中國移動多媒體廣播智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(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）

中國移動多媒體廣播（CMMB）是我國自主研發(fā)的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的移動多媒體廣播標(biāo)準(zhǔn)。目前，全國各大城市的CMMB網(wǎng)絡(luò)正在建設(shè)和完善當(dāng)中，而CMMB信號的覆蓋測試為網(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)長期復(fù)雜的過程，需要經(jīng)過不斷地調(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)覆蓋測試系統(tǒng)，對于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CMMB網(wǎng)絡(luò)的覆蓋測試系統(tǒng)。

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

終端板卡供電方式采用太陽能供電系統(tǒng)，保障其在無電源和人員看守的情況下長期穩(wěn)定的工作。最后通過綜合測試，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 測試需求分析

為了對測試點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的信息監(jiān)測，需要做好以下幾點(diǎn)。測試地點(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信號帶寬內(nèi)的平均功率，單位為dBm，每秒統(tǒng)計(jì)一次，測量精度達(dá)到±1 dBm；CMMB信號解碼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)分為測試終端和服務(wù)器端，服務(wù)器端只需要一臺性能良好的個(gè)人計(jì)算機(jī)，而測試終端主要由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：射頻前端模塊模塊、功率測量與存儲模塊、GPS接收器、太陽能供電模塊、處理器模塊及GPRS無線通信模塊。各個(gè)模塊主要是通過STM32微處理器的GPIO口連接與通信。處理器需要對射頻前端的調(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RS誤包率、LDPC誤包率等信息進(jìn)行讀取。CMMB信號調(diào)諧器主要是對從天線接收的高頻信號進(jìn)行調(diào)諧輸出中頻信號；CMMB調(diào)諧解調(diào)模塊主要是對信號進(jìn)行解調(diào)和信道解碼；功率的測量與存儲模塊負(fù)責(zé)將信號功率轉(zhuǎn)換為電平信號送給STM32的ADC和將系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)進(jìn)行存儲，GPS接收器用于獲取監(jiān)測點(diǎn)地理位子信息，最后處理器通過GPRS無線模塊將信息發(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射頻信號的調(diào)諧模塊采用MXL5007，芯片能夠通過天線或有線接收從44～885 MHz連續(xù)頻段信號，并將輸入的RF射頻信號進(jìn)行調(diào)諧輸出4～44 MHz的中頻信號；此芯片還具有對原始的RF射頻信號無損耗的環(huán)出功能，這使得芯片再輸出中頻信號給功率測量模塊的同時(shí)，還能無損耗的環(huán)出一路CMMB信號到后級的解調(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)星信號和地面信號；低功耗、低成本、對前端后端設(shè)備無特殊要求。

3.2 GPRS無線通信模塊

本系統(tǒng)選用GPRS無線通信方案[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)測終端通過GPS接收器采集監(jiān)測點(diǎn)地理信息，包括：經(jīng)緯度、海拔等，測試系統(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，開發(fā)簡便且芯片內(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，用于測量CMMB信號平均功率[6]。

3.5 太陽能供電模塊

測試終端采用太陽能供電方式，使得終端可以長期穩(wěn)定的工作在缺少電源、無人管理的狀太下。監(jiān)測終端板卡電源接口采用DC-12 V，采用太陽能供電方式，設(shè)計(jì)控制器對蓄電池進(jìn)行充放電管理。本控制器為太陽能直流供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并使用了專用電腦芯片的智能化控制器。控制器功能框圖如圖3所示。

圖3 太陽能控制器原理框圖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語言編程，開發(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MXL5007和IF206的初始化。系統(tǒng)初始化完成后分別讀取太陽能蓄電池剩余電量信息、GPS信息、RS誤包率、LDPC誤碼率、信號平均等信息，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，下次開機(jī)后這些參數(shù)再次被讀取出來。

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

測試終端設(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)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)信息如表1所示，3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分別放置了一臺CMMB監(jiān)測終端，如圖5所示。

表1 監(jiān)測點(diǎn)測試結(jié)果Tab.1 Test result of monitoring points

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

各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)回傳監(jiān)測參數(shù)到服務(wù)器，服務(wù)器通過IP網(wǎng)絡(luò)獲得監(jiān)測數(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)測界面如圖6所示。

通過設(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)過數(shù)天的實(shí)驗(yàn)，證明監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地反應(yīng)CMMB網(wǎng)絡(luò)的信號狀況。

6 結(jié) 論

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

該監(jiān)測系統(tǒng)采用了處理器STM32開發(fā)平臺和GPRS無線通信方案，成功地實(shí)現(xiàn)了對用戶端CMMB網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，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。

[1]中華人民共和國廣播電影電視行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GY/T220.1-2006-GY/T220[S].2-2006.

[2]解偉.移動多媒體廣播與標(biāo)準(zhǔn)[J].現(xiàn)代電信技術(shù)，2008（6）:22-27.XIE Wei.Mobile multimedia broadcasting standards[J].Modern telecommunications technology，2008（6）:22-27.

[3]鄭煒.便攜式多媒體終端硬件設(shè)計(jì)[D].浙江：浙江大學(xué)，2008.

[4]艾山江-克里木.嵌入式系統(tǒng)中無線通信技術(shù)的應(yīng)用研究[D].無錫：江南大學(xué)，2009.

[5]李寧.基于MDK的STM32處理器開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[7]周潤景，袁偉亭.Candence allegro高速電路板設(shè)計(jì)與仿真[M].電子工業(yè)出版社，2009.