（信号与信息处理专业论文）基于gps的基站信息记录设计.pdf

摘要 基于g p s 的基站信息记录设计 作者简介：尚琴，女，19 8 3 年4 月出生，师从于成都理工大学陈金鹰教授， 2 0 0 8 年6 月毕业于成都理工大学信号与信息处理专业，获得工学硕士学位。 摘要 随着社会信息化的不断发展，新兴的g p s 技术不断提高，移动通信技术广 泛普及，两者的结合受到了越来越广泛的应用，特别是在公安系统等特种行业 中。在公安系统侦察过程中，在打击犯罪活动、寻找犯罪信息等方面，一份途 经地点的基站相关参数、经纬度、时间及f 1 期等信息将具有极高的应用价值。 为此，本论文在对g p s 技术和移动通信技术进行分析的基础上，对基于g p s 的g s m c d m a p h s 基站相关信息的采集、处理以及存储进行了初步的研究，并 取得了一定的成果。其主要内容包括： 1 、对g p s 全球定位系统和移动通信系统的特点进行了深入的研究，并提 出将g p s 分别与g s m 、c d m a 以及p h s 通信结合起来，提取基站、经纬度以及时 间同期信息的方案。 2 、设计了实现完成基于g p s 的基站信息采集、处理、存储的硬件电路设 备，该设备主要包含了m c u 电路、g p s 模块电路、g s m c d m a p h s 模块电路以及 相关的外围电路，以提供设备的逻辑功能。 3 、通过m c u 芯片的配置软件设计平台f a s tc h i p 和k e i l 集成开发环境， 用标准c 5 1 语言编写了基站信息记录应用程序，并将处理存储后的数据通过 r s 2 3 2 接口和蓝牙接口导出数据结果分析，达到了准确记录基站相关信息的要 求。 本研究成果完成了基于g p s 的基站信息的采集、处理并存储的设计，对公 安系统侦察工作中信息处理技术的发展、应用及更深入的研究具有较高的应用 价值。 关键字：g p s 基站信息移动通信t r i s c e n de 5 1 2 a b s i r a c i t h e d e s i g no fb a s es t a t i o nr e c o d e r b a s e do ng p s i n t r o d u c t i o no ft h ea u t h o r ：s h a n g q i n ，f e m a l e ，w a sb o mi na p r i l 1 9 8 3 ，w h o s e t u t o rw a sp r o f e s s o rc h e n ji n y i n g s h eg r a d u a t e df t o mc h e n g d uu n i v e r s i t yo f 1 1 e c h n o l o g yi ns i n g a la n di n f b m a t i o np r o c e s s i n gm a j o ra n dw a sg r a n t e dt h e m a s t e rd e g r e ei nj u n e ，2 0 0 8 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i a li n f b n n a t i o n i z a t i o n ，t h ee m e 略i n gg p s t e c h n o l o g ye n h a n c e su n c e a s i n g ly ，t h em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yw i d e l y p o p u l a r j z e s t _ h eu n i o no ft h et w ot e c h n o l o g y h a sb e e na p p l i e dm o r ea n dm o r e w i d e l y ，s p e c i a l l yi np u b l i cs e c u r i t ys y s t e ma n do t h e rs p e c i a lf j e l d s i nt h ed e t e c t i o n o fp u b l i cs e c u r i t ys y s t e m ，t h ei n f b 咖a t i o na b o u tb a s es t a t i o n ，l a t i t u d ea n dl o n g i t u d e a l o n gt h e r o a dw i l lb ee x t r e m e l yh i g h a p p l i e d v a l u ei n a t t a c k i n gc r i m i n a l a c t i v i t y t h e r e f b r ，b a s e o nt h e a n a l y s i s o fg p sa n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o i o g y ，t h ea n i c l eh a sd o n es o m ep r i m a r yr e s e a r c h0 nc o l l e c t i n g ，p r o c e s s j n g a n dm e m o r yt h eg s m c d m p h sb a s es t a t i o ni n f o e m a t i o n ，b a s e do ng p s ( 1 ) r e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t j co fg p st e c h n o l o g ya n dm o b i l e c o n l l l l u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi sd o n ed e e p l y ，p r o p o s e dt h eu n i o no fg p st e c h n o l o g y a n dg s m ，c d m aa sw e l la st h ep h sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ys e p a r a t e l y ， a n d e x t r a c t i n gt h eb a s es t a t i o np a r a m e t e r ，l a t i t u d ea n dl o n g i t u d ea sw e l la st i m ea n dd a t e i n f b n 1 1 a t i o n ( 2 ) t h ee q u i p m e n to fh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u i ti n c l u d i n gm c u c i r c u i t ， g p sc h i pc i r c u i t ，g s m c d m a ，p h sc h i pc i r c u i ta n do t h e r s ，w a sd e s i g n e dt o a c c o m p l i s hc o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n dm e m o r y t h eb a s es t a t i o ni n f o r m a t i o n ，b a s e d o ng p st e c h n o l o g y t h eh a r d w a r ee l e c t r i cc i r c u j tp r o v i d e sv a r i o u sl o g i cc o n t r o l f u n c t i o nf o rt h ee q u i p m e n t ( 3 ) t h ec o n f i g u r a t i o no fm c u w a sc o m p l i e dt h r o u g hf a s tc h i ps o f t w a r e d e s i g np l a t f o 硼a n dk e i li n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a n da p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gw a sa c c o m p l i s h e di ns t a n d a r dc 5 1l a n g u a g e t h er e s u l to fa n a l y s i s w a sm e m o r i e da n dd e r i v e d t h r o u g h r s 2 3 2c o n n e c t i o n0 rb l u e t o o t h c o n n e c t i o n ，w h i c hc a nb ei d e n t i f i e da c c u r a t e l y t h er e s e a r c ha c h i v e m e n th a s a c c o m p l i s h e d t h e d e s i g n o f c o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n ga n dm e m o r yo fb a s es t a t i o ni n f 0 衄a t i o n ，b a s e e do ng p s i t h a sh i g h e ra p p l i e dv a l u ei nt h ed e v e l o p m e n t 、 a p p l i c a t i o na n df i l r t h e rr e s e a r c ho f i n f b n l l a t i o np r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h ed e t e c t i o no f p u b l i cs e c u r i t ys y s t e m 1 【e y w o r d s ：g p s b si n f o e m a t i o nm o b i 】ec o i l l i l l u n i c a t i o n t r i s c e n de 5 1 2 i l 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及取得的 研究成果。掘我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盛都理王太堂或其他教 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谢意。 躲南绣 硎年r 川日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盛都堡王太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盛壑理王太堂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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 扬劈 学位论文作者导师签名： 2 台乞 ) 舯8 年厂月膪日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题提出背景及研究价值 1 1 1 课题提出背景及来源 信息技术的普及和信息技术产品的广泛应用，极大推动了世界和我国国民 经济迅速增长。移动通信作为当前信息产业的热点之一，其特点在于其移动性， 满足了室外工作的需求。同时，随着社会信息化发展的不断深入，新兴的g p s 技术受到越来越广泛的应用，特别是在公安侦察等特种行业。 本课题来源于成都四威电子股份有限公司，是该公司承担某公安局基站信 息记录仪项目开发的一个重要部分。基站i d 相关信息及途经的经纬度、同期 及时间信息的记录，结合后台电子地图的显示，有利于公安系统在实际工作中 的侦察应用。 1 1 2 课题研究价值 社会信息化发展的不断深入，以g p s ( g 1 0 b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 技 术为代表的高精度实时卫星定位技术取代了传统陈旧的定位技术，并与计算机 网络技术、移动通信技术相结合，受到了越来越广泛的应用，特别是在特种行 业的应用。比如，在公安系统中加强公安机动警力的高精度实时监控和指挥调 度，在打击抢劫运钞车、出租车及盗窃车辆等犯罪活动及盗窃车辆寻找方面都 具有良好的应用价值。 同时，随着v l s l ( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t e ) 技术的迅速发展，新 器件的不断涌现，嵌入式系统得到了广泛得应用，通信和控制领域的电路设计 有了相当大的变化。以往常常采用的m p u 加上许多外围芯片，如存储器、i o 扩展、锁存器等，其设计方案都可以被系统级芯片s o c 所取代。以t r i s c e n de 5 微控制芯片为代表的这类微控制器，结合了增强型8 0 3 2 处理器核、可重构逻 辑阵列和a s i c 电路，具有设计灵活、集成度高、可编程、可配置、功耗低和 性价比高的优点，非常适合作为系统控制及接口芯片。 1 2 国内外研究动态 g p s 全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是美国从上世纪7 0 年 代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美元，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海、 陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。 成都理i ：人学硕十学位论文 目前全世界使用的导航定位系统主要是美国的g p s 系统，2 0 0 3 年9 月1 8 同，欧盟和中国草签了中国参与“伽利略”计划的协议。2 0 0 4 年1 0 月9 同， 双方又签署了此项目的技术合作协议。这是世界上第一个基于民用的全球卫星 导航定位系统，在2 0 0 8 年投入运行后，全球的用户将使用多制式的接收机， 获得更多的导航定位卫星的信号。据了解，美国g p s 向国际提供的卫星信号， 只能发现地面大约1 0 米长的物体，而”伽利略”的卫星则能发现1 米长的目标。 这将无形中极大地提高导航定位的精度，这是”伽利略”计划给用户带来的直接 好处。同时，新的导航定位系统的出现，也打破了美国的军事、政治、经济和 技术上的垄断，即使出现g p s 系统瘫痪的情形，还可以用此种系统提供导航定 位服务。 近年来，g p s 定位系统的应用已涵盖了军事、交通、公安、矿产等诸多行 业。在g p s 应用的领域中，卫星定位技术己从单一的卫星导航和授时应用转向 定位导航、数字移动通信、地理信息等全方位的综合应用。现在我国g p s 车辆 定位系统市场已丌始进入规模发展时期，国内现有两百多家企业进行相关产品 的生产和研发。 1 3 本设计主要完成的工作 本论文是基于g p s 的g s m c d m a p h s 基站信息记录的设计，即对定位前端 的研究，实时性强，无需复杂的任务管理，从事的主要研究工作将从以下几个 方面展开： 1 、系统硬件电路设计。主要包含系统电源及其外围电路及p c b 图设计， 系统m c u 及其外围电路及p c b 图设计，g s m 模块、c d m a 模块、p h s 模块、g p s 模块及其接口电路图及p c b 图设计，移位寄存器、蓝牙模块等等其他相关电路 及p c b 图设计。 2 、系统软件程序设计。通过系统参数设置和芯片结构配置后，再由程序 实现具体软件功能。各通信模块及g p s 模块分别采集基站i d 相关数据信息和 定位数据信息，然后将采集的数据处理并存储。在每次存储数据之前，校验数 据以确保正确性，最后将每次保存数据时的始末地址保存在e e p r o m 中以便在 下一次存储之前读出该地址；同时自定义一数据通信协议，确保在需要时读出 系统存储的基于g p s 的各基站相关信息。 3 、软硬件总调试及结果数据分析。首先硬件电路检测与调试，检查电路 的工艺制作以及设计的正确性。然后，通过软件设计丌发环境，对程序仿真检 查软件设计功能的实现。最后，软硬件结合调试，静态定位记录基站相关信息 及结合室外动态定位并记录基站相关信息测试，解析最后记录的数据结果。 2 第1 章引言 1 4 本设计主要成果与创新点 1 4 1 主要研究成果 在本论文的研究中，主要完成了以下研究成果： ( 1 ) 对g p s 技术和g s m c d m a p h s 通信技术进行了深入研究，并实现了将 g p s 技术分别与g s m 、c d m a 及p h s 通信技术相结合的应用。 ( 2 ) 深入研究了t r i s c e n de 5 1 2 芯片的工作特点和性能，并将该技术特 点应用到基站信息记录中，并通过t r i s c e n de 5 1 2 芯片相应的软件设计平台 f a s tc h i p 的设计，满足了系统设计多i 0 配置的需求。 ( 3 ) 设计了一套基于g p s 的基站信息记录设备，在满足课题需求的同时， 也为今后更深入的研究提供了条件。 ( 4 ) 完成了系统软件功能的程序编写，实现了基于g p s 技术的 g s m c d m a p h s 基站相关信息的采集、处理及存储。 ( 5 ) 通过对系统的软、硬件的调试和结果解析，综合系统参数，为进一 步的研究指明了方向。 1 4 2 主要创新点 通过本论文的研究，取得的主要创新点体现在以下两个方面： ( 1 ) 传统的c 5 l 系列单片机可以作为电路设计的处理器，但对于本系统 则采用一种结合增强型8 0 3 2 处理器核、可重构逻辑阵列和a s i c 电路的微控制 器芯片e 5 1 2 ，增强了系统开发的灵活性、减小了传统单片机外接多串口、r a m 等设计的复杂性。 ( 2 ) 采用处理器多串口通信实现g p s c d m a 、g p s g s m ( 其中包含移动g s m 网9 0 0 1 8 0 0 m 和联通g s m 网9 0 0 1 8 0 0 m 频段) 以及g p s p h s 多信息同时实时信 息的采集、处理及存储。 1 5 论文各章内容安排 本论文各章的具体内容安排如下： 第1 章主要介绍了本课题的的提出背景、研究动念和主要研究完成的工 作，指出了该课题的主要研究成果及创新点。 第2 章内容为本课题的理论基础。主要介绍了设备的主要两大核心系统： g p s 全球定位系统和移动通信系统。 第3 章主要先从总体介绍了系统的需求分析和硬件电路设计方案，然后分 3 成都理l ：人学硕+ 学何论文 别介绍了系统硬件的主要电路设计及其p c b 制作。 第4 章阐述了系统软件设计与丌发环境及系统程序的模块化设计思想。 第5 章介绍了系统的软硬件调试及采集的数据解析结果，即本课题的结 果。 4 第2 章总体没计概述 第2 章总体设计概述 基站信息记录设备的总体设计主要通过两大系统构成：g p s 全球定位系统 和移动通信系统。 2 1g p s 全球定位系统 g p s 是全球定位系统的缩写。全球定位系统是一种以无线电为基础的全天 候、高精度、快速卫星定位导航定时测距的先进系统，是为了满足军用和民用 的要求而逐步发展与完善起来的。 2 1 1g p s 定位系统的组成 g p s 全球定位系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星星座；地面控制部分 一地面监控系统；用户设备部分一g p s 信号接收机。 ( 1 ) g p s 卫星星座全球定位系统的空问部分使用2 4 颗高度为2 0 2 万千 米的卫星组成g p s 卫星星座。2 1 颗工作卫星和3 颗在轨备用均为近圆形轨道， 运行周期约为l l 小时5 8 分，分布在6 个轨道面上，轨道倾角为5 5 度。各轨 道面之间相距6 0 度。这种卫星星座分布使得在全球的任何地方、任何时问都 可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形。这就提供 了在时间上连续的全球导航能力。 ( 2 ) 地面监控系统全球定位系统的地面监控部分包括5 个监控站、3 个 注入站和1 个主控站。 监控站为数据自动采集中心，配有双频g p s 接收机、高精度原子钟、环境 数据传感器和计算设备等。监控站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数 据传送至主控站。 主控站设在范登堡空军基地，主控站为系统管理和数据处理中心，它的主 要任务是：利用监测站自身的数据及各监控站的观测数据推算各卫星的星历、 卫星钟差和大气延迟修f 系数；提供全球定位系统的时间基准，并将这些数据 输入到注入站，用于调整偏离轨道的卫星，使之沿预定的轨道运行；启动备用 卫星代替己失效的工作卫星等。 注入站的主要任务是将主控站推算、编制的卫星星历、导航电文和其它控 制指令等注入相应的存储系统，并监测注入信息的正确性。 ( 3 ) g p s 信号接收机g p s 信号接收机的任务是：捕获按一定卫星高度截止 角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号 5 成都理i ：人学硕卜学位论文 进行变换、放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间， 解译出g p s 卫星所发送的导航电文，从而实时地计算出测站的三维位置，甚至 三维速度和时间信息。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两部分。对于测地型接 收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站 上，接收单元置于测站附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也 有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测站点上。 g p s 接收机一般用蓄电池作电源，可同时采用机内、机外两种直流电源。 设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程 中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为r a m 存储器充电，以防止丢失数 据。 2 1 2g p s 定位原理 g p s 的定位是通过若干卫星的位置及接收机离卫星的距离计算用户的位 置的。也就是每一颗卫星连续不断地向g p s 接收机发送可跟踪的唯一编码序 列。g p s 信号接收机可根据收到的编码辨认相关的卫星，进而计算出接收机的 确切位置和准确时间。g p s 信号是g p s 卫星向广大用户发送的用于导航定位的 已调波。其信息内容包括各空间卫星的识别标志、精密铷原子钟的标准时间信 号和空间卫星自身的轨道参数。卫星发射两个载波频率，l 1 = 1 5 7 5 4 2 m h z ，l 2 = 1 2 2 7 6 洲z ，在l 1 载波上调制有1 0 2 3 m h z 的伪随机噪声码，称为粗捕获码， 又称为标准定位信号s p s 或c a 码，还有1 0 2 3 删z 的伪随机噪声码，称为精 码，又称为精确定位信号p p s 或p 码，以及5 0 b s 的导航电文。在l 2 载波上 只调制有p 码和导航电文。 g p s 卫星定定位导航系统采用多星高轨测距体制，以距离作为基本观测 量。卫星发射的l 1 载波和伪随机噪声码都与卫星时钟同步，经过一定的传播 延迟后，被接收机接收。接收机将接收到的信号调解，得到延迟后的伪随机噪 声码，它与接收机本身产生的伪随机噪声码相比较，即可确定两个码之间的相 ，、，、 对位移，即传播延迟t ，由t 即可确定卫星恤- ，y - ，z - j 与接收机协o ，y o ，z dj 之间的 距离“12 乙，则有 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中，z l ，y l ，z 1 是未知量，z o 和距离丁是已知量。 如果接收机能同时测出距3 颗卫星的距离，便有3 个这样的方程，从而可以联 力3 个方程式求解出接收机所在位置坐标。 6 第2 章总体设计概述 但是，由于用户接收机一般不太可能有十分准确的时钟，因此所测得的卫 星信号在空问的传播时间是不准确的，因而算出的距卫星距离也不准确，该距 离被称为伪距。然而，在接收卫星信号的瞬问，接收机与卫星导航系统所用的 时钟的时间差应该是在一个定值丁，于是式( 2 一1 ) 改写为 r = ( 工。一) 2 + ( y 。一y 。) 2 + ( 乙一气) 2 + 丁c 协) 、 式中c 一一电波传播速度 显然，只要接收机能同时测出4 颗卫星的距离，便有4 个这样的方程式， 从而可以联立4 个方程式求解接收机所在位置的坐标和时间差，即可以确定接 收机位置并且知道准确的时间。知道了用户在不同时问的准确三维位置，用三 维位置除以所经过的时问，即可求解出用户的三维运动速度。 2 1 3g p s 全球定位系统的特点 g p s 全球定位系统的主要特点有： ( 1 ) 全球地面连续覆盖。由于g p s 卫星数目较多且分布合理，所以地球 上任何地点均可连续同步地观测待至少4 颗卫星。从而保障了全球、全天候连 续导航与定位的需要。 ( 2 ) 功能多、精度高。g p s 可为各类用户连续地提供动态目标的三维位 置、三维速度和时间信息。一般而言，采用差分g p s 技术目前其单点实时定位 精度可达5 m 1 0 m ，静态相对定位精度可达l 0 1 p p m ，测速精度为0 1 m s ， 而测时精度约为数十纳秒。 ( 3 ) 实时定位、速度快。利用g p s 技术进行一次定位和测速工作，一秒 至数秒内便可完成，现在最快的g p s 接收机一次定位时间为半秒钟。 ( 4 ) 抗干扰性好、保密性强。由于g p s 系统采用了伪随机噪声码技术。 因而g p s 技术卫星所发送的信息具有良好的抗干扰性和保密性。 基于以上特点，g p s 系统得到了广泛的认同，无论军用还是民用，无论是 陆地还是空中乃至海洋，无论是对静念目标还是对动态目标，g p s 系统都有极 大的应用价值和应用自仃景。 2 2g s m 、c d m a 、p h s 通信系统 2 2 1g s m 通信系统 g s m 移动通信系统是基于t d m a 的数字蜂窝移动通信系统。g s m 是世界上第 一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统。欧洲各国为了建立 全欧统一的数字蜂窝通信系统，在1 9 8 2 年成立了移动通信特别小组( g s m ) ，提 7 成都理i ：人学硕十学位论文 出了开发数字蜂窝通信系统的目标。1 9 8 6 年，欧洲有关国家在进行大量研究、 实验、现场测试、比较论证的基础上，于1 9 8 8 年制定出g s m 标准，并于1 9 9 1 年率先投入商用，随后在整个欧洲、大洋洲以及其它许多的国家和地区得到了 广泛普及，成为目f j 仃覆盖面最大、用户数最多的蜂窝移动通信系统。 g s m 移动通信系统是一种典型的基于t d m a 的数字蜂窝移动通信系统，g s m 系统总体结构由以下功能单元组成： 1 、移动台( m s ) ：它包括移动设备( m e ) 和用户谚! 别模块( s l m ) 。根据业务的 状况，移动设备可包括移动终端( m t ) ，终端适配功能( t a f ) 和终端没备( t e ) 等 功能部件。 2 、基站子系统( b s s ) 1 ) 基站控制器( b s c ) ：具有对一个或多个b t s 进行控制以及相应呼叫控制的 功能，b s c 以及相应的b t s 组成了b s s ( 基站子系统) 。b s s 是在一定的无线覆 盖区中，由移动j 止务交换中心( m s c ) 控制，与m s 进行通信的系统设备。 2 ) 基站发信台( b t s ) ：受控于基站控制器( b s c ) ，属于基站子系统( b s s ) 的无 线部分，服务于某小区的无线收发信设备，实现b t s 与移动台( m s ) 空中接口的 功能。b t s 主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。基带单元主要用 于话音和数据速率适配以及信道编码等；载频单元主要用于调制解调与发射 机接收机间的耦合；控制单元则用于b t s 的操作与维护。b t s 中存储编码算 法a 5 和密钥k c ，用于解密接收到的密文形式的用户数据和信令数据( 包括解 密) 。 3 、网络子系统( n s s ) 1 ) 移动业务交换中心( m s c ) ：对于位于它管辖区域中的移动台进行控制、交 换的功能实体。 2 ) 拜访位置寄存器( v l r ) ：m s c 为所管辖区域中m s 的呼叫接续，所需检索 信息的数据库。v l r 存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处 位置区的识别，向用户提供的服务等参数。 3 ) 归属位置寄存器( h l r ) ：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动 用户都应在其归属位置寄存器注册登记。h l r 主要存储两类信息，有关用户的 参数和有关用户目日仃所处位置的信息。 4 ) 设备识别寄存器( e i r ) ：存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对 移动设备的识别、监视、闭锁等功能。 5 ) 鉴权中心( a u c ) ：认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数( 随机数 r a n d ，符号响应s r e s ，密钥k c ) 的功能实体。 4 、操作支持子系统( o s s ) 8 第2 章总体设计概述 操作维护系统中的各功能实体。依据厂家的实现方式可分为无线子系统的 操作维护中心( o m c r ) 和交换子系统的操作维护中心( o m c s ) 。 g s m 系统可通过m s c 实现与多种网络的互通，包括p s t n 、i s d n 、p l m n 和 p s p d n 。 2 2 2c d m a 通信系统 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是 在数字技术的分支一扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信 技术。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信 息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号 的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码， 与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解 扩，以实现信息通信。 c d m a 通信系统采用先进的扩频技术，实现了码分多址的应用系统。当自订 商用c d m a 系统空中接口标准为i s 一9 5 ，提供1 2 3 m h z 的无线载频间隔；为防 止干扰，不同的用户分配不同的无线信道( 频率) 或同一信道内的不同码：相 同的无线信道能在相邻小区或扇面使用；每扇面的话务容量为软容量，不受频 率或收发信机数量的严格限制。 c d m a 系统中通过在给定时间内传送不同的码来区分不同的基站，即基站 传送不同时问偏移的同一伪随机码。为了确保时间偏移的正确性，c d m a 基站 必须对公共时间参考点保持同步。c d m a 系统借助全球定位系统( g p s ) 提供精 确同步，在当前的技术手段下，g p s 是保证其达到预期频谱效率的最后的同步 手段。 c d m a 是一种扩频技术，它将包含有用信息的信号扩展成较大的宽带，通 过接收端的解调压缩来获取极大的信号增益和较高的信噪比。 c d m a 系统能够使移动台同时与两个或多个基站通信以实现小区间无缝切 换，话音信道为先接后断，大大减少了掉话率。只有l u c e n t 真币做到交换机 之间，交换机之内所有基站实现全程软切换。 c d m a 保持设定的话音质量，误帧率，同时获得最大频谱效率手段。设定 和控制反向e b n o 以控制误帧数量；尽量减低手机发射功率( 反向) ；尽量减 低基站发射功率( 前向) ；提供方法使运营者可以平衡系统容量与话音质量的 需要。 c d m a 追求更高的频谱效率和更好的通信质量，是推动一切无线蜂窝技术 前进的根本之内在驱动力，从f d m a 到t d m a ，再到c d m a ，直至要实现的第三代 系统一宽带c d m a 。 9 成都理l ：人学硕十学何论文 2 2 3p h s 通信系统 p h s ( 即p e r s o n a lh a n d yp h o n es y s t e m 个人便携电话系统) 是一种无线 通讯技术，国内简称“小灵通”。其采用t d m a 编码，3 2 位a d p c m 传输方式， p h s 系统中一个载频分为8 个时隙。其工作频率为：1 8 9 5 1 9 1 8 洲z ，频率i 日j 隔3 0 0 k h z 。 p h s 系统的频率利用率较高，因此系统容量大，降低了移动台发射功率， 延长了电池使用时间。p h s 系统采用动态信道分配( d c a ) 技术，支持手机自 动漫游，越区切换，可自动完成鉴权和加密，电话的保密性和防盗打能力大大 提高，支持移动速度达4 0 k m h 。p h s 系统价格低廉，可以在交换设备上增加新 的功能。p h s 系统终端为移动台和手机，不仅能传输话音，而且在数据传输方 面p h s 有着其它无线产品所无法比拟的优势。此外，它的发射功率平均只有 1 0 m w 和其它系统相比优势明显，是市话网业务的良好补充而越来越受到重视。 2 3 本章小结 基站信息记录设备主要通过g p s 全球定位系统采集经纬度地理信息，g s m 网络覆盖的基站相关信息( 其中包括移动g s m 网络和联通g s m 网络) ，c d m a 网络覆盖的基站相关信息以及p h s 网络覆盖的基站相关信息。 本章内容作为本课题的主要理论基础和依据，主要从介绍了基站信息记录 设备的主要两大核心系统： 1 、g p s 全球定位系统。内容介绍了g p s 全球定位系统的组成、g p s 全球定 位原理及其定位系统的特点。 2 、移动通信系统，移动通信系统又包括：g s m 通信系统、c d m a 通信系统 和p h s 通信系统。内容简要介绍了g s m 通信系统、c d m a 通信系统和p h s 通信 系统的组成和特点。 1 0 第3 章系统电路设计 第3 章系统电路设计 3 1 系统电路设计总方案 在基站信息记录设备中，m c u 、g p s 及六个通信模块及其s i m u i m 卡插槽 为整个系统的主要数据处理单元。 基站信息记录设备必须满足时i 日j 只期、经纬度以及基站信息数据采集、处 理并保存的需求，同时通过不同指示灯和开关指示各模块不同的工作状态。时 间同期以及经纬度数据是通过g p s 模块定位采集定位数据获得，而基站信息及 其相关数据则通过g s m c d m a ，7 p h s 通信模块采集获得，数据通过控制器处理后 保存在存储器中，指示灯不同的闪烁状态通过移位寄存器控制。除此，设备还 可与p c 机串口通过r s 2 3 2 端口或蓝牙端口分别进行通信。 基站信息记录设备的硬件主要划分为以下几个部分：g p s 接收机、4 个g s m 通信模块、c d m a 通信模块、p h s 通信模块、m c u 控制器、内部存储器f l a s h 、 移位寄存器、外接通信口( r s 一2 3 2 或蓝牙接口) 以及电源等的电路设计。基 站信息采集设备的结构框图如图3 1 所示： 图3 1 基站信息采集设备结构 3 2m c u 控制器电路设计 3 2 1t ris c e n de 5 微控制器电路设计 随着v l s 技术的迅速发展，新器件的不断涌现，嵌入式系统得到了广泛的 应用，通信和控制领域的电路设计有了相当大的变化。以往常常采用的m p u 成都理l ：人学硕十学位论文 加上许多的外围芯片，如存储器、工0 扩展、锁存器等设计方案可以被系统级 芯片s o c 所取代。这类芯片具有设计灵活、集成度高、可编程、可配置、功耗 低和性价比高的优点。因此，非常适合作为通信系统的控制及接口芯片。美国 t r i s c e n d 公司e 5 系列微处理器将微处理器、a s i c 器件和可重构逻辑器件结合， 取三家之长，补各家之短成为计算机体系结构研究的新领域。 1 t r is c e n ds ( ) ce 5 系列芯片简介 t r i s c e n d 公司的e 5 系列芯片是完全可配置的系统级芯片( s o c ) 。e 在单 芯片罩集成了高性能的1 0 m i p s 的通用8 0 5 1 2 内核，片内拥有最多6 4 k 内存， 最多3 2 0 0 个系统配置逻辑c s l ( 相当于4 0 0 0 0 门的f p g a ) ，一条高性能的3 2 位专用内部总线，支持高级系统调试功能，并且拥有3 3 5 v 兼容的输入输出 端口。因此，e 5 1 2 芯片是高集成的，特别适：直嵌入系统应用的单片器件。e 5 系列的芯片都捐j 有相同的微控制器和专用资源，唯一的区别在于可编程输入输 出口数目和可配置逻辑门的数量及系统内存大小。 在基站信息记录设备中，由于涉及g p s 定位信息i 0 口，6 个通信模块i o 口，蓝牙i o 口以及与p c 机相通信的串行1 0 口等i o 口，所以采用e 5 系列 中e 5 1 2 芯片，该芯片最多可拥有1 8 8 输入输出口，1 1 5 2 可配置逻辑门。 其内部模块结构如图3 2 所示： b u 当 a r b l i e r 7 oe x 鲍，n 刖m e m o w ，b r ，t f a f j 2 盈f o na ，l d c d d e5 o ，a 口口 m e m o r y n t e r f a c eu n n 雪冈 冒寓 回刨 a d d r e s s m a p p e r s 一 t w o h c ha n n e i d m ac o n 盯o l i e 扩 c o n 疗g u r a 6 ，es y s c e ，玎 仃6 e ，c o n ，1 e c j b ，s s o c c e f 图3 2e 5 1 2 内部模块结构图 2 e 5 1 2 的特点及体系结构 尉s c e n de 5 1 2 的主要特点有以下几点： 1 2 啪一mmmmmm一；一m 侧甚 勰；i； 一一一一一圈 国圈圈 萼 第3 章系统电路设计 它是工业界第一个完整的可重构片上系统( c s o c ) ； 它的主控制器是一个增强型的8 0 3 2 微控制器，与工业界标准的8 0 3 2 8 0 5 1 微控制器在指令集上兼容； 它包含一个嵌入式可重构系统逻辑矩阵( c s l ) ； 拥有一个高性能的内部系统总线( c s i ) ，连接微控制器、系统存储器和可 重构系统逻辑矩阵： 拥有最多的3 1 5 个用户可编程i o 端口，用作微控制器、片内专用外设和 可重构逻辑矩阵与外部电路的接口； 增加了一个存储器接口单位( m i u ) ，负责连接外部的存储器，也可以作 为访问外部设备的接口。 t r i s c e n de 5 1 2 的体系结构主要是8 0 3 2 增强型微控制器、可重构系统逻辑 矩阵、内部系统总线、在片i 乙州和可编程i o 端口以及一些专用外设部件。 ( 1 ) e 5 1 2 的增强型8 0 3 2 微控制器 e 5 1 2 的核心部件是一个增强的8 0 3 2 微控制器，它与业界标的8 0 3 2 8 0 5 1 微控制器在指令集上兼容，使得以前为8 0 3 2 8 0 5 1 编写的软件不经过修改就可 以在e 5 1 2 上执行，比如，e 5 中的u a r t 是原来u a r t 的超集：e 5 包含3 个 1 6 为时钟和一个看门狗时钟；在中断方面，e 5 中断源和中断矢量的个数也比 原来有所增减。另外，原来8 0 3 2 有4 个8 位的i 0 端口，而e 5 中的微控制器 实际上可以拥有多达3 1 5 个i o 端口。 ( 2 ) e 5 1 2 中的可重构逻辑阵列( c s l ) 可重构逻辑矩阵是e 5 1 2 的特色。它作为一个虚拟的外部设备，最多包含 3 2 0 0 个可重构论及单元、相当于f p g a 的4 0 0 0 0 逻辑门。可重构逻辑阵列可 以根据用户的需要，实现逻辑、算术、存储、时序等多种外设的功能。用户可 以自己利用开发工具涉及这些“虚拟外设 ，也可以调用t r i s c e n d 公司提供的 “软模块”库中的电路。在保证性能的同时大大增加了t 5 的通用性，使得e 5 可以适应各种嵌入式应用环境。 ( 3 ) e 5 1 2 的可重构系统互联总线( c s i ) e 5 1 2 中的可重构系统互联总线，简称c s i 。在设计时独立于8 0 3 2 微控制 器，可以适应今后t r i s c e n d 产品的升级，其中的s o c k e t 部分负责与可重构逻 辑矩阵接口。有了s o c k e t ，就给可重构逻辑矩阵中的“软模块”提供了一个统 一的与外界接口的界面，一方面降低了可重构逻辑矩阵中“软模块的复杂度， 另一方面也提高了系统的可靠性，同时也节省了宝贵的可重构硬件资源。 c s i s o c k e t 由8 位读数据线、8 位写数据线、3 2 位地址线、一组片选信号线、 d m a 应答信号、总线时钟信号、等待状态和硬件断点的控制和检测信号线组 成。 c s i 有一个总线仲裁结构、支持多个总线主设备。微控制器、d m a 控制 1 3 成都理l ：人学硕十学位论文 器、j t a g 和m i u 都可以作为c s i 的主设备。c s l 通过d m a 控制器作代理也 可以控制c s i 总线。 ( 4 ) e 5 1 2 的d m a 控制器 e 5 1 2 的d m a 有两路独立的通道和一组分布式的d m a 控制寄存器，负责 存储器与外设之问的数据传输。每个外设( 包括c s l ) 与一个d m a 控制寄存