，考虑到该低通滤波器需要较窄的过渡带(系统语音频率范围 300-2500Hz, 等级音调最低等级为2707Hz)，如果用无源滤波器，需很高的调试技巧。因此采用了有源的8阶Elliptic型2.5KHz低通滤波器（用LTC1064实现）。
    控制器的实现分为硬件和软件两个部分。硬件主要包括两大部分：音频信号和随路控制信号处理功能模块、MCU控制和监测功能模块。音频接收插件模块将接收到的音频信号（频率范围：100Hz-2500Hz）和随路接收控制信号（单音调正弦波，频率范围：2700Hz-3000Hz，它由基地接收站设备产生并叠加在音频信号上，代表基站接收音频信号信噪比S/N0的大小）经带通放大后分离出来，将音频信号放大至─10dBmw/600Ω后输出；将随路接收控制信号进行频率-数据（F-D）转换，输出一个并行4bit DATA 数据（挂在辅助MCU数据总线上）。音频发射插件模块根据主MCU的指令将调度MIC音频信号、待转发的（最佳）接收语音信号、自测DTMF信号等三路音频信号进行三选一选通，再将它叠加上随路发射控制信号（2972Hz单音调正弦波），并放大、分配成三路输出（0dBmw/600Ω）。主MCU控制模块包含89C52单片机(主)， I/O口地址译码器电路，接收/发射语音通道选通、锁存电路，，硬件看门狗电路（系统死机时硬件自动复位），DTMF 信号检测/产生功能模块，随路发射信号（2972HZ）产生电路，外部中断源扩展电路，MCU与PC机的通信采用RS-232串口通讯电路，速率为9600bit/s，双工通讯方式。语音判选控制模块包含89C52单片机（辅助），外接电路，I/O口地址译码器电路，8位并行数据口驱动电路，16路接收语音通道选通、锁存电路，语音通道静态噪声分析电路，硬件看门狗电路（系统死机时硬件自动复位）。系统语音/控制信号接口模块将三个调度操作台（一个主调度操作台和两个辅助调度操作台）送来的三路MIC语音按优先级选通后与接收语音叠加，送出到录音输出（两个）接口；将接收语音送给三个调度操作台监听；将较优先调度语音与接收语音分别送给音频发射模块；将调度操作台送来的控制信号（发射控制信号PTT和接收语音转发控制信号T/T）送给主MCU。图3、图4是控制器的主、辅MCU硬件框图。

系统的软件包括：控制主程序（主MCU）和判选程序（辅助MCU）。从硬件设计就可以得到软件的流程。

结语
广州某单位的专用网系统是在八十年代初建立的，该系统是进口设备，现已比较陈旧，功能也达不到要求。为了提高系统的安全性和方便系统的维护，我们开发了这套系统。此系统较旧系统做了很大的改进，主要对系统的发射基站和接收基站做了扩展，旧系统只有1个发射基站和8个接收基站，现系统最大可支持16个判选式分集接收基站、4个准同步发射基站；系统自动增益控制；信道判决时采用信噪比分析和链路静态噪声分析相结合的方法，比仅采用信噪比分析判决更佳；系统自我诊断功能；系统结构模块化改进。该系统的开发实现了专用网监控系统的国产化，提高了系统的安全性和可维护性，有很好的经济效益和社会效益。
图3 主MCU控制模块
图4 辅助MCU控制模块

参考文献：
1.  麻键，集群移动通信实用技术 ，人民邮电出版社，1996