（通信与信息系统专业论文）基于gsm手机的无线公话平台的研制.pdf

摘要 摘要 无线通信网络的发展和完善，促使了无线公话的产生。随着无线公话的推广，要求 所使用的无线公话平台需要有成本低廉的特点和具备集中管理的功能。 本文采用手机模块二次开发设计了一款无线公话平台。该无线公话平台成本低廉， 而且包括集中管理功能，便于实际运营管理，其主要由无线接入平台、智能计费器和网 管中心三部分组成。分别完成语音、数据信号的接入；费率的计算和对多个无线接入平 台和智能计费器的集中式管理。其中无线接入平台和智能计费器可以分别独立使用，其 接口与市面上常见的产品互相兼容。 无线接入平台是本文设计中的重点，由用户接口电路、音频电路、手机模块、逻辑 控制电路、p c 机接口以及电源电路组成。本文着重介绍了用户接口电路和音频电路中的 2 4 线转换电路。 本文设计的智能计费器由显示电路、用户接口、通信电路、逻辑控制和电源电路组 成。网管中心软件设计包括用户界面、电话接口、管理模块、数据库和网络接口。 无线接入平台与网管中心间采用短消息进行数据传输。计费器和与网管中心间采用 d t n f 方式进行数据的传输，为了提高传输速度和可靠性，本文还提出了一种采用异或 差分的编码方式。 最后，对在研究生学习期间完成的其它工作进行简介和对本文的工作做出总结。 关键词：无线公话；手机模块；集中管理；数据传输 兰童翌三查兰坚主兰堡堡苎 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p i n ga n dp e r f e c t i n go ft h ew i r e l e s st e l e p h o n en e t w o r k ，t h e w i r e l e s sp u b li ct e l e p h o n es y s t e mh a db e e nm a d e a n dw i t ht h eu s eo ft h ew i r e l e s s p u b l i ct e l e p h o n es y s t e ms p r e a d i n g ，a n o v e lw i r e l e s sp u b l i ct e l e p h o n es y s t e mw i t h l o w c o s ta n di sn e e d an o v e lw i r e l e s s p u b l i ct e l e p h o n es y s t e mu s i n g m o b i l ep h o n eh a db e e nd e s i g n e d i nt h i sa r t i c l e w h i c hi sn o to n l yl o wc o s t ，b u ta l s ot h ec e n t r a lc o n t r o li s a v a i l a b l e ，i tm a d ee a s i l yt ob em a n a g e d s u c hw i r e l e s sp u b l i ct e l e p h o n es y s t e m i sc o m b i n e dw i t hw i r e l e s sa c c e s sp l a t f o r m ，i n t e l l i g e n tf a r em e t e ra n dc e n t e r n e t w o r km a n a g e r w h a tt h e i rf u n c t i o n si sv o i c ea n dd a t aa c c e s s ，c a l c u l a t i n gt h e f a r ea n dm a n a g i n ga c c e s sp l a t f o r m sa n df a r em e t e r s a n dw h a tm o r ew i r e l e s sa c c e s s p l a t f o r ma n di n t e l l i g e n tf a r em e t e rc a nb eu s e di n d e p e n d e n t l y ，t h e ya l lw i t h g e n e r a li n t e r f a c e t h ew i r e l e s sa c c e s sp l a t f o r mi st h ek e yo ft h i sd e s i g n e d h i c hi sc o m b i n e d w i t hu s e rs o c k e t ，v o i c ec i r c u i t ，m o b i l ep h o n e ，l o g i cb l o c k ，p cs o c k e ta n dp o w e r s u p p l y t h eu s e rs o c k e ta n dt h eh y b r i dc i r c u i ti nv o i c ec i r c u i ta r ei l l u m i n a t e d i nd e t a i l t h ei n t e l l i g e n tf a r em e t e ri sc o m b i n e dw i t hd i s p l a yc i r c u i t ，u s e rs o c k e t ， d a t ac o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，l o g i cb l o c ka n dp o w e rs u p p l y t h ec e n t e rn e t w o r k m a n a g e r i sc o m b i n e dw i t hu s e r i n t e r f a c e ，t e l e p h o n es o c k e t ，m a n a g e rb l o c k ， d a t a b a s ea n dn e t w o r ks o c k e t s m s ( s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) i su s e df o rc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h ew i r e l e s s a c c e s sp l a t f o r ma n dt h ec e n t e rn e t w o r km a n a g e r d t m f ( d u a lt o n em u l t i f r e q u e n c y ) i su s e df o rc o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h ei n t e l l i g e n tf a r em e t e ra n dt h ec e n t e r n e t w o r km a n a g e r ，a n dw h a t sm o r ei no r d e rt om a d et h et r a n s f e r sm o r eq u i c k l y a n dr e l i a b l y ，an o v e lt r a n s p o r tm e t h o dh a db e e ng i v e n ，w h i c hh a db e e ng r o u p e d a n dx o r d i f f e r e n c ec o d e dh a db e e ne m p l o y e d a tl a s t 。t h eo t h e rw o r kh a db e e ni n t r o d u c e dw h i c hh a db e e nc o m p l e t e df l c o n c l u s i o nh a db e e nm a d ef o rt h i sa r t i c l e k e yw o r d s ：w i r e l e s sp u b l i ct e l e p h o n e ，m o b i l ep h o n e ，c e n t r a lc o n t r o l ，d a t a t r a n s f e r s 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储龆沈髀 吼婶月厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密叼。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：纠年f 月日 日期：硼￥年6 月八p 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线公话平台的市场需求 1 9 7 3 年4 月马丁咔摹珀发明了全球第一部移动电话摩托罗拉d y n a t a c 型手机， 这种手机约1 2 7 厘米长，4 5 厘米宽，高2 2 9 厘米，重1 1 3 0 克，并且没有显示屏，但 是移动电话的发明给人类社会和生活方式带来了及其深远影响，今天马丁库珀先生的 该项发明为世界市场创造的总效益已经达到5 0 0 亿美元，全球用户超过5 亿“1 ，无线通 信技术也从最初的模拟技术发展到今天的数字技术，从第一代发展到第二代，并向第三 代移动通信技术发展。在中国，从1 9 8 7 年中国第一部手机开通起，便得到了高速的发 展，据赛迪顾问统计，截至到2 0 0 2 年6 月，国内移动通信的用户数量达到1 7 6 亿户， 普及率已经达到1 3 9 部百人。网络的覆盖也越来越广，全国绝大部分的地区都已经 开通了无线通信业务。 随着无线通信网络的不断完善和发展，无线移动通信的覆盖范围越来越广，无线通 信的成本也越来越低。在这种情况下，一种通过无线通信网络进行运营的无线公话平台 产品产生了，它通过g s m 、c d l a 或p h s 等公众无线网络向用户提供类似固定电话的接口。 这种无线公话平台能应用在大中城市无线公话业务的开展，同时也适用于一些企事业单 位、大中专院校以及电信管线难以到达的地区或者火车、汽车、轮船等交通工具上提供 通信服务。图1 - 1 给出了在公话业务中的应用模式。 图1 - 1 无线公话平台在公话业务中的应用 f i g u r e l 一1t h ea p p l i c a t i o ni np u b l i ct e l e p h o n e 该无线公话平台还可以使用于中、小企业，通过企业内部交换设备对无线通信资源 进行共享。见图卜2 。 华南理工大学硕士学位论文 图1 - 2 无线公话平台在企业内部应用 f i g u r el 一2t h ea p p l i c a t i o ni nt h ec o r p o r a t i o n s 该无线公话平台还可以和带网管功能的计费器配合使用，实现集中管理功能，包括 费率统一下载修改；每日营业报表上传；单个平台查询等。 随着人民生活水平的提高，对通信服务的要求也不断的提高。同时日益完善的移动 通信技术，为这种无线公话平台产品的发展提供了巨大的机会。 1 2 基于g s m 手机的公话平台研制的意义 1 2 1 现有无线公话平台的情况 由于庞大的市场需求的驱动，现在市场上出现了不少品牌无线公话平台。在对无线 公话平台的市场进行调研后，现有产品在以下几方面有待改进。 1 ) 成本较高。无线公话平台的主要成本在于无线通信模块，一般的g s m 模块成本 在6 0 0 元，c d m a 模块成本在1 0 0 0 元左右，由于大部分的无线公话平台采用了 工业无线通信模块。所以整机成本较高，无线公话平台的价格高居不下是制约 其发展的重要原因。 2 ) 对接入设备要求较高。有些无线公话设备对接入电话机的参数要求较高，而现 在市面的电话机的参数在不同品牌和型号间的差别很大。这就对无线公话平台 的适应性提出了更高的要求。 3 ) 通用性不好。很多无线接入平台和计费器间的接口不具有通用性，也就是说他 们并不能单独使用。 4 ) 缺少集中管理功能。对于多个无线接入平台进行集中管理，包括费率上下传、 修改；每日运营情况报表；单个无线平台查询等。 5 ) 声音音量不足。由于无线公话平台应用的场合背景噪音较大所以声音音量要求 较大。但音量过大会引起自激啸叫，所以这是一个矛盾。 第一章绪论 6 ) 语音有干扰。由于g s m 或c d m a 模块属于功率射频电路，所以设计或布局不合 理会引起干扰。 对于上述问题，都在不同程度上制约了无线公话平台市场的发展。受t c l 南方通讯 设备有限公司委托，需要研制一种低成本的、通话质量好、具有智能管理功能的无线公 话平台。 1 2 2 采用6 8 m 手机无线公话平台的特点 针对上面提出的问题，研制了一种基于g s m 手机的无线公话平台。该无线公话平台 的最大的优势是低成本优势。设计采用回收利用的手机模块，其价格一般在2 0 0 元以下， 对于个别型号的手机回收价格更低至1 0 0 元以下，对比6 0 0 元左右的工业模块，能使成 本大幅度地降低。 利用回收手机模块不仅降低了生产成本，而且一定程度上解决通信市场上大量淘汰 或积压的手机的处理问题，避免了这些淘汰或积压的手机抛弃所带来的污染，从而有利 于环境保护。 本文提出的无线公话平台不仅包括无线接入平台还包括智能计费系统和网管中心 后台软件。通过智能计费器和网管中心后台软件可以实现对多个无线接入平台进行集中 管理。而且无线接入平台和智能计费器可以分别独立使用。用户可以将无线公话平台接 入企业内部的交换设备对无线通信资源进行共享；也可以将智能计费器应用在别的公话 平台上。 本文提出的无线公话平台在一定程度上解决了射频电路部分的干扰和回音的干扰， 通话质量有一定的提升。 1 36 s m 手机模块无线公话平台的难点 虽然基于g s m 手机模块的无线公话平台有上述优点，但同时也存在一些问题需要解 决。 基于工业模块的无线公话平台采用的工业模块是专门为嵌入式应用而生产的，其接 口标准的a t 命令集，控制起来比较方便。而g s m 手机模块无线公话平台不同，它所采 用的手机一般是早期的产品，早期的产品其接口标准大都由厂家自行制定，不同厂家之 间的不同型号其接口格式常常不同，而且并不对外公开。这就对基于手机模块的无线公 话平台的开发和批量生产带来困难。寻找一种可以对不同手机模块进行简单的、行之有 效的控制方法是开发该g s m 手机模块无线公话平台的首要问题。 同样g s m 手机模块无线公话平台所采用的手机并非为嵌入式应用专门设计，因此在 语音信号的传输方面可能会出现不匹配的情况。而且不同手机的区别，也是必须注意的 华南理工大学硕士学位论文 问题。因此要求所设计的电路不仅能对于某一种特定的手机适用，而且对于其他品牌或 不同型号的手机，也不需要对设计修改或者不需要进行大量的修改就能够正常地工作。 语音信号从手机模块到普通电话的传输，需要进行混合和回音的消除，也就是2 4 线转换的实现。由于市面上普通的电话机，不同型号之间的参数差别很大，需要设计一 个适应性强的电路。而且需要顾及到成本价格，因此这一部分电路的设计是整个研发过 程的难点。 成本的控制也是相当重要的，采用手机模块的目的就在于降低产品的成本。因而实 现该平台的成本需要严格地控制。 对于智能计费器和后台管理软件，由于在实际运营过程中不同地域的智能计费器与 后台集中网管间需要进行一定数据量的通信，因此实现一种低成本的、可靠的、简单的 通信方法是关键。由于数据通信成本的约制，少量的关键数据可以采用网络下载的方式： 对于大量的、并不太重要的数据可以采用本地下载更新的方法。 其中网管中心和接入平台间采用短消息进行通信，网管中心和计费器间采用d t m f 传输数据，为了提高通信效率和可靠性更包括，提出了一种数据分组和异或差分的编 码方式。 1 4 章节安排 本文章节安排如下： 第一章是整篇文章的绪论，对于无线公话平台的市场需求、现有情况和研制采用手 机模块的无线公话平台需要解决的问题进行简要的介绍。目的是为了让读者了解基于 g s m 手机的无线公话平台的研制意义和方法有简单的了解。 第二章介绍了采用手机模块的无线公话平台的设计的整体结构，包括无线接入平 台、智能计费器和网管中心后台软件的简要原理和相互关系。 第三章介绍了无线接入平台部分的设计，包括无线接入平台的原理、相关技术。主 要用户接i z l 电路和音频电路中的2 - 4 线转换电路，其中2 4 线转换电路是本设计中的难 点。 第四章介绍了智能计费器和网管中心后台软件的设计，主要阐述了计费器的原理结 构、后台管理软件i 狗i l l 信和网管中心与无线接入平台计费器之间的通信方式。介绍了 网管中心和接入平台间短消息的收发方法和网管中心计费器间数据分组和异或差分的 编码方式。 最后介绍了在硕士研究生学习期间完成的其他工作和对本文作出总结。 第二章g s m 无线公话平台的构成 第二章g s m 无线公话平台的构成 2 1g s m 无线公话平台的技术要求 g s m 无线公话平台主要提供给用户个清晰的语音通话功能，并在此基础上能实现 一些简单的网管等。其主要功能要求描述如下： 1 ) 提供对普通电话机的接口，包括用户线的各种信令，如：振铃、提示音等。 2 ) 能提供给用户清晰的语音通话信号，能有效的消除g s m 手机模块的干扰和线路 的回音等噪声。 3 ) 能根据用户拨打的电话号码实现自动i p 路由。 4 ) 能提供准确的计费信息，能按照用户拨打不同的电话号码进行收费。 5 ) 能与网管中心通信实现数据的上下传。 6 ) 各部分模块化设计并标准化，即是各功能模块间能独立配合市面上的现有产品 使用。 进一步的要求包括：用户能自行设置i p 、通话限制、话费限制等。 2 2g s m 无线公话平台的组成框架 无线公话平台主要由三部分组成：无线接入平台、智能计费器和网管中心组成。 其中由无线接入平台由g s m 手机模块和用户接口等部分组成，实现了对普通电话提 供用户线信令，完成用户语音、数据信号的接入。 智能计费器负责通话费的计算并通过l e d 显示屏在客户和管理员两方同时显示，具 有本地数据的初步统计功能，并能和网管中心通信将数据上传。 网管中心主要包括运行在p c 机上的后台管理软件，负责对多个无线接入平台和智 能计费器的集中式管理。 其中无线接入平台和智能计费器可以分别独立使用，其接口能与市面上常见的产品 互相兼容。 无线接入平台和智能计费器与后台管理软件通信时。需要通过无线接入平台或者其 他公共电话网络完成数据的传输。无线接入平台与网管中心的通信可以通过短消息实 现，智能计费器和网管中心间采用d t m f ( 双音多频) 的方式进行通信。三者问的关系见 图2 - 1 。 华南理工大学硕士学位论文 图2 - 1 无线公话平台组成框架 f i g u r e2 - 1d i a g r a mo fw i r e l e s sp u b l i ct e l e p h o n es y s t e m 2 3 本章小结 本章通过对无线公话平台的技术要求和结构进行了简单的初步介绍。该无线公话平 台不仅能提供普通语音信号的接入，而且还具备中心网管的功能，按入平台和智能计费 器能分别通过短消息或肼m f 信号与中心网管问进行通信。 在结构上分为接入平台、智能计费器和中心网管三部分。其中接入平台和智能计费 器能单独使用。 6 第三章无线接入平台的设计 第三章无线接入平台的设计 3 1 无线接入平台的技术要求 无线接入平台是无线公话平台开发的关键部分。它完成了语音信号的接入，普通电 话接口的提供，数据传输的接入等功能。 无线接入平台的设计需要满足以下几项技术要求： 1 ) 能提供完整的用户接口，包括：直流馈电电压、直流馈电电流、铃流信号、反 极计费信号。能自动监铡用户摘挂杌状态、用户拨发的d t m f 信号等。 2 ) 能提供清晰的语音通话信号。有效地分离模拟用户线上采用2 线双向传输方式 所产生地回音；有效地去除射频电路部分带来的干扰。 3 ) 能适应市面上出售不同的型号的电话机和普通计费器。 4 ) 要求设计的方案只需进行小的改动就能适应不同型号的g s m 手机模块。包括可 以简便地改造为c d m a 或p h s 模块。 5 ) 具有自动i p 电话路由功能，平台能内置一个或多个i p 号码，对于用户拨打不 同的电话号码可以自动地选择使用i p 号码进行通话。i p 号码可以由管理入员 自行设置。 6 ) 具有拨打号码限制功能，可以设置禁止用户拨打某些字头的电话。 7 ) 具有最大通话时间限制功能，可以分类设置不同种类的电话的最大通话时间或 费用。 3 2 无线接入平台的框架 无线接入平台由用户接口电路、音频电路、手机模块、逻辑控制电路、p c 机接口以 及电源电路组成。各模块的逻辑联系如图3 - 1 所示。 用户接口电路提供用户模拟电话线路的各种接口和信令：包括提供直流馈电电压、 馈电电流、反极计费信号、振铃，实现用户摘挂机和d t m f 信号的检测，将结果送到逻 辑控制部分。 音频电路实现通话语音放大以及2 - 4 线转换功能，将手机模块输出的语音经放大和 处理输出到电话线上，同时将电话线上本地要发送的语音信号经放大和处理输入到手机 模块里。 手机模块完成语音和数据的输送。对于大部分手机可以采用a t 命令接口进行控制， 部分需要手机按键模拟电路控锘8 。 华南理工大学硕士学位论文 逻辑控制电路对其他各部分进行控制并且对系统状态进行指示。该部分包括m c u 控 制单元，可以完成对用户接口的监视。通过m c u 内部的软件还可以实现i p 的自动路由 功能。该部分还包括逻辑控制的辅助部分，譬如：采用e e r o m 存储器保存i p 号码、网 管号码等必要的信息；电平转换电路，实现与p c 机的通信；实时时钟电路等。 p c 接口，完成r s 2 3 2 到t t l 电平的转换，可以实现通过p c 机来修改接入平台的某 些参数，如i p 号码等。 电源电路为逻辑控制电路、手机模块、音频电路和用户接口电路块进行供电，将2 2 0 v 交流市电变为以下各种电源：交流铃流电压、馈电电压、馈电电流、音频电路电源、+ 5 v 逻辑电源。 图3 - 1 无线接入平台框图 f i g u r e3 - id i a g r a mo fw i r e l e s sa c c e s sp l a t f o r m 3 3 用户接口电路 用户接口电路提供模拟电话线路的各种接口、信令和用户摘挂机和i ) t m f 信号的检 测。 3 3 1 馈电电路 连到无线接入平台的电话机，无论其通话与否，都必须通过接入平台对其馈电。按 照我国国家标准g b 3 3 7 9 - 8 2 规定，馈电电压为- 4 8 v ，通话时的馈电电流在2 0 - 5 0 m a 之问。 馈电的方式有电压馈电和电流馈电”。 电压馈电方式见图3 2 ( a ) ，为了减少语音信号的传输损耗，采用电感线圈。电感线 圈的选择在理想情况下应该对交流信号的阻抗呈无限大，而对直流电压的阻值为零，但 是要获得要增加交流阻抗必须增大线圈绕组的圈数，这样对直流的电阻也会增大，反之 减少线圈的圈数，直流阻抗减少，但交流信号的损耗增大，因此，电感线圈的阻抗一般 8 一 兰三主歪堡堡全兰垒墼堡生 折衷选用6 0 0 m h 左右。此外，为了减少a 、b 线对地不平衡所产生的串话，两个馈电线 圈的感抗要尽可能一致。 电流馈电是由平台向用户提供恒定的直流电源，见图3 - 2 ( b ) 。它通过电子元件组成 的恒流源向用户提供恒流馈电。 在实际应用中一般采用电流馈电的形式。这种方式可以剩下庞大且笨重的电感线 圈，可以采用集成电路使得输出的馈电电流稳定；而且电流馈电的传输特性受线路的传 输影响小。 b a b 一 ( a ) ( b ) 图3 2( a ) 电压馈电方式 ( b ) 电流馈电方式 f i g u r e3 - 2 ( a ) v o l t a g eb a t t e r yf e e d i n gm e t h o d ( b ) c u r r e n tb a t t e r yf e e d i n gm e t h o d 该接入平台采用电流馈电，其馈电的实际原理图见图3 - 3 ，其中r l 是电话机负载。 6 hc l 图3 3 实际应用馈电电路 f i g u r e 3 - 3p r a c t i c a lb a t t e r yf e e d i n g c i r c u i t 图中u 1 、r 2 构成恒流源电路，l m 3 3 7 是一款具有输出电压可调功能的负压稳压集成 电路，在工作范围内其输出脚( 3 ) 和调整脚( 1 ) 电压能保持在1 2 5 v 左右，l m 3 3 7 还可以 如图中所示应用为一恒流源电路，其电流大小可以通过式( 3 1 ) 计算，取r 2 为3 3 5 1 o 可以得到越2 4 5 3 8 m a 馈电电流，能满足一般电话机的馈电电流需要。d i 、d 2 防止 电流的回流“1 。 9 华南理工大学硕士学位论文 l = 鲁+ 。百1 2 5 v ( 3 - 1 ) d 1 和r 1 提供挂机时的电压馈电，取r 1 为i o k 的电阻，根据标准电话机挂机状态的 漏电流不大于5pa ，所以r 1 上的压降约为5 0 m v 左右，远小于馈电电压一4 8 v 。c 1 为语 音信号提供交流通路，一般取l 2 | lf ，注意c 1 需要选取耐压较高的无极性电容。 3 3 2 振铃和反极信号 振铃电路是向被接电话机提供一个振铃信号，通知用户有电话进入，我国规定的标 准是：9 0 v 2 0 v 、2 5 h z 的交流信号。这么高的铃流电压是不能直接通过用户电路的，否 则会对电路造成影响，甚至损坏。因此，铃流信号一般是通过继电器或者高压电子开关 向被接电话机提供。见图3 - 4 脚。 矗矗蒯船嘲i 翔蛐制i 图3 4 振铃和反极电路 f i g u r e3 - 4r i n g i n ga n dp o l a r i t yr e v e r s i n gc i r c u i t 当需要振铃时，由逻辑控制单元发送振铃控制信号，通过控制继电器r l l 动作。r l l 动作后，接通了铃流回路，外接电话机振铃。同时切断了平台内部的用户接口电路，避 免了电路的损坏。通常振铃信号节奏规定为1 秒通4 秒短，为此，需要逻辑控制单元按 照该节奏发送振铃控制信号。 用户拨打电话时，当被叫方电话摘机通话时，计费器应该开始计费。这就需要接入 平台向计费器发送一个计费信号。通用的计费信号采用a 、b 线极性翻转。该电路可以 通过继电器或电子开关实现，见图3 - 4 。 当被叫方电话摘机通话时，由逻辑控制单元发送反极控制信号，r l 2 动作，连接到 外接电话的a 、b 线被交换，从而实现了反极信号。 3 3 3 用户摘挂机监测电路 用户摘挂机监测电路可以通过监测用户线上的直流环路电流的变化来实现。当用户 1 0 第三章无线接入平台的设计 挂机时，直流环路开路，馈电电压几乎为零( 我国的标准规定电话挂机时漏电流不大于 5ua ) ；用户摘机后，直流环路接通，馈电电流在2 0 m a 以上。 对于用户环路馈电电流的检测可以采用多种方法，见图3 5 。图3 - 5 ( a ) 采用的是监 测电阻r 1 两端的压降来判断用户摘挂机的状态。当用户挂机时r 1 上没有电流流过压降 为零，比较器两端电压相等：当用户摘机时馈电电流流过r l ，在r l 上产生压降，比较 器两端电压不等。 图3 5 ( b ) 采用的是光电耦合器，当用户挂机时没有电流流过，光电耦合器截止，用 户状态监测端输出高电平；当用户摘机时馈有电流流过，光电耦合器导通，用户状态监 测端输出低电平。由于馈电电流在2 0 m a 以上而流过光电耦合管的电流仅需l o m a 左右， 为防止流过电流过大可以用一个分流电阻r 3 并联在光电耦合管上。r 3 的选取可以参考 式( 3 - 2 ) 。 肚一，。 ( 3 _ 2 ) 式中u 。是光电祸合管的压降，取1 8 v ；，丑f 是平台的馈电电流，取3 0 m a ；，。e d 是 光电耦合管的额定工作电流，取l o m a 。故可以算出r 3 = 9 0 0 ，实际上r 3 的取值可以在 6 8 1 5 0 q 之间取值。由于光电耦合管是串连在用户线上，所以馈电电流流过光电耦合 管的同时，语音信号也流过了光电耦合器，这样就会引起音频信号的非线性失真，为了 解决这一个问题，可以在光电耦合管两端并联一个电容c 2 为音频信号提供交流通路， c 2 可以取值1 2 pf 。r 2 是上拉电阻，一般取值i o k q 左右。 用 c a )( b ) 图3 - 5 用户状态监测电路 f i g u r e3 - 5u s e r sl i n es t a t e sl i s t e n i n gc i r c u i t 3 3 4d t m f 信号检测 目前模拟话机使用的拨号方式有脉冲式和双音多频( d t m f ) 的方式。由于脉冲拨号 方式时通过一系列控制用户环路电流断续的脉冲实现号码的播发，与d t m f 方式对比， 不仅速度慢而且抗干扰能力差，因此几乎已经被淘汰。现在常用的电话一般有d t m f 拨 号功能，接入平台需要实现d t m f 信号的检测。 华南理工大学硕士学位论文 d t m f 拨号方式是在高频和低频频率组里各自选用一个单音频率合成一个d t m f 信 号。而高频和低频频率组里各有4 个标称的频率，两组频率各选一个频率两两组合，一 共可以组成1 6 个不同的d t m f 信号，分别对应不同的按键或编码信息。根据国际电信同 盟( i t u ) 建议和我国g b 3 3 7 8 8 2 标准，规定了按键数字和频率组合之间的关系，见表3 - 1 。 表3 - 1d t m f 信号频率组合表。3 t a b l e3 - 1t a b l eo fd t m ff r e q u e n c yc o m b i n a ti o n s efgh 1 2 0 9 h z1 3 3 6h z1 4 7 7h z1 6 3 3h z a6 9 7h z123a b7 7 0h z456b c8 5 2h z789c d9 4 1h z 0#d 而且按照规定，对应于标称的频率，按键电话所发送的d r r 盱信号的频偏不应超过 1 8 ，每位数字的信号时长一般为3 0 4 0 m s 。对于2 0 9 6 的频偏接收器应该可以接收。 d t m f 拨号方式具有拨号速度快、抗干扰能力强、易于实现电子化和集成化，已被绝大多 数的电话和交换机所使用。 d t 盱信号的监测可以通过集成电路c m 8 8 7 0 来完成。c 鹏8 7 0 是一款专门用于d t m f 信号检测的数字模拟混合电路，其内部原理见图3 - 6 ( a ) 。c m 8 8 7 0 可以采用价格较低廉 的h t 9 1 7 0 直接代替。c 聃8 7 0 包括了前置音频放大、d t m f 检测、3 5 8 删z 振荡器和电源 ( 图中省略) 。d t m f 的检测主要原理是：电话线上的音频信号通过前置音频运放器放大 后；将放大后的音频信号送入拨号音频带通滤波器，防止语音等其它音频信号的干扰； 滤波后的信号分别送入高频组通带滤波器和低频组通带滤波器，高频组通带滤波器和低 频组通带滤波器采用的是9 阶的开关电容滤波器，其频率特性图见图3 - 6 ( b ) ，低频组带 通滤波器的通频带在4 5 0 h z1 2 0 9 h z ，高频组带通滤波器的通频带的低端截至频率是 9 4 1 h z ，这些通频带的选择有利于防止高、低频组信号的相互干扰和拨号回铃音( 4 5 0 h z ) 对低频组信号检测的干扰，而且通过高、低频组通带滤波器后信号的输出可以得到平滑 的正弦波，可以有效避免毛刺等带来的干扰；通过高、低频组带通滤波器的信号通过两 个施密特门进行整形后在，送入过零计数器进行频率检测，过零计数器的检测结果送到 输出逻辑进行判决和译码输出；c m 8 8 7 0 还可以通过输出使能控制端( 1 0 脚，t o e ) ，当 输出使能控制端输入高电平，c m 8 8 7 0 输出有效的d t m f 译码结果，反之输出端呈高阻态， 采用输出使能控制功能可以将c m 8 8 7 0 和其它设备并联在总线上使用。c m 8 8 7 0 的内部还 集成了一个频率振荡器，需要外加一个3 5 8 m h z 晶体，该信号还可以通过0 c s 2 引脚输 出( p l c c 封装的通过0 s c 3 输出) ；3 5 8 _ u z 振荡频率还可以通过o s c i 引脚输入，这样 不同的设备可以共用一个频率发生源，获得良好的同步。 第三章无线接入平台的设计 萋 然； 蠢 匿 ，、， ，、i 、 ，i ，i ，j、 f f、 ill j1l i 、jl ，、 、n ly 频率m z ) c b ) ) 擘3 0 0 y - - 4 5 0 a = 6 9 7 量= 1 2 0 9 b = t t of = 1 3 3 6 c = 8 5 2g = 1 4 y ? i ) = 9 4 1i = 1 6 3 3 图3 6 ( a ) c m 8 8 7 0 原理框图 ( b ) 带通滤波器频率特性 f i g u r e3 - 6 ( a ) d i a g r a mo fc m 8 8 7 0 ( b ) b a n dp a s sf i l t e r sc h a r a c t e r i s t i c s 3 。3 。5 拨号音发送和回铃音检测 当用户摘机时应向用户发送一个拨号音信号，按照我国国家标准：拨号音为4 5 0 2 5 h z 连续信号，也可以使用4 0 0 h z 作为拨号音频率。拨号音发生电路见图3 7 4 5 0 h z 的信号源由m c u 产生，通过q l 作为缓冲，r 1 、r 2 、c l 组成滤波电路使得输出的拨号音 华南理工大学硕士学位论文 较接近于正弦波。 t o 图3 - 7 拨号音发送电路 f i g u r e3 - 7d i a l i n gt o n es e n dc i r c u i t 当用户拨打一个电话，根据对方的情况， 国国家标准：忙音为4 5 0 + 2 5 h z ，0 3 5 秒送， 4 秒断。 主叫用户会接收到忙音或回铃音。按照我 0 3 5 秒断；回铃音为4 5 0 2 5 h z ，1 秒送， 根据上述标准，可以通过检测4 5 0 h z 的信号，以及其通断时间进行判别。4 5 0 h z 信 号的检测电路可以通过集成锁相环路解码器l m 5 6 7 组成一个锁相环电路实现，电路原理 图见图3 - 8 。 l m 5 6 7 是美国国家半导体公司生产的5 6 系列集成锁相环路中的一种。1 瑚5 6 7 是一个 高稳定性的低频集成锁相环路解码器，其中心振荡频率最高可达5 0 0 k l l z 。由于其良好的 噪声抑制能力和中心频率稳定性而被广泛应用于各种电子设备中的解码以及频率检测 等电路中。l m 5 6 7 内部包含了两个鉴相器p d l 及p d 2 、放大器m i p 、电压控制振荡器v c o 等单元电路。鉴相器p d l 、p d 2 均采用双平衡模拟乘法器电路，锁相环路输出信号由电 压控制振荡器v c o 产生“”。 图3 - 84 5 0 1 1 z 检测电路 f i g u r e3 - 84 5 0 h zd e t e c t i n gc i r c u i t 该电路的中心频率f o 和通频带b w 可以分别由式( 3 3 ) 和式( 3 4 ) 计算。在实际 应用中可以取r 2 = 2 0 k 、c 4 = 0 1 pf 、c 2 = 1uf 。这样根据式( 3 3 ) 计算出中心频率约 第三章无线接入平台的设计 在4 5 0 h z 左右。 3 4 音频电路 ( h z ) ( 王，z ) ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) 音频电路实现将手机模块输出的语音经放大和处理输出到电话线上，同时将电话线 上本地要发送的语音信号经放大和处理输入到手机模块。主要包括2 - 4 线转换的混合电 路和语音放大电路。 3 4 1 混合电路和回声消除 手机的音频接口是4 线单向传输的( 输入、输出各一对) ，而用户线上的音频信号 却是2 线双向传输。因此音频信号从手机发送到用户线或者从用户线发送到手机均需进 行2 - 4 线转换，实现2 4 线转换的电路又叫混合( h y b r i d ) 电路。 混合电路实现了2 4 线转换，但同时会带来另外的问题回音。回音对话音的影 响是十分明显的，回声的传输会引起混响使得声音听起来不清晰。在极端的情况下，当 回音环路上的增益超过1 ，则会引起振荡啸叫。所以必须想办法消除回音。 混合电路的原理和回音产生的原因，如图3 - 9 所示，对方说话的语音信号通过发送 信号路径发送到用户的电话机端，如果该信号在混合电路内不能被完全平衡，则有部分 能量通过接收信号路径返回手机模块，从而被对方听到。 接收倍i 路径 图3 9 混合电路示意图 f i g u r e3 - 9d i a g r a mo fh y b r i dc i r c u i t 消除回音的方法有：2 4 线变压器、平衡桥式消回音电路、相位抵消电路和数字信 号处理的等方法“”。2 - 4 线变压器由于体积庞大不利于小型化和集成化，已经逐渐被淘 汰。 1 5 岳巨 了 昕 一l l = = o ， b 华南理工大学硕士学位论文 平衡桥式消回音电路的基本原理见图3 一1 0 。图中疗。是发送等效电流源，z 。是外接 电话机和接线的等效阻抗，z 。是本地平衡插入阻抗，r l 、r 2 是分压电阻，u o 则是接收 输出电压。 除。 儿zb 图3 - 1 0 平衡桥式消回音电路 f i g u r e3 - 1 0b r i d g ee c h oc a n c e l l e r s 根据环路电流法可以得到式( 3 5 ) j u ，= z b ，l + r l ，l 峨= z l i 一2 + r 2 i 2 ( 3 5 ) z 。五+ 蜀i = z 。t + 尺：丘 根据图3 一l o 可以计算出疗。的值，式( 3 - 6 ) 眨= z l l 2 一n 1 1 ( 3 6 ) 旧。= 蜀，l r 2 ，2 在理想的情况下应该没有接收输出信号。即满足式( 3 7 ) 。 疗。= 0 ( 3 - 7 ) 将式( 3 - 7 ) 代入式( 3 - 6 ) ，可以得到式( 3 8 ) j z l 7 2 = z b l l( 3 8 ) 【焉，i = r 2 ，2 由式( 3 - s ) 和式( 3 8 ) ，可以得到 z r l = z 口r 2 ( 3 9 ) 可见当选择适当的平衡网络z 。满足式( 3 9 ) ，可以使得疗。= o ，从而实现回音得消 相位抵消法的基本原理是将发送信号和混合信号相减，从而得到接收的信号见图 1 6 第三章无线接入平台的设计 3 - 1 1 。y s 是发送信号，v s 经放大器a 1 放大后一路送到用户线上，并经z b 得到信号v 1 ： 另一路送入反相器a 2 得到反相的信号v 2 。v 1 和v 2 相加得到v 3 ，v 3 经放大器a 3 放大 后得到接收的信号。如果z 。和r 1 选择适当，可以得到等幅反相的v 1 和v 2 ，相加后可 以完全抵消使得v 3 = o ，从而输出v o = o ，实现了回音的消除。 1 图3 一1 1 相位抵消法 f i g u r e3 - 1 1p h a s ec o u n t e r a c t i n ge c h oc a n c e l l e r s 用户绒 丑 平衡桥式回音消除电路结构简单，所以多被应用在一些低成本的场合上。本设计中 采用的就是平衡桥式回音消除的方法。但为了让读者更好地理解，下面的部分电路原理 采用了相位抵消方法进行说明。 从上述论述可以得出无论是采用平衡桥式或相位抵消法消除回音，都必须选择适合 的本地平衡插入阻抗z 。去平衡用户端接入阻抗z ：，z 。的选择根据z ：和电路结构决定。 由于消回音电路的效果与用户端的阻抗有关。而用户端的阻抗和用户的距离和使用的电 话机参数有关，在本设计中由于接入平台和用户话机问的距离很短，其电气特性的离散 性不大，所以主要的影响来自于电话机参数的不一致性。特别是外接的电话机阻抗的差 别很大，按照相关标准的要求电话机的阻抗应该是3 0 0 q ，但市面上使用的电话该参数 的误差在1 0 2 0 ，因此选定的z 。和r l 不能保证和所有的电话的阻抗匹配，使得 v 1 和v 2 的幅度难以保证一致，保证不了回音消除的效果。为了保证消除回音的效果， 需要在电路中加入自动增益控制电路( a g c ) 。 a g c 电路原理见图3 - 1 2 ，放大单元输出的信号被送入电平检测，电平检测由u 2 、u 3 、 d 1 、d 2 、r 5 r 9 、c 1 、c 2 组成，其中c 1 、r 5 、u 2 、d l 、d 2 、r 6 组成检波电路，r 7 、c 2 组成滤波电路，输出信号经过检波和滤波后得到和输出电压幅度大小成正比的电压值： u 。然后通过