一種GSM固定無線接入設(shè)備的設(shè)計

摘 要 GSM固定無線接入設(shè)備是一種將有線電話終端接入GSM網(wǎng)絡(luò)，從而完成語音通信的設(shè)備，它在普通電話機和GSM網(wǎng)絡(luò)之間搭起一座橋梁。本文介紹一種GSM固定無線接入設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并且給出硬件和軟件的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞 GSM 固定無線接入 無線本地環(huán)路 GSM模塊 電話機

　　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。
　　◇經(jīng)濟。運營維護費大大低于有線系統(tǒng)，且成本與距離無關(guān)，這在農(nóng)村及邊遠地區(qū)尤顯其優(yōu)勢。
　　◇能迅速提供業(yè)務(wù)。據(jù)統(tǒng)計，GFRA在一個月即可投入使用，而有線接入網(wǎng)則需要6~18個月的時間，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)，可擴大用戶容量。
　　◇靈活可變。無需預(yù)測話務(wù)量，可隨時按需進行變更，擴容方便。
　　◇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；電話控制模塊主要包括了用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產(chǎn)生電路，完成電話機的接入工作；而主控電路實現(xiàn)了有線電話信號和GSM電話信號相互轉(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、IC卡電話機、投幣電話機等。GFRA設(shè)備相當(dāng)于在普通電話機和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
　�、僦鹘杏脩粽獧C后，主控電路通過SuC電路檢測到電話機摘機。
　　②主控電路控制信號音電路送出撥號音，同時開始檢測主叫用戶的DTMF撥號。
　�、凼盏街鹘杏脩舻腄TMF后，主控電路停送撥號音。
　�、苁胀晏柎a后，主控電路控制無線收發(fā)模塊以的號碼向外呼叫，如果被叫空閑，主叫用戶將聽到回鈴音。
　�、荼唤姓獧C，雙方開始通話。主控電路同時SLIC電路向電話線送出反極信號，該信號可啟動IC卡電話機、投幣電話機等的計費工作。
　�、奕绻�主控電路檢測到主叫用戶先掛機，則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令，通話結(jié)束。
　�、呷绻�主控電路檢測到被叫用戶先掛機，則向主叫用戶發(fā)送忙音，并通過SLIC監(jiān)測主叫掛機，通話結(jié)束。

(2)經(jīng)GFRA設(shè)備的來話過程
　�、僦骺仉娐肥盏絹碜詿o線收發(fā)模塊的振鈴信號RING后，通過信號音產(chǎn)生電路和SuC向本端電話機振鈴。
　�、谥骺仉娐吩诋a(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。
　�、郾径穗娫挋C用戶摘機，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
　　GFRA設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，包括電話機用戶線接口電路(SLIC)、DTMF檢測和信號音產(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(串行存儲器X5045、DTMF接收和信號音發(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，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)計成本，并且控制使用也更加方便．STLC3055可以使用單獨的+12V供電，設(shè)計和使用都比較方便，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，內(nèi)含有64KBFlashROM，1KBRAM，32個I／O。對于本設(shè)計，這些資源就足夠，不用擴展外部RAM和I／0。

(2)串行存儲器X5045
　　X5045用于存放GFRA設(shè)備的非易失工作參數(shù)。同時，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功能的串行EEPROM這四種功能集成到一體，有助于簡化應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，減少PCB的占用面積，提高系統(tǒng)可靠性。

(3)實時時鐘DSl302
　　DSl302是一個可編程3線SPI串行接口的時鐘芯片，用來備份系統(tǒng)時間和數(shù)據(jù)。

2.3 DTMF檢測和信號音發(fā)生電路CMX605
　　本設(shè)計主要使用CMX605的呼叫進程音(450 Hz信號音和CID FSK)編碼和發(fā)送。以及DTMF的檢測功能。在MCU的控制下，經(jīng)過CMX605的第9腳，450 Hz呼叫進程音被送到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。最后將檢測到的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Wavecom公司的產(chǎn)品，其型號為WISMO Q2403A。它是一個功能完整的手機模塊，MCU通過UART對它進行控制和數(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。它的特點是：電路交換數(shù)據(jù)(CSD)、支持語音和GPRS。MCU對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
　　本設(shè)計程序采用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MCU寄存器和變量的初始化，以及對外圍功能芯片DSl302、X5045、CMX605的初始化。自檢的內(nèi)容包括：讀取DSl302時間值，進行合法性檢查和時鐘正常運行檢查；對X5045指定單元寫入數(shù)值，再讀出比較，檢查該芯片的好壞；對CMX605寄存器進行初始化。如果自檢不通過，則點亮LED閃爍告警。
　　MCU通過輸入AT指令對Q2403A模塊進行初始化，以便進行語音通話。主要的指令有：
　　◆設(shè)置語音參數(shù)。
　　AT+SPEAKER=1；+VGT=64；+VCR=196〈CR〉
　　◆設(shè)置來電號碼廣東省自動顯示。
　　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、音量增減、撥號前綴、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)信機初始化后，處于空閑狀態(tài)，循環(huán)檢測SLIC和GSM收發(fā)信機，有電話機摘機或GSM來電時便進入語音服務(wù)流程。



(1)去話模塊
　　MCU通過SLIC檢測到電話機的摘機信號，收到電話機撥號(如1860)后，MCU通過UART令GSM收發(fā)信機在語音模式下?lián)芡瑯拥奶柎a1860，撥號的AT命令是ATDT1860；對方摘機后，MCU將收到OK，然后立即通過SLIC向電話線送反極信號，提供計費啟動信號，雙方開始通話。
　　
　　如果檢測到主叫用戶先掛機，MCU則向無線收發(fā)模塊發(fā)出掛機命令A(yù)TH，通話結(jié)束。如果主控電路檢測到被叫用戶先掛機，則向主叫用戶發(fā)送450Hz忙音，并通過SLIC監(jiān)測主叫掛機后，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向外接電話機振鈴．同時提取主叫來電顯示號碼，并且在第一次和第二次振鈴之間送出滿足電話主叫識別信息傳送及顯示功能技術(shù)要求的來電顯示信號，具有來電號碼顯示的電話機將在LCD顯示主叫號碼．本端被叫用戶化摘機應(yīng)答后，MCU若檢測到電話摘機，則向GSM發(fā)應(yīng)答AT命令A(yù)TA，通過SLIC監(jiān)測通話進程至掛機。

4 GFRA設(shè)備提供的功能
　　本設(shè)計中的GFRA設(shè)備提供以下功能：
　　◆提供一個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)電話振鈴信號輸出，F(xiàn)SK制式來電顯示信號輸出；
　　◆提供反極信號，可以串接計費器；
　　◆E-GSM900／DCSl800自動切換；
　　◆具有無線網(wǎng)絡(luò)信號強弱顯示；
　　◆GFRA可以匹配全向吸盤天線和定向天線，提高信號增益，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，其技術(shù)先進性、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運營商可以利用已有的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)移動公話業(yè)務(wù)，可為移動運營商發(fā)掘新的業(yè)務(wù)增長點，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)防火等場合作為應(yīng)急通信手段。在偏遠地區(qū)，海島等架設(shè)通信線路困難或不經(jīng)濟的地方，使用GSM固定電話與外界聯(lián)系是一種迅速、廉價的解決方法。