中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張旭輝，董恩成，陳增吉

（1.哈爾濱理工大學(xué) 黑龍江 哈爾濱 150080；2.華電能源哈爾濱第三發(fā)電廠 黑龍江 哈爾濱 150024）

中國(guó)移動(dòng)多媒體廣播（CMMB）是我國(guó)自主研發(fā)的、具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的移動(dòng)多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)。目前，全國(guó)各大城市的CMMB網(wǎng)絡(luò)正在建設(shè)和完善當(dāng)中，而CMMB信號(hào)的覆蓋測(cè)試為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和調(diào)整提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)[1]。數(shù)字電視廣播網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期復(fù)雜的過(guò)程，需要經(jīng)過(guò)不斷地調(diào)整和優(yōu)化才能達(dá)到一個(gè)理想的效果。而只有有效、精確的網(wǎng)絡(luò)覆蓋測(cè)試才能為調(diào)整、優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。一個(gè)成熟穩(wěn)定的CMMB網(wǎng)絡(luò)覆蓋測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)于CMMB的發(fā)展具有重大意義[2]。因此，有必要設(shè)計(jì)一款針對(duì)CMMB網(wǎng)絡(luò)的覆蓋測(cè)試系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)基于高性能單片機(jī)STM32和GPRS無(wú)線通信方案實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試點(diǎn)CMMB網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并利用GPS接收器將測(cè)試終端的地理位子信息上傳到服務(wù)器端，完成了對(duì)監(jiān)測(cè)終端的精準(zhǔn)定位。

終端板卡供電方式采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)，保障其在無(wú)電源和人員看守的情況下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。最后通過(guò)綜合測(cè)試，能實(shí)現(xiàn)所有要求的功能，完全滿足本次設(shè)計(jì)的要求。

1 測(cè)試需求分析

為了對(duì)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息監(jiān)測(cè)，需要做好以下幾點(diǎn)。測(cè)試地點(diǎn)的地理位置，包括經(jīng)度、緯度，至少每秒統(tǒng)計(jì)一次；終端板卡供電蓄電池電量實(shí)時(shí)更新；8 M信號(hào)帶寬內(nèi)的平均功率，單位為dBm，每秒統(tǒng)計(jì)一次，測(cè)量精度達(dá)到±1 dBm；CMMB信號(hào)解碼LDPC誤包率、RS誤包率，每秒統(tǒng)計(jì)一次；服務(wù)器端可以隨時(shí)更改信息上報(bào)時(shí)間間隔，并能對(duì)終端調(diào)諧器、解調(diào)器配置參數(shù)進(jìn)行更改，以適應(yīng)不同地區(qū)解調(diào)參數(shù)的不同。

2 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為測(cè)試終端和服務(wù)器端，服務(wù)器端只需要一臺(tái)性能良好的個(gè)人計(jì)算機(jī)，而測(cè)試終端主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：射頻前端模塊模塊、功率測(cè)量與存儲(chǔ)模塊、GPS接收器、太陽(yáng)能供電模塊、處理器模塊及GPRS無(wú)線通信模塊。各個(gè)模塊主要是通過(guò)STM32微處理器的GPIO口連接與通信。處理器需要對(duì)射頻前端的調(diào)諧器和解調(diào)器進(jìn)行調(diào)諧頻道和解調(diào)參數(shù)設(shè)置，并對(duì)RS誤包率、LDPC誤包率等信息進(jìn)行讀取。CMMB信號(hào)調(diào)諧器主要是對(duì)從天線接收的高頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧輸出中頻信號(hào)；CMMB調(diào)諧解調(diào)模塊主要是對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和信道解碼；功率的測(cè)量與存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)將信號(hào)功率轉(zhuǎn)換為電平信號(hào)送給STM32的ADC和將系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)，GPS接收器用于獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位子信息，最后處理器通過(guò)GPRS無(wú)線模塊將信息發(fā)送至服務(wù)器端并從服務(wù)器接收控制命令。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CMMB網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the CMMB network monitoring system

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 射頻前端模塊

射頻前端模塊包括調(diào)諧單元和解調(diào)單元。

本系統(tǒng)中RF射頻信號(hào)的調(diào)諧模塊采用MXL5007，芯片能夠通過(guò)天線或有線接收從44～885 MHz連續(xù)頻段信號(hào)，并將輸入的RF射頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)諧輸出4～44 MHz的中頻信號(hào)；此芯片還具有對(duì)原始的RF射頻信號(hào)無(wú)損耗的環(huán)出功能，這使得芯片再輸出中頻信號(hào)給功率測(cè)量模塊的同時(shí)，還能無(wú)損耗的環(huán)出一路CMMB信號(hào)到后級(jí)的解調(diào)模塊，是本系統(tǒng)調(diào)諧器的理想選擇[4]。

調(diào)諧解調(diào)模塊選用了創(chuàng)毅視訊公司的IF206型號(hào)的芯片，IF206芯片支持CMMB廣播信道標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)用標(biāo)準(zhǔn)；可同時(shí)接收衛(wèi)星信號(hào)和地面信號(hào)；低功耗、低成本、對(duì)前端后端設(shè)備無(wú)特殊要求。

3.2 GPRS無(wú)線通信模塊

本系統(tǒng)選用GPRS無(wú)線通信方案[4]，采用Fibocom的G600模塊，支持Dual 900/1800或850/1900雙頻。G600模塊外觀小巧，功耗低，GPRS數(shù)據(jù)連接可靠，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，G600模塊采用串口通信。

3.3 GPS接收器

監(jiān)測(cè)終端通過(guò)GPS接收器采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理信息，包括：經(jīng)緯度、海拔等，測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)得到的GPS信息在地圖的相應(yīng)位置顯示測(cè)試數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)中選用GTS－4E－00模塊，采用郵票貼片封裝，可適應(yīng)高溫高濕，電磁干擾等惡劣工作環(huán)境。其簡(jiǎn)化的電路圖如圖2中所示，TXD連接STM32串口1，模塊喚醒端連接PA9，J1為接收天線。

3.4 處理器模塊

處理器是整個(gè)監(jiān)測(cè)終端的核心，負(fù)責(zé)采集射頻前端的數(shù)據(jù)以及與服務(wù)器端的通信。處理器采用STM32F103RCT6型單片機(jī)，該芯片是基于Cortex－M3內(nèi)核的新型32位嵌入式微處理器，它集合了性能高，實(shí)時(shí)、低功耗、集成度高等特點(diǎn)，系統(tǒng)時(shí)鐘高達(dá)72 M，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便且芯片內(nèi)集成多種外設(shè)[5]。單片機(jī)電路圖如圖2所示。

圖2 單片機(jī)接口電路原理圖Fig.2 Schematic of microcontroller interface circuit

其中單片機(jī)的PB6、PB7口為其IIC接口，負(fù)責(zé)與MXL5007、存儲(chǔ)芯片AT24C1024通信；PA5-PA7口是其SPI接口，用于與IF206通信；PA10口是串口1接收端，用于接收GPS模塊數(shù)據(jù)，PA9口用于使能GPS模塊；PA2、PA3是串口3， 用于與 GPRS模塊 G600通信；PC2、PC3分別作為MXL5007的使能和復(fù)位端；，STM32內(nèi)部還有兩個(gè) 12位ADC，PC4是內(nèi)部ADC1模擬輸入口，用于測(cè)量CMMB信號(hào)平均功率[6]。

3.5 太陽(yáng)能供電模塊

測(cè)試終端采用太陽(yáng)能供電方式，使得終端可以長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作在缺少電源、無(wú)人管理的狀太下。監(jiān)測(cè)終端板卡電源接口采用DC-12 V，采用太陽(yáng)能供電方式，設(shè)計(jì)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理。本控制器為太陽(yáng)能直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使用了專(zhuān)用電腦芯片的智能化控制器?？刂破鞴δ芸驁D如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能控制器原理框圖Fig.3 Block schematic of solar controller

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32處理器的軟件編程采用C語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)環(huán)境為MDK-4.0，軟件基本原理如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

開(kāi)機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括STM32各個(gè)外設(shè)的初始化、從EEPROM中讀取系統(tǒng)之前設(shè)置的參數(shù)值、對(duì)MXL5007和IF206的初始化。系統(tǒng)初始化完成后分別讀取太陽(yáng)能蓄電池剩余電量信息、GPS信息、RS誤包率、LDPC誤碼率、信號(hào)平均等信息，之后判斷是否與服務(wù)器建立連接，連接建立成功后按照設(shè)定時(shí)間間隔定時(shí)向服務(wù)器上傳這些數(shù)據(jù)；與此同時(shí)時(shí)刻查收來(lái)自服務(wù)器端的命令信息，如設(shè)定更改信息上傳時(shí)間間隔、各參數(shù)門(mén)限值、調(diào)諧及解調(diào)芯片的頻點(diǎn)等，參數(shù)被修改后立即被存入EEPROM中，防止斷電信息丟失，下次開(kāi)機(jī)后這些參數(shù)再次被讀取出來(lái)。

5 設(shè)備樣機(jī)與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

測(cè)試終端設(shè)備樣機(jī)與服務(wù)器端軟件完成后，項(xiàng)目組使用設(shè)備樣機(jī)和服務(wù)器軟件進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。項(xiàng)目組在北京市選取了3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)信息如表1所示，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別放置了一臺(tái)CMMB監(jiān)測(cè)終端，如圖5所示。

表1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test result of monitoring points

圖5 CMMB監(jiān)測(cè)終端樣機(jī)（真武家園）Fig.5 CMMB monitoring terminal prototype（zhen wu jia yuan）

各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)回傳監(jiān)測(cè)參數(shù)到服務(wù)器，服務(wù)器通過(guò)IP網(wǎng)絡(luò)獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)軟件設(shè)置進(jìn)行分析和報(bào)警處理，服務(wù)器軟件的監(jiān)測(cè)界面如圖6所示。

通過(guò)設(shè)備聯(lián)調(diào)，項(xiàng)目組優(yōu)化了系統(tǒng)性能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)數(shù)天的實(shí)驗(yàn)，證明監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地反應(yīng)CMMB網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)狀況。

6 結(jié) 論

圖6 CMMB監(jiān)測(cè)服務(wù)器軟件界面Fig.6 Software interface of monitoring server

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了處理器STM32開(kāi)發(fā)平臺(tái)和GPRS無(wú)線通信方案，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶端CMMB網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為廣大工程技術(shù)人員提供了一種高效、便捷的監(jiān)管手段，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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