ÚPRAVA DIPLOMOVÉ PRÁCE

Transkript

1 Forma a obsah Diplomové práce, resp. Bakalářského projektu je dána předpisy: resp. Pro psaní se používá písmo velikosti 12, řádkování 1,5. Na levé straně je větší okraj kvůli vazbě. Číslování vztahů, obrázků a tabulek s označením kapitoly, např. Tab Citace se dělají např. podle: ÚPRAVA DIPLOMOVÉ PRÁCE Vnější desky diplomové práce Čistý list Titulní list diplomové práce Podepsané čestné prohlášení Zadání diplomové práce Anotace, resp. Summary Obsah Vlastní práce Čistý list Vnější desky DP Pozn.1: Diskety nebo CD jsou založeny v kapsičce na vnitřní straně desek diplomové práce vzadu. Pozn.2: Úprava Bakalářského projektu je obdobná. Následuje příklad potisku desek a prvních pěti stran DP (viz horní obrázek):

2 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická DIPLOMOVÁ PRÁCE 2004 Bc. Jan Kohout

3

4 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta elektrotechnická Katedra telekomunikační techniky Modulární GSM brána pro pobočkové ústředny leden 2004 Diplomant: Bc. Jan Kohout Vedoucí práce: Ing. Pavel Troller CSc.

5 Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem zadanou diplomovou práci zpracoval sám s přispěním vedoucího práce a konzultanta a používal jsem pouze literaturu v práci uvedenou. Dále prohlašuji, že nemám námitek proti půjčování nebo zveřejňování mé diplomové práce nebo její části se souhlasem katedry. Datum: podpis diplomanta

6 ..Zadání. (Originál v originálu diplomové práce, oboustranná kopie v kopii diplomové práce)

7 Anotace: Tato diplomová práce se zabývá návrhem GSM brány s využití starších typů mobilních telefonů. Zařízení je navrženo pro komunikaci s libovolnou pobočkovou ústřednou disponující alespoň jedním z typů signalizace U2, E&M, DCloop a komunikaci s mobilním telefonem pomocí AT příkazů.

8 1 ÚVOD PRINCIP GSM BRAN ROZBOR PROBLEMATIKY STRUKTURA SÍTĚ A PRINCIP GSM BRÁNY VYUŽITÍ MOBILNÍCH TELEFONŮ Potlačení ozvěny (ECHO Canceller) Napájení telefonu Rozhraní mobilních telefonů ROZHRANÍ JTS Stejnosměrné podmínky účastnické smyčky Vyzvánění Přenos tarifních impulzů Signalizace U Signalizace E&M Signalizace DCLoop NÁVRH ŘEŠENÍ ZADÁNÍ NÁVRH KONCEPCE ŘEŠENÍ GSM BRÁNY Funkční blok CPU Funkční blok Linkové rozhraní Funkční blok Vidlice + Echo canceller Funkční blok GSM telefon Funkční blok Zdroj NÁVRH HARDWAROVÉHO ŘEŠENÍ GSM BRÁNY Modul CPU Modul linkového rozhraní Modul vidlice a Echo Cancelleru Modul zdroje NÁVRH SOFTWAROVÉHO ŘEŠENÍ GSM BRÁNY Hlavní programová smyčka Detekce stavu linky a volby a realizace spojení Komunikace s MT Komunikace s LCD displejem Komunikace s PC ROZHRANÍ MOBILNÍCH TELEFONŮ POPIS FYZICKÉHO ROZHRANÍ MOBILNÍCH TELEFONŮ Alcatel OT 501 (30x,50x,70x) Ericsson A Ericsson R320 (T2x, T3x, T6x, R25x, Tx00)...52 stránka 1

9 4.1.4 Nokia 6150, Siemens C25, S25 (M35, C35, S35) POPIS KOMUNIKACE MEZI GSM BRÁNOU A MT Příkaz D Příkaz A Příkaz H Příkaz+CPAS ZÁVĚR SEZNAM POUŽITÝCH TABULEK SLOVNÍK POJMŮ POUŽITÁ LITERATURA SEZNAM PŘÍLOH stránka 2

10 1 Úvod V dnešní době, stále se rozvíjejícího telekomunikačního trhu, kde každá konkurenční výhoda může znamenat vzestup či pád firmy, se snažíme stále vyvíjet nové a nové technologie, které za využití stávajících prostředků a možností sítí, dokáží snížit finanční náklady zákazníka na komunikaci. Nástupem GSM technologie v 90. letech minulého století, přišla nová éra obchodní komunikace a uživatelé si brzy zvykly na výhody, které jim poskytuje. V dnešní době si těžko dokážeme představit obchod bez moderních telekomunikačních vymožeností jako jsou fax, satelitní komunikace, internet, , telekomunikační konference a zejména mobilní komunikace. Mobilní komunikace se rychle staly nejrychleji se rozvíjejícím odvětvím telekomunikačního sektoru a i cenové strategie firem se velice rychle mění. Tak jako začátky všech nových technologií i počátky mobilních telekomunikací (NMT, GSM, UMTS) provázelo mnoho nesnází a cena pro uživatele, která bývá nadsazená, pro pokrytí počátečních investic, brzdí rychlý nástup nové technologie. Výrobci specifický zařízení se tedy snaží vždy najít řešení využívající nových technologií, při snížení nákladů na jejich provoz. Příkladem v tomto sektoru mohou být, dnes již dobře známe, GSM brány. Nápad vytvořit zařízení, které sníží telekomunikační výdaje firem za volání do mobilních sítí se nabízel sám. Cenová strategie všech poskytovatelů mobilních komunikací byla z počátku stejná. Nacházely se v zákaznickém sektoru, kde všichni uživatelé využívali služeb poskytovatelů pevných sítí a tudíž bylo nutné vhodným marketingem prodat novou, ale drahou technologii mobilní komunikace (NMT, později GSM a UMTS sítě). Ceny byly tedy stanoveny tak, aby volání v rámci jedné sítě, jednoho poskytovatele byly výrazně nižší, než ceny za volání mezi sítěmi jiných poskytovatelů, zejména pak mezi pevnou sítí. Výhody mobilní komunikace byly velikým přínosem zejména pro firemní klientelu, která však i přes tyto výhody, musí řídit své náklady. Naskýtalo se tedy zde zajímavé řešení, určené zejména firmám surčitou telekomunikační strukturou a vlastní pobočkovou ústřednou (PBX), které by jim umožnilo volání do sítě mobilního operátora, aniž by musely využívat služeb pevné telekomunikační sítě. Tím logicky musí dojít ke snížení nákladů, minimálně o propojovací poplatky mezi operátory. stránka 3

11 2 Princip GSM bran 2.1 Rozbor problematiky Na začátku mobilní éry telekomunikačního trhu, se mnoha manažerům a vedoucím pracovníkům zdál sen, o levnější mobilní komunikaci. Tehdy ani netušili jaký bude trh dnes a za jaké ceny poskytovatelé budou své mobilní služby poskytovat. Dnes, kdy se již sbližují cenové strategie pro volání v síti a mezi sítěmi není toto řešení tak důležitým milníkem jako bylo, ale přeci jen dokáže stále ušetřit nemalé finanční výdaje, zejména při volání ze sítě pozemních komunikací do sítě mobilních komunikací. Názorně je vše na obr Předpokládejme, že firma provolá následující: pořizovací náklady za měsíc za půl roku za rok z pevné linky na mobil z mobilu na pevnou linku firmy pořizovací náklady za měsíc za půl roku za rok z pevné linky na mobil Z mobilu na pevnou linku firmy tab. 2.1 ekonomická výhodnost GSM brány Kolik ušetří GSM brána provolaná částka bez GSM brány s GSM bránou měsíce obr ekonomická výhodnost GSM brány stránka 4

12 Výpočty jsou přibližné, ale i tak je vidět, že standardní analogová GSM brána se začne vyplácet již po prvním roce provozu. Je zřejmé, že čím více firma telefonuje na mobilní telefony a čím více se z firemních mobilů volá do podnikové sítě, tím více se GSM brána vyplácí. 2.2 Struktura sítě a princip GSM brány Moderní telekomunikační síť včeské republice, se řadí mezi nejvyspělejší sítě ve střední Evropě. Pro vysvětlení principů, kterých využívá GSM brána je dobré si stručně ukázat začlenění GSM brány do stávající struktury veřejné telekomunikační sítě (JTS). GSM brána umožňuje směrovat volání z PBX zákazníka přímo do sítě poskytovatele mobilních služeb. GSM brána se tedy musí jevit PBX zákazníka, jako ústředna poskytovatele mobilních či pevných telekomunikačních služeb a nesmí mít vliv na kvalitu hovoru. V dnešní době existuje již mnoho variant GSM bran od těch základních pro analogové připojení k PBX až po inteligentní GSM brány, které samy určují přes kterého mobilního operátora je hovor nejlevnější nebo GSM brány připojující se k ISDN PBX či podporující rychlé datové přenosy s pomocí GPRS protokolu. obr připojení GSM brány k PBX stránka 5

13 Obecné požadavky na GSM bránu bychom mohli definovat následovně: Přenos hlasu popř. faxu a dat dle standardů ITU-T Připojení na analogový/digitální přenašeč/pobočku (státní linka PBX) dle standardu ITU-T konektor R11 Přenos signálu v pásmu 900/1800 MHz směrem k poskytovateli mobilních telekomunikačních služeb Použití standardní SIM karty libovolného poskytovatele mobilních telekomunikačních služeb Automatické rozpoznání příchozích hovorů v obou směrech Možnost řízení spojení Tarifikace impulzy 16Khz směrem k PBX Jednoduchá komunikace a konfiguraci přes port PC popř. správa krátkých textových zpráv (SMS) 2.3 Využití mobilních telefonů Dle zadání diplomové práce, je cílem navrhnout GSM bránu s využitím vhodných mobilních telefonů. Řešení GSM bran s mobilními telefony je však dle mého názoru koncepčně nevyhovující a má řadu úskalí. V době, kdy byly GSM brány v začátcích vývoje se toto řešení zdálo vhodné a řada firem se o něj pokusila. Některé úspěšně (např. firma LEVEL či 2N) jiné neúspěšně. A ty úspěšné, přes všechny vývojové náklady a celkem rentabilní prodej, stejně přešly k realizaci GSM bran pomocí GSM modulů autorizovaných výrobců. Rád bych hned na začátku zdůvodnil proč je dle mého názoru koncepce GSM bran s mobilním telefonem oproti koncepci s GSM modulem nevhodná (pro komerční využití), nicméně nabízí se jako zajímavé řešení zde v diplomové práci. Výrobce mobilního telefonu není povinen dodržovat téměř žádné standardy, takže výsledné zařízení nemusí fungovat s novější verzí firmware atp.; Nejsou k dispozici řádné definice o komunikačních protokolech a mobilní telefon není primárně určen k tomuto typu použití. Výsledkem poté může být nestabilní systém, což musí řešit jistá forma interface; stránka 6

14 Mobilní telefon nepočítá se soustavným napájením externího zdroje, nejsou na to připraveny nabíjecí ani vysílací obvody. Dochází tak často k rychlému ničení baterie, což se za delší dobu může projevit zvýšeným odběrem, sníženým výstupním výkonem a výrazným přehřívání mobilního telefonu v aplikaci; Mobilní telefon, zejména starší verze firmware, je potřeba občas resetovat; Konektory mobilního telefonu nejsou konstruovány na dlouhodobé spojení a při malém mechanickém zatížení, nebo dlouhodobém připojení se stávají nespolehlivými; Teplotní, výkonové, rozměrové a komunikační vlastnosti mobilního telefonu jsou naproti specializovanému GSM modulu naprosto neporovnatelné; Ceny nových GSM modulů ve srovnání s cenami použitými GSM telefony se srovnávají Potlačení ozvěny (ECHO Canceller) Mezi zásadní problém použití GSM telefonu je problematika potlačení ozvěn tzv. ECHO cancellation, související zejména s přizpůsobením 2-drátového provozu na 4- drátový. Každý GSM telefon má od výrobce nastaveny parametry potlačovače ozvěn (Echo Canceller EC) standardně nastaveny pro dva režimy normální režim a režim Hand s free. Nelze je nijak měnit, na rozdíl od GSM modulů kde je většinou možno vybrat z 6-10 nastavení pro libovolné použití. Parametry EC odpovídají provozním podmínkám, ke kterým je mobilní telefon primárně určen (použití Hand s free sady, tzn. parametry jsou nastaveny pro krátké vzdálenosti) a nejsou tedy nastaveny pro podmínky provozu GSM modulu v GSM bráně. V 2-drátovém provozu jsou signály odděleny pouze směrem jejich šíření v kabelu. Díky nelinearitám, můstkovým odbočkám atd. se část s vysílaného signálu vrací zpět do vysílače. Na cestě zpět se k němu míchá signál přenášený z protější strany linky. Můžeme se na něj dívat jako na aditivní šum, který má ovšem vztah k přenášenému signálu a z jeho znalosti jej lze odstranit z žádoucího signálu. Toho je dosahováno zařízením, které nazýváme již zmíněným zařízením, Echo Canceller (EC) nebo česky zařízení pro potlačení (zrušení) ozvěny. Vidlice je prvek, která přizpůsobuje 2-drátový obvod na 4-drátovou strukturu uvnitř transceiveru a tak odděluje vysílací trasu od přijímací. Původně byly vidlice realizovány pomocí transformátorů, ale v nynější době jsou realizovány aktivními obvody a dosahují potlačení ozvěny mezi 10 a 20 db. Celkové potlačení je požadováno asi o 70 db. stránka 7

15 Zbývajících 50 až 60 db je dosaženo pomocí EC, který je vložen do 4-drátové struktury transceiveru. jak je uvedeno na obr obr Blokové schéma Echo Cancelleru Základní úkol EC je modelovat ozvěnu, způsobenou přenášeným signálem, a odečítat ji od přijímaného signálu. Pro modelování ozvěny, způsobené přenášeným signálem, EC využívá adaptivního digitálního filtru, který je přizpůsobován na stejnou impulzní odezvu kanálu, jako je cesta vlastní ozvěny včetně vidlice, která je ve většině případů jejím největším zdrojem. signál ze vstupu A je veden do reproduktoru B a současně i do vstupu adaptivního filtru F; reproduktorem je signál reprodukován, vlivem okolního prostředí modifikován a podstoupen vstupu C jako ozvěna signálu z A; mezitím předpokládáme, že adaptivní filtr správně nastaví přenosovou funkci a parametry adaptivního filtru pro vyrovnání ozvěny mezi B a C; v sumarizátoru jsou signály sečteny (resp. od signálu ozvěny odečten modelovaný signál téměř stejných parametrů) a výstupní signál ze sumarizátoru je chybovým signálem, který by měl být velice malý. Tento chybový signál také slouží jako parametr adaptivního filtru, na jehož základě se filtr parametrizuje pro jeho minimalizaci; vpřípadě, že jako vstup signálu slouží mikrofon, bod C, projde signál sumátorem bez změny, protože adaptivní filtr nemá signál pro porovnání. Zde stránka 8

16 může nastávat problém se zpětnou vazbou chybového signálu. Pakliže se adaptivní filtr snaží minimalizovat chybový signál a přitom nemá potřebný vstup, může docházet k chybovosti. Z tohoto důvodu je implementován speciální detekční algoritmus, který v případě nepřítomnosti vstupního signálu do adaptivního filtru zakáže minimalizaci chybového signálu Napájení telefonu Dalším již problémem při použití mobilního telefonu namísto GSM modulu, je zajištění korektního napájení telefonu. Výrobce od výrobce a dokonce i typ od typu se liší parametry napájení. Tedy pakliže chceme vyrobit GSM bránu pro požití s širokou škálou typů mobilních telefonů, musíme zajistit i odlišné napájení. Lze použít i nabíjecí modul dodávaný spolu s mobilním telefonem, ale potom by GSM brána musela mít dva odlišné moduly pro napájení. Jeden, pro chod vlastní brány a druhý pro chod mobilního telefonu. Pro návrh GSM brány zde v diplomové práci je toto řešení však postačující, vzhledem k potřebě možnosti použít různé typy MT. Dalším problémem souvisejícím s napájením mobilních přístrojů je sledování stavu baterie. Některé přístroje nelze nepřetržitě napájet z důvodu neustálého příkonu nabíjecího proudu do baterie, jejího zahřívání a krácení životnosti. Životnost baterie se může zdát, že není pro potřeby GSM brány kdy je mobilní telefon stále připojen k napájecímu napětí problém, ale to může být zásadní mýlka. Některé typy mobilní telefonů totiž neumí pracovat bez přítomnosti baterie dobité na určitou hodnotu jejich kapacity. stránka 9

17 2.3.3 Rozhraní mobilních telefonů V dnešní době je většina mobilních telefonů vybavena analogovým rozhraním pro přenos NF signálu např. do Hand s Free sady a dále datovým rozhraním pro komunikaci s PC nebo jiným zařízením se sériovým přenosem dat. Analogové rozhraní je definováno doporučením CCITT a je pro všechny výrobce mobilních zařízení závazné. Jinak tomu však je u rozhraní datového, které se výrobce od výrobce liší. Rozhraní mobilních telefonů je možné popsat skupinou charakteristik, a to: Mechanická - definuje typ konektoru a jeho geometrické uspořádání a značení vývodů; Elektrická - přiřazuje logickým binárním stavům jejich elektrické vyjádření; Funkční - definuje jednotlivé obvody rozhraní a jejich účel; Protokolová - definuje pravidla komunikace na obvodech rozhraní. obr rozhraní mobilních telefonů (pohled zdola na mobilní telefon) Popis dílčích charakteristik je popsán pro různé typy mobilních telefonů v kapitole 4.1. Mobilní telefony, stejně jako jiná moderní telekomunikační zařízení vybavená datovým rozhraním, je možné ovládat pomocí AT příkazů. Popis komunikace s mobilním telefonem je podrobně popsán v kapitole 4.2. stránka 10

18 2.4 Rozhraní JTS Signalizace v telekomunikační síti musí zajišťovat dvě základní funkce, a to přenos informací pro sestavení spojení a dohled na sestavené spojení. V souladu s tím, můžeme přenášené signály dělit na řídící a dohledové. Jelikož je GSM brána určena pro připojení k PBX, musí splňovat jednak parametry platné pro připojení do sítě JTS a dále podporovat příslušné typy signalizací. Signalizace používané mezi účastnickou sadou ústředny v síti JTS (v tomto případě GSM brána) a koncovým zařízením (PBX) můžeme použít následující druhy linkové signalizace: signalizace typu U signalizace E&M signalizace DC loop Stejnosměrné podmínky účastnické smyčky R vedení Minimální proud smyčky Doporučený jmenovitý proud smyčky Maximální proud smyčky Minimální napětí v zavěšeném stavu Ω + R přístroje 15 ma ma 65 ma 30 V Vyzvánění a) Jmenovitá efektivní hodnota napětí vyzváněcího proudu je 75 V ± 5 V b) Kmitočet vyzváněcího proudu je 25 Hz ± 2 Hz nebo 50 Hz ± 2 Hz c) Vyzváněcí proud je podložen stejnosměrným napájecím napětím -48 V d) Doba trvání impulzu ( okamžitého i periodického) je ms Doba trvání mezery je ms Přenos tarifních impulzů a) Přenos ratifikačních impulzů je realizován přenosem impulzů na frekvenci 16 Khz. b) Délka impulzu je 140 ± 40 ms, zkreslení < 1 % c) Výstupní impedance pro 16 Khz je 200 Ω ± 30% d) Požadovaná maximální četnost tarifních impulzů 16 Khz je 2,5 imp/sec. stránka 11

19 2.4.4 Signalizace U2 Signalizace U2 se používá mezi účastnickou sadou ústředny (rozhraní Z) a koncovým účastnickým zařízením (tlf. Přístroj, fax, záznamové zařízení). obr Signalizace U2 Vyhodnocovací časy A účastníka a) Jmenovitého proudu smyčky (20-25 ma) musí být dosaženo do 160 ms po vyvěšení b) Rozpoznání přerušení účastnické smyčky - přerušení kratší než 10 ms nesmí být vyhodnoceno - přerušení ms musí být vyhodnocen jako kalibrované rozpojení (tzv. FLASH) - přerušení delší než 200 až 400 ms musí být vyhodnoceno jako vybavení spojení c) volba DTMF / Pulzní Vyhodnocovací časy B účastníka a) Rozpoznávání uzavření účastnické smyčky - v průběhu vyzváněcího proudu za dobu kratší než 100 ms - v mezeře mezi vyzváněním za dobu ms b) Rozpoznání přerušení smyčky - přerušení kratší než 10 ms nesmí být vyhodnoceno - přerušení ms musí být vyhodnocen jako kalibrované rozpojení (tzv. FLASH) - přerušení delší než 200 až 400 ms musí být vyhodnoceno jako vybavení spojení stránka 12

20 2.4.5 Signalizace E&M Signalizace E&M je od signalizace U2 a DCloop odlišná zejména počtem použitých vodičů a jednosměrnosti hovorových kanálů. obr signalizace E&M Vedení využívající signalizace E&M disponuje čtyřmi vodiči. Dvěma signalizačními vodiči E a M a dvěma vodiči hovorovými a/b, s oddělenými směry. Vyhodnocovací stavy A účastníka a) Rozpoznání uzavření účastnické smyčky - uzemnění M drátu b) Volba - pulzní po a/b drátech - DTMF po M drátu - konec volby pulz 100 ms na E drát c) Rozpoznání vybavení spojení - uvolnění M drátu - v klidovém stavu je M drát uvolněn a E drát předepnut do -48V Vyhodnocovací stavy B - účastníka a) Rozpoznání uzavření účastnické smyčky uzemnění M drátu b) Potvrzení obsazení 100 ms pulz na E drát c) Přihlášení (hovor) - trvalé uzemnění E drátu d) Rozpoznání vybavení spojení - uvolnění M drátu - uvolnění E drátu stránka 13

21 Průběh a realizace spojení, signálových stavů na a/b drátech a řídících E&M drátech znázorňuje následující obrázek. obr průběh signálů při signalizaci E&M stránka 14

22 2.4.6 Signalizace DCLoop Signalizace DCLoop využívá pro řízení spojení hovorových drátů a/b stejně jako signalizace U2. Řídící stavy jsou však odlišné. obr Signalizace DCloop Vyhodnocovací stavy A účastníka a) Jmenovitého proudu smyčky (20-25 ma) musí být dosaženo do 160 ms po vyvěšení b) Rozpoznání přerušení účastnické smyčky - přerušení kratší než 10 ms nesmí být vyhodnoceno - přerušení ms musí být vyhodnocen jako kalibrované rozpojení (tzv. FLASH) - přerušení delší než 200 až 400 ms musí být vyhodnoceno jako vybavení spojení - konec reverzace polarity a/b drátů c) Rozpoznání potvrzení obsazení - reverzace polarity a/b drátů 100 ms d) volba - DTMF / Pulzní e) Konec volby - reverzace polarity a/b drátů 100 ms f) Rozpoznání přihlášení - trvalá reverzace polarity a/b drátů Vyhodnocovací stavy B - účastníka a) Rozpoznávání uzavření účastnické smyčky - v průběhu vyzváněcího proudu za dobu kratší než 100 ms - v mezeře mezi vyzváněním za dobu ms b) Potvrzení obsazení reverzace polarity a/b drátů 100 ms c) Rozpoznání konce volby reverzace polarity a/b drátů 100 ms d) Přihlášení trvalá reverzace polarity a/b drátů e) Rozpoznání přerušení smyčky stránka 15

23 - přerušení kratší než 10 ms nesmí být vyhodnoceno - přerušení ms musí být vyhodnocen jako kalibrované rozpojení (tzv. FLASH) - přerušení delší než 200 až 400 ms musí být vyhodnoceno jako vybavení spojení - konec reverzace polarity a/b drátů stránka 16

24 3 Návrh řešení zadání Dle zadání bylo definováno pouze použití tří typů signalizací. Ostatní funkce GSM brány byly tedy již zcela na mém uvážení. Při návrhu jsem se snažil zcela využít použitou mikroprocesorovou jednotku, a tedy v případě nutnosti minimalizovat ekonomickou stránku návrhu, lze GSM bránu notně zjednodušit. Požadované funkce GSM brány 1. zařízení musí být schopno spolupracovat s libovolnou PBX podporující alespoň jeden z následujícího typu signalizace: - U2 signalizace - E&M signalizace - DCLoop signalizace 2. zařízení musí být jednoduše ovladatelné, možnost vzdálené správy 3. zařízení musí splňovat kvalitativní parametry pro realizované telefonní spojení 4. výběr z typu použité signalizace musí být automatický či programovatelný uživatelem 5. je požadován jednoduchý update firmware 6. zařízení musí disponovat indikátory o stavu zařízení 7. je požadována možnost zasílání tarifikačních impulzů 16Khz 3.1 Návrh koncepce řešení GSM brány Design GSM brány je dle zadání koncipován modulově. Modulové řešení, dle zadání, má umožňovat možnost propojení GSM brány a PBX pomocí tří typů signalizací (U2, E&M a DCloop). Od zadání se konečná podoba návrhu značně liší a to zejména z ekonomicko technický důvodů. Koncepce celé GSM brány umožňuje změnu použité signalizace nikoliv záměnou dílčích modulů, ale pouze nahráním jiné verze firmware. Je zde tedy nemalá finanční úspora, která by při použití koncepce dle zadání vyžadovala dvě desky plošného spoje navíc. Jak již bylo řečeno, přesto je GSM brána řešena modulově. Jedná se zde o tzv. dílčí funkční bloky, vzájemně propojené, které jsou znázorněny na. Nahráním nové verze firmware můžeme nejen změnit typ použité signalizace, ale také výrazně ovlivnit, jak bude GSM brána komunikovat s uživateli. stránka 17

25 obr základní blokové schéma GSM brány Signál Význam DTMF Detekce DTMF volby pomocí IO MT8870 Gen.ozn.ton. Oznamovací tón 420Hz 16Khz tarif Tarifikační impulzy 16Khz Smyčka T Detekce stavu (uzavření smyčky, pulzní volba) na vodiči M/ring Smyčka R Detekce stavu (uzavření smyčky, pulzní volba ) na vodiči E/tip Change a/b Prohození signálových/hovorových vodičů a/b Vyzvánění Generuje vyzváněcí signál 48Vst/50Hz MT_TxD Vysílací vodič sériové komunikace s mobilním telefonem MT_RxD Přijímací vodič sériové komunikace s mobilním telefonem TIP_gnd Připojení vodiče E/TIP na zem TIP_bat Připojení vodiče E/TIP na -48V RING_gnd Připojení vodiče M/RING na zem RING_bat Připojení vodiče M/RING na -48V Hovor Hovorový signál z PBX MT_EAR Výstupní hovorový signál z MT MT_MIC Vstupní hovorový signál do MT tab. 3.1 význam signálových vodičů stránka 18

26 3.1.1 Funkční blok CPU Blok CPU slouží k řízení a koordinaci procesů uvnitř celé brány, k čemuž používá mikrokontroler a periferie pro obsluhu dalších částí GSM brány. Struktura bloku CPU je znázorněna na obr obr struktura funkčního bloku CPU - základním rozhraním, pro komunikaci GSM brány s uživatelem/obsluhou, je rozhraní RS232. Toto rozhraní je určeno především pro komunikaci mezi GSM bránou a PC, vzájemně propojenými sériovým kabelem. Využití tohoto rozhraní není v tuto chvíli plně implementováno a je určeno pro budoucí rozšíření portfolia služeb, které GSM brána může nabízet. Dále je toto rozhraní využíváno pro aktualizaci verze firmware, tedy nahrání ovládacího programu GSM brány; stránka 19

27 - podružným rozhraním, určeným pro komunikaci GSM brány s uživatelem/obsluhou, je zobrazování aktuálních informací o procesech uvnitř brány na LCD displeji 1x16. Zejména se jedná o procesy: - zobrazení volaného čísla (A číslo) - informace o vyvánění - informace o uzavření smyčky (přihlášení volaného) - informace o tarifikaci - informace o délce spojení - blok řízení napájení MT zajišťuje správné nabíjení baterie mobilního telefonu (MT). Jak bylo řečeno v úvodu, trvalý přísun nabíjecího proudu do baterie zapříčiňuje její tepelné zahřívání a napomáhá tím ke značnému krácení její životnosti. V dnešní době již některé MT disponují funkcí, která sleduje stav nabití baterie a umožňuje tuto informaci předat na sériové rozhraní MT; - další dílčí funkční blok, řízení potlačení ozvěn částečně eliminuje jeden ze zásadních problému koncepce GSM brány s využitím mobilního telefonu. Umožňuje definovat škálu parametrů pro eliminaci rušivých signálů z hovorové cesty, způsobené právě přeslechy mezi dopředným a zpětným směrem. Parametry je nutné zadat pevné a lze je měnit pouze změnou firmware; - GSM brána umí pracovat s oběma typy dnes používaných voleb volaného čísla. Jak se starší pulzní volbou, tak i s novější dnes již více rozšířenou volbou frekvenční, též nazývané DTMF volba. GSM brána si sama z linky detekuje použitý typ volby, dekóduje vytáčené číslo a předá mobilnímu telefonu. stránka 20

28 3.1.2 Funkční blok Linkové rozhraní Blok linkového rozhraní je nejdůležitějším modulem celého řešení GSM brány. Realizuje fyzické rozhraní mezi GSM bránou a přípojným zařízením, pobočkovou ústřednou. Zabezpečuje impedanční přizpůsobení a galvanické oddělení dílčích částí GSM brány od telefonní linky. Struktura bloku linkového rozhraní je znázorněna na obr obr struktura funkčního bloku linkového rozhraní - telefonní signál přivedený na vstup linkového rozhranní, přes standardní konektor RJ11 je impedančně přizpůsoben na Z=600Ω a galvanicky oddělen od zbytku brány; - linkové rozhraní je řízeno dílčím blokem ŘÍZENÍ linkového rozhraní. Řídící signály z ostatních částí GSM brány jsou zde vyhodnocovány a realizovány. Podobně i stavy na signálových linkách jsou zde snímány a předávány k vyhodnocení ostatním částem GSM brány; - dekodér pulzní volby snímá stavy na signálových linkách a předává k dekódování bloku CPU; - zdroj 25mA generuje konstantní smyčkový proud; - v případě příchozího hovoru ze sítě GSM je spuštěn generátor vyzvánění; - Generátor 16 Khz zajišťuje v případě potřeby korektní tarifikační impulzy, pro potřeby PBX. stránka 21

29 3.1.3 Funkční blok Vidlice + Echo canceller Blok vidlice a Echo cancell, řeší nedostatky koncepce GSM brány s mobilním telefonem oproti koncepci s použitím GSM modulu. Proto je také tento blok nejcitlivější na návrh a pozdější realizaci. Při návrhu a realizaci tohoto bloku jsou kladeny vysoké nároky na toleranci použitých obvodů a součástek. Celý blok by bylo nejlepší realizovat pomocí hybridního integrovaného obvodu či použít již existující hybridní integrované obvody, což se jeví z ekonomického hlediska jako výhodnější. Obě řešení mají svá úskalí a přednosti a budou podrobně popsaná v kapitole obr struktura funkčního bloku vidlice + Echo canceller Jak již bylo řečeno, je velice důležitý návrh, a proto je tento blok koncipován jako samostatný modul GSM brány, zcela odděleně od ostatních částí (zejména oddělení napěťových potenciálů). Dalším důvodem je možnost úpravy návrhu tohoto bloku a poté možnost jednoduché instalace modifikace, při dodržení vstupně/výstupního rozhraní. - blok napěťového přizpůsobení upravuje úrovně signálu přiváděného z telefonní linky na signál jdoucí do mobilního telefonu, tak k - vidlice převádí obousměrný dvoudrátový přenos na čtyřdrátový jednosměrný. - Echo canceller upravuje úrovně jednotlivých signálů tak, aby se minimalizoval šum a přeslechy mezi dopředným a zpětným směrem. stránka 22

30 3.1.4 Funkční blok GSM telefon Jelikož je celá brána navrhovaná s použitím straších typů mobilních telefonů, je nutné si definovat, které mobilní telefonu jsou vhodné pro použití v GSM bráně, jaké má který model výhody a hlavně jakou perspektivu. Pro použití v GSM bráně jsem volil na základě těchto kritérií, následující typy mobilních přístrojů. Výrobce Model GSM pásmo Typ baterie Rychlost přenosu Alcatel OT /1800 Mhz NiMH 9600 bd Ericsson A /1800 Mhz NiMH 9600 bd Ericsson R /1800 Mhz Li-Ion bd Nokia /1800 Mhz Li-Ion bd Nokia /1800 Mhz Li-Ion bd Siemens C25, S25 900/1800 Mhz NiMH bd Siemens C35, S35, M35 900/1800 Mhz NiMH bd tab. 3.2 vhodné typy mobilních telefonů pro použití v GSM bráně Napájení mobilního telefonu je z důvodu nezávislosti zvoleného telefonu na hardwarovém řešení realizováno pomocí příslušného zdroje napětí, dodávaného spolu s mobilním telefonem. Jelikož se jedná většinou o síťový napájecí adaptér, odpadá tak i nutnost homologace a testů zařízení. stránka 23

31 3.1.5 Funkční blok Zdroj Celá GSM brána se připojuje do rozvodné sítě 220Vst což má za následek sice možný vliv rušení na zařízení, ale usnadní to provoz celého zařízení. Rušivé vlivy a odstínění zdroje, modulu napájení, od ostatních modulů GSM brány je nutné realizovat na úkor prostorové úspornosti při návrhu plošného spoje a celého zařízení. obr struktura funkčního bloku Zdroj - filtr zde slouží k odfiltrování rušivých složek v napájení z rozvodné sítě 220Vst - AC/DC převodníky usměrňují střídavé napětí na stejnosměrné, následně filtrují a předávají na výstupy bloku konkrétně: +5Vss, +12Vss a -48Vss - 48Vst je používáno pro generování vyzvánění - -48Vss je používáno pro napájení linky a podbarvení střídavého vyzváněcího napětí stejnosměrnými 48V stránka 24

32 3.2 Návrh hardwarového řešení GSM brány Pakliže vycházíme z modulové koncepce GSM brány, i návrh plošného spoje a schéma zapojení je řešeno modulově. Vpředchozí kapitole jsme si GSM bránu rozdělili dle následujících funkčních bloků: - modul CPU zajišťující řízení jednotlivých funkcí brány - modul linkového rozhraní zabezpečující korektní připojení k PBX - modul vidlice a Echo cancelleru zabezpečující přechod z 2drát na 4drát - modul zdroje, zajišťující napájení všech dílčích částí V této kapitole bude popsán konkrétní návrh schéma zapojení, jednotlivých modulů i celé GSM brány a rozebrány jednotlivé části každého funkčního bloku Modul CPU U GSM brány bylo zvoleno zcela centralizované řízení jednotlivých obvodových částí jednou mikroprocesorovou jednotkou. Nároky na výpočetní výkon a velikost interní paměti nejsou nijak velké, ale přesto je nutné prvotně vycházet z předpokladu, co od GSM brány očekáváme a jaké funkce má plnit (viz kapitola 3). Od těchto definic se totiž odvíjí celý návrh zařízení Řídící mikrokontroler Dle struktury funkčního bloku CPU (obr ) a blokového schématu GSM brány () je patrné, jaké jsou kladeny nároky na využití mikrokontroleru. Mikrokontroler byl zvolen od fy. ATMEL co. typ AT89S51. Jedná o nástupce velice rozšířené mikropočítače AT89C51 s implementovaným ISP rozhraním (In system programable) a 4KB interní paměti typu FLASH vyrobeného technologií CMOS. Tento typ mikrokontroleru byl volen záměrně, vzhledem k jeho ceně a odpovídajícím možnostem, zejména možnosti programování mikrokontroleru v desce plošného spoje. Dle obr je vidět, že disponuje čtyřmi 8bit vstupně/výstupními branami P0 P3, interní pamětí RAM a FLASH a portem pro ISP programování. stránka 25

33 Paměť mikrokontroleru Mikrokontroler AT89S51 disponuje 256B interní paměti RAM a 4KB programovatelné paměti FLASH. Paměť dat i programu je společná, jak je u architektury INTEL zvykem. obr blokové schéma AT89S51 stránka 26

34 ISP programování In System Programable tento nový způsob programování procesorů umožňuje naprogramovat procesor pří v desce plošného spoje, bez nutnosti vyndávání či používání externích programátorů. Využívá k tomu vnitřního vektoru přerušení a tří portů brány P1. Podrobný princip je popsán v kapitole 3.3. I/O obvody P0.0 - P0.7 - brána P0 má 8 obousměrných I/O s otevřeným kolektorem - disponuje vnitřním adresový/datovým multiplexorem - nemá integrované vnitřní pull-up rezistory P1.0 P1.7 - brána P1 má 8 obousměrných I/O s integrovanými pull-up rezistory - má integrované rozhraní pro ISP programování P2.0 P2.7 - brána P2 má 8 obousměrných I/O s integrovanými pull-up rezistory P3.0 P3.7 - brána P3 má 8 obousměrných I/O s integrovanými pull-up rezistory - disponuje porty RxD a TxD pro sériovou komunikaci - má integrované porty pro externí přerušení Schéma zapojení Na obr je schéma zapojení řídící části GSM brány. Jak bylo řečeno v kapitole 3.1.1, má řídící blok na starosti veškerou koordinaci signálových stavů GSM brány a jejich vyhodnocování. Jádrem řídící části je již zmíněný mikrokontroler fy. Atmel AT89S52. Periferijní obvody potom zastávají následující funkce: TL7705AC zajištění korektního průběhu funkce RESET mikrokontroleru; MT8870 dekodér tónové volby; NE555 univerzální časovač, ve dvou modifikacích jako generátor oznamovacího tónu 420Hz a generátor tarifikačních impulzů 16 Khz; 74HCT4053 univerzální multiplexor/demultiplexor (přepínač výstupů) 1 na 2; FST3257 univerzální 4bit multiplexor/demultiplexor; MAX238 8bit převodník napěťové úrovně 12V/5V (převodník RS232 TTL). stránka 27

35 obr schéma zapojení řídící části stránka 28

36 Schéma řídící části obsahuje konektory pro propojení s ostatními částmi GSM brány nebo periferními zařízeními a mají následují funkce: Connector DB9 9pin konektor sériového rozhraní PC sloužící jednak ke komunikaci mezi mikrokontrolerem AT89S52 a popř. obslužným programem, tak i jako programovací rozhraní, využívající funkci ISP mikrokontroleru AT89S52; Vidlice konektor 14pin pro připojení modulu vidlice a Echo Cancelleru. Za předpokladu dodržení rozhraní tohoto konektoru, lze implementovat jiný typ modulu, např. zmiňovaný hybridní integrovaný obvod; LCD MC1601 fyzické rozhraní pro připojení LCD displeje. Lze zvolit téměř libovolný LCD displej disponující řadičem HD44780 (zde v návrhu je uvažován LCD displej MC1601); Mobil fyzické rozhraní pro připojení libovolného mobilního telefonu GSM, disponujího podporou AT příkazů a datovým konektorem více v kapitole 3.3.5; U nabíjecí konektor určen výhradně pro nabíjecí adaptér dodávaný spolu s mobilním telefonem. Nabíjení mobilního telefonu je ovládáno softwarově, skrze dva spínací tranzistory Q1 a Q3, na základě vyhodnocení stavu nabití baterie (je doporučováno volit typ mobilního přístroje, který tuto informaci umí předat datovému výstupu) Dekodér tónové volby GSM brána podporuje jak pulzní, neboli dekadickou, tak i frekvenční, neboli tónovu či DTMF volbu. Zatímco dekadická volba je vyhodnocována samotným mikrokontrolerem dle počtu přijatých impulzů, frekvenční volba je vyhodnocována speciálním integrovaným obvodem MT8870 a teprve výsledné stavy jsou předány ke zpracování mikrokontroleru. Dekodér frekvenční volby vychází samozřejmě z jejího principu, který přiřazuje každému z čísel 0-9 frekvenční kód. Frekvenční kód se skládá vždy ze dvou (z osmi) základních frekvencí. stránka 29

37 obr odezva filtru Kvůli zachování maximální flexibility, je vstupní signál frekvenční volby nejprve ukládán do zásobníku přes vstupní operační zesilovač, umožňující nastavení zisku a výběru vstupu. Ze signálu je poté odfiltrován oznamovací tón (350Hz a 440 Hz) a dále rozdělen přes horní a dolní pásmovou propust do vyhodnocovací jednotky. Ta po dekódování signálu nastaví výstupy Q1-Q4 do příslušných stavů, dle tab obr blokové schéma obvodu MT8770 stránka 30

38 tab. 3.3 pravdivostní tabulka MT Tónový generátor, tarifikační impulzy Oznamovací tón, dle doporučení ITU-T, má být v rozsahu Hz. u GSM brány je oznamovací tón realizován univerzálním časovačem NE555 pracujícím jako astabilní klopný obvod s doporučenou frekvencí 420Hz. Poslední dobou je stále moderní vybavovat telekomunikační zařízení generátory tarifikačních impulzů 16Khz. Tarifikační impulzy slouží k odhadu nákladů za užívání telekomunikačních služeb. Parametry tarifikačních impulzů: délka impulzu = l40 ± 40 ms f = l6 Khz ± 80 Hz zkreslení < 1% požadované časové zpoždění mezi vysláním tarifního impulzu do VTA a jeho přepočtením do tarifního konta je l,5 s požadovaná maximální četnost tarifních impulzů l6 Khz je 2,5 imp/s. stránka 31

39 LCD displej GSM brána umožňuje volitelně připojit LCD displej, který bude zobrazovat informace o aktuálním stavu zařízení. Je to vhodné zejména při programování GSM brány, update firmware či jako pomůcka při odlaďování firmware. Rozhraní LCD displeje uvedené na obr je universální pro všechny displeje s řadičem HD Pro výše uvedené potřeby plně postačí LCD displej 1x16 znaků, s LED podsvícením, jakým je například typ MC1601. Řadič displeje je připojen po 4bit datové sběrnici DB4-DB7. Podsvětlení LCD displeje je zajištěno tranzistorem Q2., varistor R11 zase nastavuje kontrast LCD displeje. obr blokové schéma připojení LCD displeje LCD displej má multiplexovanou datovou sběrnici z 8 na 4 datové vodiče. Snížíme tak vytížení portů mikrokontroleru o tři, protože 1 port je potřeba pro řízení multiplexu. Vpřípadě nutnosti větší úspory lze využít 8bit posuvného registru 74HCT4094, čímž snížíme potřebný počet datových vodičů na 1 a 3 řídící Rozhraní RS232 Koncept GSM brány vychází ze stále větší nutnosti flexibility zařízení a možnosti komunikace s PC. Oba tyto požadavky vedly k implementaci fyzického rozhraní pro komunikaci s PC. Dneska nejvíce používaným komunikačním rozhraním u PC je již bezesporu USB rozhraní. Jeho implementace není nijak složitá, ale využití u této GSM brány nenajde. Jednak není toto rozhraní podporováno staršími počítači a jednak komunikace po USB rozhraní je pro potřeby GSM brány zbytečně rychlá. Základním stránka 32

40 předpokladem je vždy využitelnost/vytěžitelnost daného konstrukčního prvku a u GSM brány požadujeme od rozhraní následující vlastnosti: univerzálnost rozšířenost v technice IT rychlost nemusí být vzhledem k objemu přenášených dat nijak veliká (9600bd) jednoduchá implementace jak v GSM bráně tak i programový přístup na PC Všechny tyto předpoklady splňuje rozhraní dle standardu RS232. Dalším důvodem proč bylo zvoleno toto rozhraní, je také jeho nativní podpora mikrokontrolerem AT89S52. Pomocí tohoto rozhraní lze, při dodržení určitého zapojení a vhodného programu na PC, nahrávat nebo aktualizovat programové vybavení mikrokontroleru (tzv. ISP neboli In System Programmable). RS232 je rozhraní pro přenos informací vytvořené původně pro komunikaci dvou zařízení do vzdálenosti 20 m. Pro větší odolnost proti rušení je informace po propojovacích vodičích přenášena větším napětím než je standardních 5V TTL. Napěťové úrovně RS 232 používá dvě napěťové úrovně. Logickou 1 a 0. Log. 1 je někdy označována jako marking state nebo také klidový stav, Log. 0 se přezdívá space state. Log. 1 je indikována zápornou úrovní, zatímco logická 0 je přenášena kladnou úrovní výstupních vodičů. Povolené napěťové úrovně jsou uvedeny v tabulce. Nejběžněji se pro generování napětí používá napěťový zdvojovač z 5V a invertor. Logické úrovně jsou potom přenášeny napětím +10V pro log. 0 a 10V pro log. 1. Úroveň Vysílač Přijímač TTL Logická 0 +5 V až +15 V +3 V až +25 V +0,8V Logická 1-5 V až -15 V -3 V až 25 V +5V Nedefinováno - -3 V až +3V tab. 3.4 napěťové úrovně rozhraní RS232 Napěťové úrovně TTL a RS232 se tedy značně liší a je tedy potřeba požít nějaký typ budiče sběrnice, který upraví napěťové úrovně TTL na RS232 a naopak. K tomuto účelu slouží budič sběrnice MAX238. stránka 33

41 Fyzické a funkční charakteristiky rozhraní RS232 obr fyické rozhraní RS232 cannon 9 Pin Název Směr Popis 1 CD <-- Příznak přenosu (Carrier Detect ) 2 RXD <-- Přijímaná data (Receive Data) 3 TXD --> Vysílaná data (Transmit Data) 4 DTR --> Připravenost vysílat data (Data Terminal Ready) 5 GND --- Systémová zem (System Ground) 6 DSR <-- Připravenost přijímat data (Data Set Ready) 7 RTS --> Požadavek přenosu (Request to Send) 8 CTS --> Smazání přenosu (Clear to Send) 9 RI <-- Kruhový indikátor (Ring Indicator) tab. 3.5 popis signálových vodičů rozhraní RS232 na konektoru Cannon 9 Standard RS 232 uvádí jako maximální možnou délku vodičů 15 metrů, nebo délku vodiče o kapacitě 2500 pf. To znamená, že při použití kvalitních vodičů, lze dodržet standard a při zachování jmenovité kapacity prodloužit vzdálenost až na cca 50 metrů. Kabel lze také prodlužovat při snížení přenosové rychlosti, protože potom bude přenos odolnější vůči velké kapacitě vedení. Uvedené parametry počítají s přenosovou rychlostí bd. Pro potřeby GSM brány však samozřejmě postačuje rychlost 9600bd, tedy potom je maximální délka propojovacího kabelu 150m. To je další praktický důvod, který byl brán v úvahu při volbě rozhraní, protože umožňuje dálkovou správu GSM brány. stránka 34

42 Využití rozhraní RS232 Rozhraní RS232 bylo do GSM brány implementováno zejména z důvodu možného rozšíření stávajícího konceptu GSM brány, ve kterém se sice s integrací rozhraní mezi PC počítá, ale obslužný program není součástí návrhu. Rozhraní je tedy možno využít k následujícím funkcím: ISP update firmware dálková správa GSM brány - dohled chybové hlášení error messaging export údajů o provedených voláních (nutno osadit paměť hovorů do desky plošného spoje) Využití k ISP Rozhraní RS232 má specifické zapojení, které bylo popsáno v předcházející kapitole. Rozhraní ISP komunikuje též sériovým protokolem, podobně jako RS232, nicméně v úrovních TTL. Aby nebylo nutné mít dva externí konektory, pro každé rozhraní zvlášť, je nutné datovou sběrnici pro rozhraní RS232 multiplexovat. Multiplexování zajišťují dva obvody 74HCT4053. obr blokové schéma multiplexu rozhraní RS232 a ISP stránka 35

43 obr schéma zapojení multiplexu rozhraní RS232 a ISP Modul linkového rozhraní Modul linkového rozhraní zabezpečuje korektní připojení k síti pobočkové ústředny a zajišťuje fyzickou realizovatelnost daných typů signalizace. Státní linka pobočkové ústředny se připojuje do standardizovaného konektoru RJ11 a je impedančně zakončená oddělujícím transformátorem 1:1 600Ω. stránka 36

44 Schéma zapojení obr schéma zapojení linkového rozhraní GSM brány Nejdůležitějšími částmi linkového rozhraní jsou: impedanční přizpůsobení zdroj smyčkového proudu detekce stavů vodičů obvody pro signalizaci Zdroj smyčkového proudu Zdroj smyčkového proudu 25mA je realizován tranzistory Q6 a Q7 v Darlingtonově zapojení. Zdroj je spínán přes port mikrokontroleru hook opto-tranzistorem PC816 a je napojen na vedení přes ochranný diodový můstek. Vyzváněcí napětí 48Vst 50Hz je připojováno přes relé LS1, ovládané portem mikrokontroleru vyzvaneni a je podbarvováno 48Vss ze zdroje GSM brány. stránka 37

45 Detekce stavů hovorových a signálových vodičů Detekce stavů a dekódování pulzní volby na hovorových drátech je realizovaná pomocí optočlenu PC814. Dle toho na jakém hovorovém či signálovém drátu došlo k činnosti, se inicializuje buď smyčka T nebo smyčka R. Přes odpory R53 a 58 je také zajišťováno napájení vedení 48Vss ze zdroje GSM brány. Detekce dekadické (pulzní) volby Pulzní volba je založena na vysílání sledu impulzů (stav kdy linkou protéká smyčkový proud), oddělených mezerami, s definovanou minimální délkou. Pulzy se generují zkratováním a/b drátu kontaktem číselnice v daném poměru a počet pulzů interpretuje volané číslo. Za každým vytočeným číslem je mezera délky zhruba dvou pulzů, pro jednoznačné oddělení jednotlivých vytáčených čísel. tab. 3.6 časování dekadické volby Rychlost vysílacích impulzů je definována takto: 10 impulzů má být vysláno za 1 s. Takže na jeden impulz i s mezerou připadá 100 ms. Impulzový poměr je 1,5:1 neboli 60:40 ms. Tolerance rychlosti je ±10% tolerance pro jeden impulz je 51 až 72 ms pro rozepnutí kontaktu a 31 až 48 ms pro sepnutí kontaktu Řízení signalizace Přepínače J8-J11 slouží k HW nastavení signalizace. Typ signalizace nastavení 1 nastavení 2 U2 J8 1-2, J9 1-2 J10 1-2, J DCLoop J8 1-2, J9 1-2 J10 1-2, J E&M J8,9 1-1 J8,9 2-2 J10, J10, tab. 3.7 nastavení přepínačů J8-J11 Relé G5V2 je řízené portem mikrokontroleru change a/b a je primárně určené k řízení signalizace DCLoop, kdy je potřeba reverzovat hovorové vedení. Další využití nalézá i při problému se spojením, resp. jeho ukončením. Reverzace hovorového vedení při U2 stránka 38

46 ČVUT Praha Fakulta elektrotechnická signalizaci signalizuje PBX ukončení spojení. Optrony PC816 (U13, U14, U16, U17) jsou určeny zejména pro řízení signalizace typu E&M, kdy jimi jsou signálové vodiče připínány na signály -48V nebo 0V(GND) Modul vidlice a Echo Cancelleru Modul vidlice má za úkol přizpůsobit obousměrné dvoudrátové vedení na jednosměrné čtyřdrátové a potlačit ozvěny, které tímto převodem vznikly Schéma zapojení obr schéma zapojení vidlice a Echo Cancelleru obr příklad realizace DPS vidlice a echo cancelleru s SMD součástkami stránka 39

47 Echo canceller K potlačení ozvěn vzniklých na vidlici (viz kap.chyba! Nenalezen zdroj odkazů.) je vgsm bráně použit obvod CS6422 od fy. CRYSTAL. Jedná se o plně duplexní telefonní obvod, který redukuje celkový zisk smyčky a akustickou vazbu mezi sluchátkem a mikrofonem. Je to kompletní systémové řešení, obsahují DSP procesor spamětí RAM a ROM, který má implementovaný patřičný algoritmus pro potlačení ozvěn a dva Delta-Sigma kodeky na vstupu. Funkční blokové schéma obvodu CS6422 je na obr obr Funkční blokové schéma obvodu CS6422 pro potlačení ozvěn Celý obvod je složen ze čtyř rozhraní: Analogové rozhraní - zahrnuje odchozí a příchozí kanál, rozhraní; Mikrokontrolerové rozhraní zabezpečuje řídící funkce; Rozhraní časovače, generátoru hodin Rozhraní napájení Vzdálený konec je ta část zařízení, která se připojuje již přímo k mikrofonu či ke sluchátku, v tomto případě na vstup/výstup mobilního telefonu, někdy též označován také jako síťové rozhraní. Blízkým koncem je nazývaná část, která se přes vidlici propojuje s pobočkovou ústřednou, označován také jako akustické rozhraní. stránka 40

48 obr Blokové schéma analogového rozhraní obvodu CS6422 Parametr Min Typ Max Klidová úroveň kanálu -80 dbv dbmc0 dbm0p Odstup signál/šum (1,0Vrms, 1Khz sinus. na vstupu) db Celkové harmonické zkreslení THD (1,0Vrms, 1Khz sinus. na vstupu) 0,03 0,1 % Programovatelný zisk db Pzisk/Vzisk=00 Pzisk/Vzisk=01 Pzisk/Vzisk=10 Pzisk/Vzisk=11 Mezistupeň hlasitosti 3 db úroveň ADC -83 dbv úroveň DAC -83 dbv tab. 3.8 Parametry potlačovače ozvěn CS6422 Parametry potlačovače ozvěn se nastavují přes rozhraní I/O mikrokontroleru, pomocí sériového komunikačního kanálů na portu DATA. Obvod CS6422 disponuje šesti posuvnými registry pro nastavení parametrů obvodu. Při zkoušení s pobočkovou ústřednou fy. 2N Ateus 420 a mobilním telefonem Siemens C35 bylo nejoptimálnější nastavení při počátečních hodnotách parametrů a vypnutém předzesilovači na vstupu akustického rozhraní. Zde je potřeba zdůraznit, že nelze nastavit obvod pro potlačení ozvěn pro univerzální použití, ale je vždy potřeba jej doladit pří v konkrétní aplikaci a konkrétním místě použití. Je tedy vhodné, umožnit nastavování parametrů potlačovače ozvěn pomocí obslužného programu pro vzdálenou správu GSM brány ,5 12 stránka 41

49 Vidlice Signál je od oddělovacího transformátoru filtrován kondenzátorem CF3 a přiváděn na invertující vstup zpětnovazebně řízeného operačního zesilovače TL072A kde je dále zesílen, přizpůsoben a veden přes filtrační kondenzátor, na vstup Echo Cancelleru. Zpětný signál od mobilního telefonu je skrze Echo Canceller veden přes filtrační kondenzátor na vstup operačního zesilovače TL072A Modul zdroje Zdroj pro GSM brán je tvořen dvěmi částmi. A) Silová část 220V (obr ) - napětí z rozvodné sítě je před transformátorem filtrováno toroidními cívkami L1 a filtračním kondenzátorem CF1. B) Usměrňovací část (obr ) - napětí z transformátoru 12Vst je dále usměrněno diodou D1 (12Vss) a pomocí integrovaného obvodu 7805 stabilizováno na +5Vss; - napětí z transformátoru 48Vst je usměrněno Greecovým můstkem a pomocí obvodu 7824 posíleného 24V Zenerovou diodou ZD3 stabilizováno na 48Vss určených pro napájení telefonní linky. Při návrhu plošného spoje je nutné důkladně oddělit silovou část zdroje od ostatních zdůvodu odstínění rušení. Dále je potřeba si uvědomit, jaké proudy budu plošným spojem procházet z hlediska tloušťky spojů a jaké napětí (220V) z hlediska minimálních izolačních vzdáleností plošných cest. Příklad je uveden na obr Schéma zapojení obr schéma zapojení 220V části zdroje napětí GSM brány stránka 42

50 obr schéma zapojení zdroje napětí GSM brány obr příklad realizace DPS zdroje pro GSM bránu (s dvěmi oddělenými plochami rozlité mědi pro odrušení signálů) stránka 43

51 3.3 Návrh softwarového řešení GSM brány Při návrhu software pro GSM bránu, je nutné brát v úvahu všechny aspekty návrhu, již výše popsané. Jelikož se jedná o návrh řešení, nebylo zde cílem vytvořit ucelený operační systém pro GSM bránu, ale zejména přiblížit srozumitelným způsobem zásadní myšlenky návrhu. Z tohoto důvodu, je návrh software zaměřen především na popis pomocí vývojových diagramů jednotlivých stavů GSM brány. V příloze jsou uvedeny ukázky procedur pro mikroprocesor AT89S51Hlavní programová smyčka Hlavní programová smyčka Celý systém je navržen na základě čtyř základních událostí (stavů). Po inicializaci počátečních hodnot, nastavení registrů, primárního nastavení potlačovače ozvěn, LCD displeje, parametrů komunikace apod., přejde program do hlavní programové smyčky, jak je uvedeno na obr vývojový diagram hlavní programové smyčky V každé části hlavní programové smyčky, předává hlavní program řízení konkrétnímu hlavnímu podprogramu, který po aktualizaci stavů předává řízení zpět programové smyčce. Všechny případné stavy/chyby vzniklé v podprogramu, jsou předávány hlavní smyčce parametrem. stránka 44