一種GSM固定無線接入設(shè)備的設(shè)計(jì)

GSM固定無線接入(GFRA，GSM Fixcd Radio Access)技術(shù)又稱GSM無線用戶環(huán)路(WLL)，是采用GSM數(shù)字蜂窩技術(shù)替代傳統(tǒng)用戶線來為用戶提供電信業(yè)務(wù)的技術(shù)。GFRA覆蓋范圍的直徑以幾十米、幾百米、幾千米、幾十千米不等，因而應(yīng)用范圍較廣，即可為人口密集的城區(qū)服務(wù)，也可為農(nóng)村和邊遠(yuǎn)山區(qū)服務(wù)。
    
與傳統(tǒng)PSTN接入網(wǎng)相比，GFRA具有以下優(yōu)點(diǎn)。

◇經(jīng)濟(jì)。運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)大大低于有線系統(tǒng)，且成本與距離無關(guān)，這在農(nóng)村及邊遠(yuǎn)地區(qū)尤顯其優(yōu)勢(shì)。
◇能迅速提供業(yè)務(wù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，GFRA在一個(gè)月即可投入使用，而有線接入網(wǎng)則需要6~18個(gè)月的時(shí)間，除此之外，有線接入網(wǎng)還存在占地、城區(qū)人口稠密地區(qū)接線困難和易受到自然災(zāi)害破壞等缺陷。
◇容量大。采用小區(qū)覆蓋，頻率再用等技術(shù)，可擴(kuò)大用戶容量。
◇靈活可變。無需預(yù)測(cè)話務(wù)量，可隨時(shí)按需進(jìn)行變更，擴(kuò)容方便。
◇安全可靠。防盜線，保密性好。

1 GFRA設(shè)備的組成和工作原理

1.1GFRA設(shè)備的組成

GFRA設(shè)備由天線、無線收發(fā)模塊、主控電路、電話控制模塊和充電電池電路組成，如圖1所示。其中，無線收發(fā)模塊完成接入GSM網(wǎng)絡(luò)的工作，相當(dāng)于一部手機(jī)；電話控制模塊主要包括了用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測(cè)和信號(hào)音產(chǎn)生電路，完成電話機(jī)的接入工作；而主控電路實(shí)現(xiàn)了有線電話信號(hào)和GSM電話信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的接續(xù)、控制；充電電池電路為選配部件，是常停電地區(qū)采用的配件，市電不易到達(dá)的地方可配太陽能充電電池。
    
GFRA設(shè)備一端通過天線接入GSM網(wǎng)絡(luò)，另一端通過電話線連接普通的電話終端，如普通電話機(jī)、IC卡電話機(jī)、投幣電話機(jī)等。GFRA設(shè)備相當(dāng)于在普通電話機(jī)和GSM網(wǎng)絡(luò)之間搭起了一座橋梁。

 

1.2 GFRA設(shè)備的工作過程

(1)經(jīng)GFRA設(shè)備的去話過程

①主叫用戶摘機(jī)后，主控電路通過SuC電路檢測(cè)到電話機(jī)摘機(jī)。
②主控電路控制信號(hào)音電路送出撥號(hào)音，同時(shí)開始檢測(cè)主叫用戶的DTMF撥號(hào)。
③收到主叫用戶的DTMF后，主控電路停送撥號(hào)音。
④收完號(hào)碼后，主控電路控制無線收發(fā)模塊以的號(hào)碼向外呼叫，如果被叫空閑，主叫用戶將聽到回鈴音。
⑤被叫摘機(jī)，雙方開始通話。主控電路同時(shí)SLIC電路向電話線送出反極信號(hào)，該信號(hào)可啟動(dòng)IC卡電話機(jī)、投幣電話機(jī)等的計(jì)費(fèi)工作。
⑥如果主控電路檢測(cè)到主叫用戶先掛機(jī)，則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機(jī)命令，通話結(jié)束。
⑦如果主控電路檢測(cè)到被叫用戶先掛機(jī)，則向主叫用戶發(fā)送忙音，并通過SLIC監(jiān)測(cè)主叫掛機(jī)，通話結(jié)束。

(2)經(jīng)GFRA設(shè)備的來話過程

①主控電路收到來自無線收發(fā)模塊的振鈴信號(hào)RING后，通過信號(hào)音產(chǎn)生電路和SuC向本端電話機(jī)振鈴。
②主控電路在產(chǎn)生第一聲振鈴音和第二聲振鈴音之間，送出來電顯示信號(hào)。
③本端電話機(jī)用戶摘機(jī)，雙方開始通話。
④雙方通話結(jié)束的處理同上面的去話過程。

2 硬件設(shè)計(jì)

GFRA設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括電話機(jī)用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測(cè)和信號(hào)音產(chǎn)生電路、MCU和外圍功能電路、GSM模塊電路四大部分。

 

GFRA設(shè)備硬件電路以P89C5lRD+為MCU，通過SPI接口連接外圍功能電路(串行存儲(chǔ)器X5045、DTMF接收和信號(hào)音發(fā)生電路CMX605)，通過CMX605連接SLIC電路STLC3055，MCU通過UART訪問GSM模塊。

2．1 SLIC電路STLC3055

用戶線接口電路SuC是電話通信中的關(guān)鍵器件。本設(shè)計(jì)采用意法半導(dǎo)體公司(ST)近年來推出的全新SLIC芯片STLC3055。這種SLIC不僅能支持多種振鈴信號(hào)，而且電路中省去了諸如振鈴繼電器、鈴流發(fā)生器等許多傳統(tǒng)器件，從而可大大節(jié)省PCB布線空間，降低設(shè)計(jì)成本，并且控制使用也更加方便．STLC3055可以使用單獨(dú)的+12V供電，設(shè)計(jì)和使用都比較方便，其應(yīng)用電路如圖3所示。

 

2．2 MCU和外圍功能電路

MCU及其外圍功能電路如圖4所示。

 

(1)MCU P89051RD

MCU采用Philips的P89C5lRD+，它兼容80C51單片機(jī)，內(nèi)含有64KBFlashROM，1KBRAM，32個(gè)I／O。對(duì)于本設(shè)計(jì)，這些資源就足夠，不用擴(kuò)展外部RAM和I／0。

(2)串行存儲(chǔ)器X5045

X5045用于存放GFRA設(shè)備的非易失工作參數(shù)。同時(shí)，該芯片將看門狗定器、上電復(fù)位控制、壓降管理以及具有塊保護(hù)功能的串行EEPROM這四種功能集成到一體，有助于簡(jiǎn)化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少PCB的占用面積，提高系統(tǒng)可靠性。

(3)實(shí)時(shí)時(shí)鐘DSl302

DSl302是一個(gè)可編程3線SPI串行接口的時(shí)鐘芯片，用來備份系統(tǒng)時(shí)間和數(shù)據(jù)。

2.3 DTMF檢測(cè)和信號(hào)音發(fā)生電路CMX605

本設(shè)計(jì)主要使用CMX605的呼叫進(jìn)程音(450 Hz信號(hào)音和CID FSK)編碼和發(fā)送。以及DTMF的檢測(cè)功能。在MCU的控制下，經(jīng)過CMX605的第9腳，450 Hz呼叫進(jìn)程音被送到STLC3055的第14腳，最后送到AB線上。另外，AB線上DTMF經(jīng)過STLC3055的第20腳，在CMX605的第12腳被接收、檢測(cè)。最后將檢測(cè)到的DTMF編碼通過SPI總線發(fā)送給MCU。

2.4 GSM模塊

GSM模塊采用法國(guó)Wavecom公司的產(chǎn)品，其型號(hào)為WISMO Q2403A。它是一個(gè)功能完整的手機(jī)模塊，MCU通過UART對(duì)它進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸包括短信、CSD、GPRS、GROUP3 CLASS 1和CLASS 2語音等。它的特點(diǎn)是：電路交換數(shù)據(jù)(CSD)、支持語音和GPRS。MCU對(duì)模塊的控制采用的是AT指令，符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM07.07和GSM07.05。

3 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)程序采用C51語言編寫而成。GFRA設(shè)備的程序分為三部分：初始化及自檢模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、去話和來話模塊。

3.1 初始化及自檢模塊

上電后，程序完成對(duì)MCU寄存器和變量的初始化，以及對(duì)外圍功能芯片DSl302、X5045、CMX605的初始化。自檢的內(nèi)容包括：讀取DSl302時(shí)間值，進(jìn)行合法性檢查和時(shí)鐘正常運(yùn)行檢查；對(duì)X5045指定單元寫入數(shù)值，再讀出比較，檢查該芯片的好壞；對(duì)CMX605寄存器進(jìn)行初始化。如果自檢不通過，則點(diǎn)亮LED閃爍告警。

MCU通過輸入AT指令對(duì)Q2403A模塊進(jìn)行初始化，以便進(jìn)行語音通話。主要的指令有：

◆設(shè)置語音參數(shù)。

AT+SPEAKER=1；+VGT=64；+VCR=196〈CR〉

◆設(shè)置來電號(hào)碼廣東省自動(dòng)顯示。

AT+CLIP=l

3.2 參數(shù)設(shè)置及保存模塊

GFRA設(shè)備可以通過外接的電話機(jī)設(shè)置工作參數(shù)。MCU通過CMX605指令讀取DTMF，特殊的D了MF序列用于設(shè)置參數(shù)，并把其中的工作參數(shù)保存到X5045。工作參數(shù)有：音量等級(jí)、音量增減、撥號(hào)前綴、呼叫轉(zhuǎn)移的輔助業(yè)務(wù)設(shè)置等。

3.3 軟件主流程

主流程如圖5所示。MCU把外圍功能芯片與GSM收發(fā)信機(jī)初始化后，處于空閑狀態(tài)，循環(huán)檢測(cè)SLIC和GSM收發(fā)信機(jī)，有電話機(jī)摘機(jī)或GSM來電時(shí)便進(jìn)入語音服務(wù)流程。

 

(1)去話模塊

MCU通過SLIC檢測(cè)到電話機(jī)的摘機(jī)信號(hào)，收到電話機(jī)撥號(hào)(如1860)后，MCU通過UART令GSM收發(fā)信機(jī)在語音模式下?lián)芡瑯拥奶?hào)碼1860，撥號(hào)的AT命令是ATDT1860；對(duì)方摘機(jī)后，MCU將收到OK，然后立即通過SLIC向電話線送反極信號(hào)，提供計(jì)費(fèi)啟動(dòng)信號(hào)，雙方開始通話。
    
如果檢測(cè)到主叫用戶先掛機(jī)，MCU則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機(jī)命令A(yù)TH，通話結(jié)束。如果主控電路檢測(cè)到被叫用戶先掛機(jī)，則向主叫用戶發(fā)送450Hz忙音，并通過SLIC監(jiān)測(cè)主叫掛機(jī)后，通話結(jié)束。

(2)來話模塊

在空閑狀態(tài)下，MCU收到GSM來電(RING)后，通過SLIC向外接電話機(jī)振鈴．同時(shí)提取主叫來電顯示號(hào)碼，并且在第一次和第二次振鈴之間送出滿足電話主叫識(shí)別信息傳送及顯示功能技術(shù)要求的來電顯示信號(hào)，具有來電號(hào)碼顯示的電話機(jī)將在LCD顯示主叫號(hào)碼．本端被叫用戶化摘機(jī)應(yīng)答后，MCU若檢測(cè)到電話摘機(jī)，則向GSM發(fā)應(yīng)答AT命令A(yù)TA，通過SLIC監(jiān)測(cè)通話進(jìn)程至掛機(jī)。

4 GFRA設(shè)備提供的功能

本設(shè)計(jì)中的GFRA設(shè)備提供以下功能：

◆提供一個(gè)RJll接口，通過該有線接口連接所有符合電話線標(biāo)準(zhǔn)的電話終端產(chǎn)品；
◆去話、來電語音呼叫接入；
◆標(biāo)準(zhǔn)電話振鈴信號(hào)輸出，F(xiàn)SK制式來電顯示信號(hào)輸出；
◆提供反極信號(hào)，可以串接計(jì)費(fèi)器；
◆E-GSM900／DCSl800自動(dòng)切換；
◆具有無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)弱顯示；
◆GFRA可以匹配全向吸盤天線和定向天線，提高信號(hào)增益，而且體積小、重量輕安裝靈活方便；
◆提供交、直流兩用電源，可裝在移動(dòng)載體上；
◆停電通話功能，可使用后備充電電池供電，市電斷電后仍可通話。

結(jié) 語

數(shù)字蜂窩無線電話網(wǎng)GSM是目前世界上覆蓋最廣、使用最多的一種移動(dòng)通信網(wǎng)。數(shù)字終端設(shè)備具備了功能多樣化、保密性好、漫游方便、音質(zhì)清晰、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，其技術(shù)先進(jìn)性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍等方面已經(jīng)得到用戶的普遍認(rèn)可。
  
GSM運(yùn)營(yíng)商可以利用已有的GSM網(wǎng)，無需增設(shè)基站等設(shè)備，只需增加固定終端，便可完成固定電話無線接入。GFRA設(shè)備能在GSM蜂窩網(wǎng)覆蓋的范圍內(nèi)，快速經(jīng)濟(jì)地提供固定無線電話通信業(yè)務(wù)。例如，在市內(nèi)構(gòu)建無線公用電話系統(tǒng)，設(shè)立固定電話亭，開展有人值守公用電話業(yè)務(wù)、在公共交通工具上開設(shè)移動(dòng)公話業(yè)務(wù)，可為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商發(fā)掘新的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，增加效益。

GSM固定無線接人設(shè)備還可在高速公路、防汛指揮、山區(qū)防火等場(chǎng)合作為應(yīng)急通信手段。在偏遠(yuǎn)地區(qū)，海島等架設(shè)通信線路困難或不經(jīng)濟(jì)的地方，使用GSM固定電話與外界聯(lián)系是一種迅速、廉價(jià)的解決方法。