（通信与信息系统专业论文）无线同频同播系统设计.pdf

中文摘要 随着城市规模日益扩大，通讯范围越来越广，目前有限的频谱资源变得日益 紧张，所以现在普遍要求合理地利用频率资源。“同频同播”是近来兴起的一种新 型组网方式，可以有效地提高通讯覆盖范围。其组网简单，可以大大节约组网设 备投资，更重要的是节约了宝贵的频率资源。此外，同频同播系统还可以解决实 际通信中上行信号功率小的问题，适于组建大面积同频同播区域。该系统可广泛 应用于公安、能源、消防等专网调度场合。 本文在详细介绍同频同播工作原理和实现要求的基础上，实际设计了一种工 作在3 5 0 3 6 0 m h z , 4 5 0 4 6 0 m h z 频段下，最多可包含3 2 个同播站和一个链路站的 无线同频同播系统。具体完成了系统组网、通信协议设计、控制板电路设计、单 片机控制软件编程和上位机软件开发。 本系统以k e n w o o d 公司的t k 8 6 8 电台作为信道机，使用电台的二次开 发端口，建立基本的话音通路，并以此作为设计开发的网络平台。通信协议中加 入的话音信号判选功能，极大地缩短了链路建立时间，同时保证了通话效果达到 最佳。控制板采用a v r 系列单片机a t m e g a l 6 1 作为主控单元，控制m s m 6 8 8 2 芯片完成对数字信令的m s k 调制解调，同时完成对电台的收发控制。为了方便 用户操控，设计中还使用v c 6 0 开发了一套界面美观，功能齐全的上位机控制 软件，用于对系统进行实时监控。 主体设计完成之后，对该系统进行了实际组装测试。测试结果表明本系统安 装快捷、使用方便、性能可靠。可以胜任性能高效、反应快速的统一调度指挥功 能。 关键词：同频同播a t m e g a l 6 1t k 8 6 8m s m 6 8 8 2 a b s t r a c t a se x p a n d i n go fm o d e mc i t i e sa n dw i d e n i n go fc o m m u n i c a t i o na r e a , l i m i t e d f r e q u e n c yr e s o u r c e sa r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ep r e c i o u s s oh o wt ou s ef r e q u e n c y m o r ee f f e c t i v e l yb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tf a c t o r sw h i c ha r ec o n s i d e r e di n t h ed e s i g no fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m c o m m o nf r e q u e n c yb r o a d c a s t i n g i s av e r yn e w n e t w o r k i n gm e t h o dw h i c hc a nw i d e nc o m m u n i c a t i o na r e ae f f e c t i v e l y , a n d i t s s i m p l en e t w o r k i n g c a l ls a v e e q u i p m e n te x p e n d i n ga n dp r e c i o u sf r e q u e n c y r e s o u r c e s b e s i d e s ，t h ec o m m o nf r e q u e n c yb r o a d c a s t i n gs y s t e mc a nr e s o l v et h e p r o b l e mo fl o wp o w e ro fu p l i n ks i g n a li np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , a n db ea p p l i c a b l ei n h a n d l i n go f s p e c i a ln e t w o r ks u c ha sp u b l i cs e c u r i t y , r e s o n r g d sa n df i r ep r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ed e t a i l e d e x p l a n a t i o no ft h ep r i n c i p l ea n db a s i c r e q u i r e m e n t so ft h ec o m m o nf r e q u e n c yb r o a d c a s t i n gs y s t e m ，d e v e l o p e dap r a c t i c a l w i r e l e s sn e t w o r kw h i c h w o r k su n d e rf r e q u e n c yo f3 5 0 3 6 0 m h za n d4 5 0 4 6 0 m h z i t i sm a d eu po fo n el i n k i n gs t a t i o na n da tm o s t3 2b r o a d c a s t i n gs t a t i o n s s p e c i f i c a l l y s p e a k i n gw ec o m p l e t e dt h en e t w o r kc o n s t r u c t i o n ，d e s i g no ft h ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c a l ，t h eh a r d w a r eo f c o n t r o lb o a r da n dt h es o f t w a r ef o rs c ma t m e g a l 6 1a n dp c w eu s e dt k 8 6 8t r a n s m i t t e r - r e c e i v e ra sc h a n n e l i z e dt r a n s m i t t e r , b yw h i c h e s t a b l i s h e dt h ea u d i oc h a n n e l b ya d d i n gs e l e c t i o nf u n c t i o no ff i e l ds t r e n g t ht ot h e c o m m u n i c a t i o np r o t o c a l ，i ti m p r o v e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c eg r e a t ly w ec h o s e a t m e g a l 6 1a st h ec e n t r a lu n i to ft h ec o n t r o lb o a r da n dm s m 6 8 8 2a sm s k m o d e r m f o rc o n v e n i e n c eam u l t i f u n c t i o np cs o f t w a r ew a sd e v e l o p e db yv c 6 0f o rr e a l - t i m e m o n i t o r a f t e rt h em a i nd e s i g n ，w et e s t e dt h i ss y s t e mp r a c t i c a l l yw h o s er e s u l t ss h o w e dt h a t t h i sd e s i g ni se a s yt os e tu p ，c o n v e n i e n ta n dr e l i a b l et on s e i tc a nb ec o m p e t e n tt o a c c o m p l i s ht i m e l ya n de f f i c i e n ts c h e d u l e rt a s k s k e yw o r d s ：c o m m o nf r e q u e n c yb r o a d c a s t i n g ，a t m e g a l 6 1 ，t k 8 6 8 ， 、 m s m 6 8 8 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：孚书砷签字日期：聊石 年工月彤日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鲞叁堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘望可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 茅肖榨 导师签名： 渤毛 签字日期：如口彳年2 ，月乃日签字日期：抄5 年乒月a g 日 天津大学硕士学位论文 第一章概述 第一章概述 随着现代城市规模扩大，通讯范围要求越来越广，频谱资源变得日益紧张， 所以现在普遍要求合理地利用频率资源【1 】。“同频同播”方式是近来兴起的一种 组网方式，可以有效地提高通讯覆盖范围。对于绝大多数中小型城市来说，拥 有三、四个基站的网络足以覆盖整个城市，具有很大的普遍性。一个基站一对 频点，就实现了全网同播，无需其它链路设备，大大地节约了组网设备投资， 更为重要的是节约了宝贵的频率资源。此外，同频同播系统还可以解决实际通 信中上行信号功率小( 1 5 w ) 的问题，适于组建大面积同频同播区、老网改造， 也可满足公路狭长地带通信要求。特别是解决在地域范围广或地形复杂条件下 无线通信过程中所存在的问题。为提高快速反应能力、高效的统一调度指挥， 提供了快捷、方便、性能可靠的无线通信系统。 无线同播网即利用同播技术，在一个区域内设置多个同频中转台，并利用 链路将相关中转台信号进行连接，从而在大区域范围内实现通讯质量良好的无 线对讲网络。其优势主要体现在以下三个方面 2 1 ： 多方位覆盖，消除通讯死角 对于山地和高层建筑林立的无线通讯，靠一个制高点设立一个中转台是不 能实现良好可靠的无线通讯网的，因为山地和高层建筑对高段无线电波有明显 的阻碍作用，这也是造成无线通讯不稳定的主要原因。经常有这样的情况：虽 然远离中转台的位置可得到良好的通讯效果，但离中转台很近的地方却存在无 线通讯死角。同播网不但可扩大覆盖范围，而且可有效解决无线盲区问题。因 为多中转台同播可实现多方位的覆盖，移动用户所处位置可能受到来自一方或 两方的阻碍，这时还有其它方向的中转信号可以射入，用户仍可得到良好的通 讯效果。 均匀覆盖，减少干扰 同播系统工作模式对恶劣的无线电波干扰也具备特别的作用。对于单个中 转台，即使它可能处于较高的地点，但随着距离的加大，场强将迅速减弱。当 移动用户附近有较强的无线电场时，特别是大功率无线寻呼发射机，弱信号就 可能被屏蔽从而造成通讯中断。无线同播网是多点覆盖，整个覆盖区场强平均， 所以同播网通讯效果稳定可靠。 安装灵活方便 天津大学硕士学位论文第一章概述 建立同播网在安装中转台时不必与无线发射设备争用制高点，而只需选择 方便合适的地点安装即可。中转台和大功率的寻呼发射机安装在一起是不明智 的，尽管此点位置可能很高。但因为无线对讲系统是双向的，般情况是中转 台发往移动台信号好，而移动台发往中转台信号差。例如手持机，中转台发射 功率一般为2 0 - 4 0 w ，而手持机只有1 5 w ，显然手持机发往中转台的信号远弱 于中转台发往手持机的信号。若中转台和寻呼发射机安装在同一地点，手持机 的上行信号将进一步被消弱。同播系统中转台只需要安装在位置相对较高，远 离大功率发射设备的地点即可。 鉴于同频同播系统的上述优点，该系统可广泛应用于专网调度场合，如公 安、能源、消防等专用网络体系中的语音广播及调度指挥。此外在各个公司和 企业内部安装此系统可实现安全、保密、可靠的交互广播及巡更指挥工作。 常见的同频同播系统中，同播站与链路站之间可采用有线或无线链路连接 方式，通常为模拟信号调制传输，具有价格成本低、使用灵活、安全可靠的特 点。如用于要求较高的场合，可加入语音数字化单元对话音进行压缩编码和加 密，同时可使用g p s 系统实现话音广播的完全同步功能，进一步提升系统性 能。 本文研究了一种工作在3 5 0 3 6 0 m h z 及4 5 0 4 6 0 m h z 频段下，最多可包含 3 2 个同播站的无线同频同播系统设计方案。文中详细介绍了该系统的组网架 构设计、硬件控制电路设计、单片机控制程序设计和p c 机应用程序设计。本 系统已于2 0 0 5 年8 月份完成测试和组装，现已由天津乘龙公司负责该产品的 实地测试和推广。 2 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 第二章同频同播原理及系统设计 2 1 同频同播基本原理 2 1 1 同频同播原理简介 同频同播系统就是在一个区域内建立多个同频中转台，并利用链路将这些 中转台联接起来。链路可以选择无线方式或有线方式。每个中转台负责一定范 围的覆盖。这样，利用多个同频中转台和链路连接就可实现大范围的同播覆盖 目的。 如图2 - 1 所示为一个简单的同频同播系统。 图2 - 1 简单同频同播系统不惫图 图2 - 1 中的同频同播系统由三个同播站、一个链路站和若干手持机构成。 每一个同播站覆盖一个小区，链路站用于将所有同播站连接起来。该系统使用 的频率资源介绍如下：手持机与同播站之间使用上行频率3 5 0 m h z 、下行频率 3 6 0 m h z 进行通信；同播站与链路站之间使用上行频率为4 5 0 m h z 、下行频率 为4 6 0 m h z 进行通信。 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 该网络系统具体工作情况如下：假设手持机a 按下p t t 按钮要求通话， 手持机通过频率3 5 0 m h z 的上行线路向覆盖本小区的同播站l 发送申请信号。 同播站1 接收到申请信号后，认定本小区内有手持机要求通话，此时它将采用 4 5 0 m h z 频率向链路站发送申请同播的信号。链路站接收到该信号后，通过 4 6 0 m h z 的下行线路通知同频同播网中的其他的同播站( 图2 1 中的同播站2 、 同播站3 ) 。其他同播站接收到来自链路站的通知信号后，转入同播接收状态。 至此，同播通话的链路已经建立。当手持机a 开始讲话时，链路站仅作为话 音信号的转发站，将来自同播站1 的话音信号采用4 6 0 m h z 的频率向下转发。 同播站2 和同播站3 接收到来自链路站的转发信号后，通过3 6 0 m h z 的下行链 路向各自小区内的手持机b 、c 、d 、e 等广播手持机a 的话音信号。这样， 该区域内的所有手持机均可以收到来自手持机a 的话音，从而实现同频同播 的功能。 2 1 2 同频同播系统可行性 建立同播系统必须严格按照同播相关技术【3 】，否则可能事与愿违。如果简 单地安装多个中转台以期望达到同播目的，那么各中转台之间的重叠区将会产 生同频干扰。要实现同播系统交界区良好的通话质量必须满足下列基本条件： 各区中转台发射调制音频波形基本一致( 包括幅度与形状) ；各区中转台发射 音频延时量基本一致；各区中转台发射频率基本一致。现对以上各要求作简单 分析【4 】。 如果不满足第一条件，交界区将会产生话音失真。如曲线图2 2 所示。 - l 止 、i f 沙删 。j 0 。i 图2 - 2 不满足第一条件时的话音干扰曲线 其中，m l ，m 2 ：两发射讯号间的调制度指数差值； e 1 ，e 2 ：移动台接收两讯号之间的载波信号差值； 4 等锺千抗效果 5 不存在 4 可察觉 3 讨厌 2 聿常讨厌 l很差 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 2 5 ：解调信号质量。 如果不满足第二条件，交界区将产生话音失真和啸叫声。性能分析曲线如 图2 3 所示。 t - 。 匹 5 巡m 二二， | 1 m ，陆【血】 i 图2 3 不满足第二条件时的话音干扰曲线 其中，e 1 ，e 2 ：移动台接收两讯号间的载波信号差值； t ：移动台接收两讯号间的调变信号时间差值； 等缢千扰靛果 5 不存：匿 可亲觉 3讨厌 2 聿富醴厌 l很麓 2 5 ：解调信号质量。 如果不满足第三条件，交界区将会产生话音失真。分析波形如图2 - 4 所示： 。 人飞 vr v 。v 7 图2 - 4 不满足第三条件时的话音干扰曲线 两个载波叠加时，假设音频调制信号相同但载波有偏差时，接收机将收到 音频与差拍叠加信号( 啸叫声) ，差拍频率等于两个载波频率差，差拍信号幅 度与两个载波场强比成反比。等强区的差拍信号幅度最大。 为满足上述三个条件，实现同频同播必须解决好同频同步发射技术、音频 相位同步技术和接收判选技术。 1 同播基站发射频率的同步 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 传统的常规发射台载频频率稳定度较差，一般为+ - 2 p p m ，对于3 6 0 m h z 的频率可以产生+ - 7 2 0 p p m 的载频频率误差。当两个载波同时进入移动台接收 机时，由于接收机的混频作用，可产生最大1 4 4 0 h z 的差拍干扰信号，这将会 严重影响通话效果。可以通过g p s 接收机，利用卫星g p s 提供的高精度基准时 钟锁定同播基站发射机发射频率，保证各个同播基站发射频率稳定度控制在 + 一0 0 1 p p m 以内，同频载波产生的差拍频率落在接收机音频通带之外。 2 音频相位的同步 由于链路中转台的输出话音信号通过不同的同播基站发射机传送到手持 电台，由于不同路径延时的影响吼在重叠区内的移动台收到的音频信号存在 相位差。可采用卫星g p s 提供的高精度标准时间作为基准，调整各个发射机的 发射音频信号的延时，保证重叠区的音频信号同相。 3 接收信号的判选 基站一般发射功率较大( 2 0 - 4 0 w ) ，架设位置也较高，而移动台( 特别是 手持机) 发射功率较小，所以往往在离基站较远的位置或死角，移动台能够收 到中转台的强信号，但基站只能收到移动台的弱信号，甚至收不到信号，使得 与对方移动台的通讯中断。这就需要在覆盖区内设置多个接收点，并保证在覆 盖区域内移动台发射的信号能够达到基站接收机。由于可能有多个基站接收机 同时收到移动台信号，而且各个接收机接收的信号质量各不相同。因此，同播 基站必须将接收到的信号的场强数据通过链路机送到链路中心站进行判选，根 据各路信号的质量，选出一个较好的信号输出，再送到各同播基站的发射机发 射，从而保证另一方移动台收到的话音是清晰的。 以图2 - 1 为例，假设在同播站1 和同播站2 的交界区域内有手持机a 按下 p t t 要求通话，同播基站1 和同播基站2 同时收到信号，并假设同播站1 收到 的信号好而同播站2 收到的的信号差。若系统不具备判选能力，此时同播站1 将频率为3 5 0 m h z 的好信号转发为3 6 0i v f l - i z ，其覆盖区话音质量好。而同播站 2 转发差的接收信号，其覆盖区话音质量差。同播站1 和同播站2 收到用户信 号的同时将向链路站转发信号( 4 5 0m h z ) ，假如链路站与同播站2 的距离近， 链路站所收到的信号( 4 5 0m h z ) 将与同播站2 的信号一样差，此时，同播站 3 收到差的链路信号( 4 6 0m h z ) 并转发为3 6 0l v l h z 信号，其覆盖区的通话质 量也同样会差。 最终结果是除了同播站l 覆盖区信号良好外，同播站2 和同播站3 覆盖区、 各个同播交界区都将会出现差的通话质量，故在实际设计中需要加入判选功能 来避免这种情况的发生。判选功能可加入到以下两个位置： 各同播站具备判选功能 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 每个同播站可以设置一个场强门限值，当接收到的信号场强高于该值时， 向连路站转发申请。否则认为发起呼叫的手持机离本同播站较远或处于别的同 播站的覆盖范围内，忽略其申请信号。 链路站具备判选功能 链路站在一定时间内接收来自不同同播站的申请信号，比较各申请信号中 携带的手持机场强值，然后选择场强值最大的同播站作为选定同播站，并向下 转发来自该站的语音信号。 2 2 组网实验及系统设计 在项目设计过程中，首先进行了同频同播系统的组网试验，目的在于建立 一个小型同播系统架构，为下一步的硬件和软件设计提供试验平台。 同频同播网由同播站和链路站构成，同播站用于对本小区内手持机的语音 信号进行话音检测、场强提取和向上转发。链路站则主要实现组网控制和话音 广播功能。组网采用k e n w o o d 公司的t k 8 6 8 车载电台作为同播站和链路站 的收发电台，同时采用k e n w o o d 公司的t k - 3 7 8 g 系列对讲机作为手持机， 试验中设计了一个具有单个链路站和两个同播站的小型系统。同播站与链路站 之间采用无线链路连接。 同播站和链路站应包括信令处理和话音处理两部分。信令处理用于同播网 的建立，话音处理部分实现语音检测和传输。经实际信道性能测试，同播站和 链路站之间的信令初步选定2 4 0 0 b p s 的m s k 调制信号传输1 6 】。设计中选用 t k 一8 6 8 电台作为链路站和同播站的信道机。该电台具有1 6 个用户二次开发端 口，经实际测量分别选取c n 4 ( 第四端口) 的d e o ( 接收检测器输出) 、m i ( 外 置话筒输入) 引脚作为控制板的话音信号输入、输出口，以此构成基本的语音 信号通路。再分别选用c n 4 的p t t ( 外置p t t 输入，低活性) 、s q ( 静噪抑 制检测输出) 作为p t t 和b u s y 信号。其中，b u s y 信号为控制板检测信号， b u s y 为高电平表示系统正在通话中；p t t 为控制板对电台的控制信号，p t t 置低时可使能电台发送功能。选用c n 6 ( 第六端口) 的r s s i ( 接收信号场强 提示) 作为电台检测到的场强信号输出。 同播站原理框图设计如图2 5 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 11 丝! 竺苎! s 馨眢嚣。f = i t i i ；i i，t 信道机l 。! 兰! ! ! ! ! 兰! t i t - ml 印h k ( f t 出， l i c 膏f e - - - - - - - - 一 4 2 ： 凹o1 2 竺! ! ：! 兰! ! ! ： 信道机广i 一 t i - m l 一 b l w 图2 - 5 同播站原理框图 同播站由两个信道机和控制电路板构成。工作于3 5 0 3 6 0 m h z 频段下的信 道机用于检测小区内手持机话音信号强弱并进行语音信号转发，工作于 4 5 0 4 6 0 m h z 频段的信道机则用于与链路站进行语音通信和通信信令传输。控 制板由主控单元、信令产生解析单元、话音信令选通单元和m s k 调制解调 单元组成。控制板主要完成对两个信道机的收发控制。主控单元为控制板的核 心，它需要完成对控制板内各个单元的控制和协调，同时实现对信道机p t t 信号的设置、b u s y 信号的监测，从而实现对信道机的收发控制。信令产生 解析单元主要实现在主控单元的控制下对通信协议中信令进行封装和拆包。由 于同播站要在不同时期完成对话音和信令的处理，故在控制板中加入话音信 令选通单元，在不同的情况下完成对信令和话音的分别选通。m s k 调制解调 单元主要完成对通信信令的m s k 调制解调。此外，由于同播系统需要具备场 强判选功能，故还需要控制单元来控制一个模数转换单元，对3 5 0 3 6 0 m h z 电 台的r s s i 信号进行数字化采样。 当3 5 0 3 6 0 m h z 信道机检测到本小区有手持机发出的通话要求后，控制板 从电台r s s i 引脚提取场强信号，经a d 转换后由主控单元控制m s k 调制， 然后由4 5 0 4 6 0 m h z 信道机的m i e 端输入电台，并通过信道机上行发送给链路 站。传送语音信号时，控制板直接从3 5 0 3 6 0 m h z 信道机的s p e a k e r 引脚得到 话音信号，经话音选通单元选通后，由4 5 0 4 6 0 m h z 信道机上行发送。 链路站原理框图设计如图2 - 6 所示。 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 控制板 l ， - i c 蕾謇入 一 - 产令群新麓墨j 。 囊 鬟 4 5 0 4 6 0 bi 鼬, e t k e r ( 膏童0 出 曼 上 信遭机 ，t t 篓 l 而 t l b 6 8 龙豁譬卜 l a m t s y r 图2 6 链路站原理框图 链路站由一台信道机和控制电路板构成，信道机工作在4 5 0 4 6 0 m h z 。控 制板负责通信信令处理和控制话音转发。具体组成与同播站相似，因为它不需 要检测手持机的场强信号，因此没有d 转换单元。为了方便用户对同频同 播系统的设置和管理，控制板还与上位机进行异步串口通信，通过串口接收上 位机的组网命令并实时向上位机返回组网状态。t 图2 5 和图2 - 6 中所示的信道机用于在不同频段下接收和发送数据。信道 机应该包括两台t k 8 6 8 电台，这两个电台工作于不同的频段，分别负责上行 和下行链路的通信。例如，3 5 0 3 6 0 的信道机由工作在3 5 0 m h z 的t k - 8 6 8 电台和工作在3 6 0 m h z 的t k 8 6 8 电台组成。3 5 0 m h 的电台负责接收手持机 的信号，而3 6 0 m h z 的电台负责向手持机发送信号。这样，组成一个链路站两 个同播站的小型同播系统共需要l o 台t k 8 6 8 电台。 2 3 通信协议设计 同频阿播协议应包括同播和组网两个部分，其中同播过程由手持机按下 p t t 发起。手持机所在区域的同播站接收到该申请信号后向链路站提出申请， 此时链路站实现信令判选和话音同播功能。组网过程由用户通过上位机应用软 件发起，每一条命令对应系统中一个同播站的加入。通话中增加了主站向p c 报告状态信令，这样可以在很大程度上减小链路站的工作负荷并且提高组网过 程的可靠性。 2 3 1 同播过程协议 1 申请链路 当手持机按下p t t 之后，同播站收到对讲机的上行信号，同时对场强 ( r s s i ) 信号进行a d 采样并判断。如果信号场强大于接收门限值，则认为 该手持机仅在本小区内部，此时直接向主站发送申请链路命令；否则，认为手 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 持机处于小区边缘，为避免与其他同播站冲突，随机延时一段时间后再向主站 发送申请命令。发送申请后若在5 0 0 m s 内未收到链路站选中同播站的命令则重 发，重发三次仍无应答则认为同播失败。 2 建立链路 当链路站收到同播站发送的申请链路信号之后，延时一段时间，等待其他 收到手持机上行信号的从站发送申请链路命令；然后对接收到的所有同播站申 请信号的场强值进行比较，选择最强的一个；再向所有同播站广播选中的同播 站编号。同播站收到此命令之后，被选中的同播站向主站返回一条应答命令， 此时链路站向p c 发送同播站开始通话信令，并进入话音编码过程。其他同播 站则自动进入解码同播过程。若链路站在2 0 0 m s 内没收到选中- 同播站的应答信 令则重发广播信令，重发三次仍无应答则认为同播失败。 3 拆除链路 当手持机机抬起p t t 之后，同播站检测到b u s y 信号变化，此时停止话 音编码并停止向链路站发送话音数据。链路站和其他从站同样检测b u s y 信号 变化并自动关闭向下发送通道，同时链路站要向p c 机发送通话结束信令。 上述同播链路的建立和拆除过程如图2 7 所示。 对韵【且站2 图2 7 同播过程协议 i o 爿断塔叠 蔓机i 鲥 燃器 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 2 3 2 组网过程协议 1 用户申请 用户通过p c 机控制程序界面向链路站发送重新组网命令。链路站接收到 该命令后先等待当前通话结束，然后向p c 机发送开始组网信令。整个组网过 程完全由p c 主导，链路站只作为收发机。组网过程中引入了一组组网i d ( 数 值为1 - 8 ，循环使用) ，i d 标志出当前是哪一次组网过程，以避免出现两次组 网过程相互干扰的情况。 2 p c 组网 首先用户在上位机程序中手动添加即将加入此次组网的所有同播站编号。 点击“开始组网”按钮后，p c 机首先通过链路站广播选中的同播站1 的编号， 此后等待该同播站返回选中应答信令。所有同播站收到此命令后，首先比较组 网i d ，如果与上次相同，则认为是同一次组网；如果不同则结束同播状态， 仅接收命令。若p c 机在5 0 0 m s 内未收到选中同播站返回的应答信令，就重新 广播，重发三次仍未得到应答则认为该同播站已经发生故障，p c 机将向用户 通告组网失败。若收到同播站应答，则向用户报告同播站1 组网成功，接下来 继续广播参与同播的同播站2 的编号，如此反复直至所有同播站编号均发送完- 毕。收到带有自己编号的同播站立即进入同播状态。 上述的整个组网过程如图2 - 8 所示。 图2 - 8 组网协议 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 2 3 3 通信数据格式定义 同频同播系统通信信令包括同播信令、组网信令以及与p c 机通信信令三 部分，同播信令和组网信令为无线信令，其基本帧格式均为帧起始( 用于数据 同步) 、信令命令( 确定信令类型) 、数据和校验。通过实际无线信道测试，选 用1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 作为帧同步码，实际测量结果表明，信道随机噪声干扰很少出 现该码型，故基本不会产生伪同步现象。命令项一般采用3 b i t 的数据标示，具 体定义如下： # d e f i n ec m d _ r e q0 x 0 1 ， # d e f i n ec m d _ b r o _ n u mo x 0 2 # d e f i n ec m d _ b r o _ a c k0 x 0 6 # d e f i n ec m d _ b l d0 x 0 3 # d e f i n ec m d b l d a c k0 x 0 7 # d e f i n ec m d b l d e n d0 x 0 5 0 x 0 1 为同播站申请命令，0 x 0 2 为链路站广播选中同播站号命令，0 x 0 6 为 同播站应答选中命令，0 x 0 3 为链路站广播参与同播的同播站号命令，0 x 0 7 为 同播站应答广播命令，0 x 0 5 为组网结束命令。 同播建立过程要求建立时延不能超过3 0 0 m s ，为了减少信令长度从而提高 传输速率，信令中没有采用纠错编码，只采用简单的累加和校验。对除去帧同 步的其它信令位进行l 累加，即有一个比特为1 ，累加和加一。这样就构成长 度可变的同播和组网信令。 与p c 机通信信令为有线信令，即通过r s 2 3 2 口与上位机通信。采用 9 6 0 0 b p s 、8 位数据、l 位结束位的标准异步串口传输模式。其帧结构由4 字节 构成。其中第一个字节为帧同步，该值设为0 x 4 2 。第二个字节为命令字节， 其定义如下： # d e f i n ep c _ c m d _ b l d0 x ll # d e f i n ep c c m d a c k0 x 1 2 # d e f i n ep cc m d _ m e mo x 0 2 # d e f i n ep c _ c m d _ s u c0 x 0 7 # d e f i n ep c c m d b e g0 x 0 6 # d e f i n ep c c m d e n d0 x 1 6 0 x l l 为p c 向链路站发送组网开始命令，0 x 1 2 为链路站向p c 返回当前通 话结束并开始组网命令，0 x 0 2 为p c 向链路站发送参与同播的同播站编号命令， 0 x 0 7 为链路站向p c 返回同播站组网成功信息，o x 0 6 为链路站向p c 报告通话 天津大学硕士学位论文第二章同频同播原理及系统设计 开始命令，0 x 1 6 为链路站向p c 报告通话结束命令。 命令字节之后第三字节为数据项，可用于存放同播站编号等信息。最后一 个字节为数据项，可用于存放组网i d 值。 上述的信令格式表示如下： 1 同播信令格式， 1 1 从站申请链路，如表2 1 所示 表2 1 从站申请链路命令格式 l 帧格式帧起始 命令数据1数据2校验 比特 1 1 1 1 1 1 1 1 l l l o0 0 1从站编号场强累加和 i( 0 x f f e )( 0 x 0 1 ) ( 5 b i t ) ( 8 b i t )( 4 b i t ) 注：累加和包括命令、数据l 、数据2 2 1 主站广播选中从站编号，如表2 - 2 所示 表2 - 2 主站广播选中从站编号命令格式 l 帧格式帧起始命令数据校验 比特 1 l l l l l l l l l l oo l o 从站编号累加和 ( 0 x f f d( 0 x 0 2 ) ( 5 b i t )( 3 b i t ) 3 、从站应答主站选中命令，如表2 3 所示 表2 3 从站应答主站选中命令格式 l 帧格式帧起始命令数据校验 比特 1 l l l l l l l l l l ol l o从站编号累加和 ( 0 x f f e )( 0 x 0 6 ) ( 5 b i t ) ( 3 b i t ) 2 组网信令格式 1 1 主站广播参与同播的从站编号，如表2 - 4 所示 表2 - 4 主站广播参与同播的从站编号命令格式 l 帧格式帧起始 命令 数据1 校验数据2 比特 1 l n l l l l l l l o0 1 l 从站编号 累加和组网i d ( 0 x f f d( o x 0 3 ) ( 5 b i t )( 4 b i t )( 3 b i t ) 2 1 从站应答主站组网命令，如表2 - 5 所示 表2 5 从站应答主站组网命令格式 i 帧格式帧起始 命令 数据1 校验数据2 比特 l l l l l l l l l l l 0 1 1 1 从站编号累加和组网i d ( 0 x f f 勘( 0 x 0 7 ) ( 5 b i t )( 4 b i t )( 3 b i t ) 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 3 主站与p c 通信格式 主站只是将p c 下发的命令和从站返回的命令进行格式转换，不需进行信 令解析。 1 ) p c 向主站发送组网开始命令( 不下发) ，如表2 - 6 所示 表2 6p c 向主站发送组网开始命令格式 帧格式帧起始命令数据1数据2 i字节0 x 4 20 x l l 0o 主站向p c 返回当前通话结束，开始组网信息，如表2 7 所示 表2 7 主站向p c 返回当前通话结束并开始组网命令格式 帧格式帧起始命令数据l数据2 i字节 0 x 4 20 x 1 2o0 3 ) p c 向主站发送参与同播从站编号( 格式转换) ，如表2 - 8 所示 表2 - 8p c 向主站发送参与同播从站编号命令格式 帧格式帧起始命令数据1数据2 i字节 0 x 4 2o x 0 2从站编号组网i d l 低5 b i t 有效 低3 b i t 有效 4 1 主站向p c 返回从站组网成功信息( 格式转换) ，如表2 - 9 所示 表2 - 9 主站向p c 返回从站组网成功命令格式 帧格式 帧起始命令数据1数据2 i 字节 0 x 4 2o x 0 7 从站编号组网i d 低5 b i t 有效 k 毛3 b i t 有效l 5 1 主站向p c 报告通话开始信息( 格式转换) ，如表2 l o 所示 表2 1 0 主站向p c 报告通话开始命令格式 帧格式帧起始命令数据1 数据2 |字节 0 x 4 20 x 0 6从站编号 o 1 5 b i t 6 ) 主站向p c 报告通话结束信息，如表2 - 1 1 所示 表2 1 1 主站向p c 报告通话结束命令格式 帧格式 帧起始命令数据l数据2 字节 0 x 4 20 x 1 60o 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章同频同播原理及系统设计 2 4 本章小结 本章首先介绍了同频同播系统的工作原理，然后提出了一个小型同频同播 系统的实现方案，这个系统将作为接下来的研发平台。最后详细介绍了根据同 频同播的原理和要求设计的符合无线同播情况下的系统通信协议和信令格式。 天津大学硕士学位论文 第三章同频同播系统控制电路板硬件设计 第三章同频同播系统控制电路板硬件设计 3 1k e n w o o dt k 8 6 8 电台简介 实际设计中，我们采用了k e n w o o d 公司的t k 8 6 8 车载台作为同播站和 链路站的信道机。首先，对该车载台的特性及开发接口进行简单介绍阴。 t k 8 6 8 为k e n w o o d 公司设计生产u h f 调频车载台，其主要性能指标 如下： 最大通话距离1 5 公里： 信道数目：最大为3 2 个； 信道间隔：1 2 5 k h z , 2 5 k h z ； p l l 步进：5 6 2 5 k h z ； 电源电压：1 3 6 vd c ( ? 5 ) ； 电池工作时间：守候状态时o 4 a 接收时1 0 a 发射时8 o a ； 频率稳定度：? p p m ： 输出功率：2 5 3 5 4 5 w 工作温度：( 3 0 至+ 6 0 ) ； 紧急报警功能 自带计时器 内置c t c s s 内置d t m f 编解码器 k 盼隔，o o dt k 8 6 8 电台如图3 - l 所示。 天津大学硕士学位论文第三章同频同播系统控制电路板硬件设计 图3 - 1k e n w o o dt k 8 6 8 电台 电台上主要按键及功能描述如下图3 - 2 所示。 图3 - 2 电台按键描述 电源开关( p o w e r ) ，按此键可打开或关闭电台； 音量调节键，用于调节电台音量大小： 显示屏； 信道选择键，可以在经销商编程设定的信道内选择需要使用的信道； 话筒插口： 功能键，功能键由经销商编程设定功能。 t k 8 6 8 电台安装和使用十分简单方便。 安装前，首先对其进行检查，包括发射频率、偏差、输出功率等。检查无 误后安装天线，天线应放置在一个宽阔平整的导电区域中心。由于其发射功率 较高，容易对人体造成辐射损伤，故安装时还须注意天线应该与操作人员距离 6 0 c m 以上。该电台只能安装在负极接地的电子系统中，反向极性将导致电缆 保险丝熔断。 天津大学硕士学位论文第三章同频同播系统控制电路板硬件设计 使用时，可以通过电台的液晶显示屏观察音量、频道等信息。控制面板两 旁对应的音量和信道选择按键，用于调整音量的大小和选择频道。电台的项盒 内部有二次开发口。为了便于用户在电台上进行产品二次开发和产品应用， k e n w o o d 公司为t k 8 6 8 开放了部分二次开发接口，主要包括发射接收单元 的c n l c n 8 端e l 、j 5 0 1 控制单元端口和c n l 0 1 ( p l l v c o ) 发射接收单元接r l 。 用户可以根据自己的需要，对这些端口进行应用和二次开发。此外该电台还支 持网口通信，方便用户对其进行编程修改。 3 2a v r 系列单片机a t m e g a l 6 1 简介 同频同播系统控制板的主控单元选用了a v r 系列的a t m e g a l 6 1 单片机实 现。 a v r 单片机是目前最新的单片机系列之一【8 】，具有速度高、片内硬件资源 丰富等优点，可作为真正意义上的单片机使用。它的最大特点是低功耗和高速 度，其掉电方式、闲置方式至工作方式下的耗电约为1 u a 2 5 v a 。该系列单 片机采用现代微处理器流水管线预取指令技术，淘汰了机器周期的概念。它以 时钟周期为指令执行的基本时间单位，每个时钟周期可执行一条指令。时钟频 率通常采用4 m h z 8 m h z ，故最短的指令执行时间为2 5 0 n s 2 5 n s 。在1 2 m h z 频率下，指令的吞吐量为1 2 m i p s ，这是一般m c s 5 1 单片机速度的1 2 倍。a v r 系列单片机内含模拟比较器，与输入捕捉功能配合可进行多种模拟控制和转 换。它借鉴了某些机型的高速输入输出h s i o 和可编程计数阵列p c a 的概念， 实现了本身的输入捕捉、输出比较和脉冲宽度调制输出功能，从而成为脉冲信 号测量、开关量按时控制及某些直流马达调速的得力工具。在软件开发方面， a v r 单片机内含容量不等的闪速程序存储器( f l a s hm e m o r y , 简称f l a s h ) ，可 反复擦写至少1 0 0 0 次，极大地方便了产品开发和软件修改。f l a s h 存储器中的 程序可由p c 机串行下载，亦可在通用写入器上以并行方式写入。 3 2 1 产品特性 a t m e l 公司出品的a