（通信与信息系统专业论文）基于dmr协议的直通模式数字对讲机研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 移动通信系统按其所服务的范围来分，可以分为专用移动通信和公用移动通信， 无线电对讲机则是专用移动通信系统中的手持设备，广泛应用于社会生产的各行业。 因为它具有通信建立速度快、一呼百应的特点，而与手机等其他无线通信工具有着不 同的市场定位，所以对讲机不仅不会被取代，而且还将会长期得到广泛的应用。就目 前而言，国内常规对讲机领域仍基本停留在模拟通信技术阶段。显然，随着人们对对 讲机的性能要求的提高，一种高移动性、无中心、点对点的数字对讲机的研究便成为 人们的迫切要求。另外，国家无线电管理局于2 0 0 7 年9 月正式发布相关技术指标，以 推进我国数字对讲机的发展。 d m r 通信系统协议是由e t s i 提出的最新专业数字移动通信标准，相对于已经成 熟的t e t r a 与i d e n 两大数字标准，d m r 具有产品成本低、技术简单，并且支持从 模拟到数字的过渡等优点，由于还没有完全成型，跟踪研究则有重大的价值。 本文首先对d m r 协议进行了分析和研究，尤其是对其空中接口和语音编码技术进 行了详细探讨。在此基础上，参考d m r 的协议模型，制定了时分双工的通信协议方案， 然后又根据通信协议方案设计了一种直通式数字对讲机的硬件电路方案，在这个方案 中选择c c l l 0 1 芯片作为射频收发主芯片，以低功耗m s p 4 3 0 f 1 4 9 ( m c u ) 为微控制 芯片，以及选择低语音速率且高清晰的语音编解码芯片a m b e 1 0 0 0 ( 1 亘产) 进行语音处 理。接着对系统进行自顶而下的软件设计，在编程架构设计上运用了层次化与模块化 相结合的编程方法，将软件架构分模块后再自底向上完成各个层程序的代码编写。最 后介绍了对整个系统的软硬件调试。 本文所研究的直通式数字对讲机是参考d m r 协议中的第一个实现阶段，即在没有 基础设施，移动终端都处于对等地位情况下，研发工作于直通模式下数字移动终端。 研发中以低成本和低功耗作为出发点，满足全双工语音通信和高移动性。另外本文也 为实现简单、可靠、性能好、满足语音通话等需要为目的的数字移动终端开发，提供 了一种研究思路。 关键词：d m r 协议；直通模式；数字对讲机；m s p 4 3 0 ；集群通信；a m b e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第工i 页 a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h es c o p eo fi t ss e r v i c et op o i n t s ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb e d i v i d e di n t o p r o f e s s i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dp u b l i c m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ， t w o w a yr a d i o i sd e d i c a t e dh a n d h e l dd e v i c eo fp r o f e s s i o n a lm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，a n dw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d so fs o c i a lp r o d u c t i o n i tw i l lb ew i d e l yu s e di n l o n g t e r mf u t u r ef o rt h a ti t sp o s i t i o no nt h em a r k e ti sd i f f e r e n tf r o mo t h e rw i r e l e s sm o b i l e c o m m u n i c a t i o nt o o l ss u c ha sc e l lp h o n ea n dc a nn o tb er e p l a c e d ，w h i l et h ec h a r a c t e r i s t i c so f c o m m u n i c a t i o ne s t a b l i s h m e n ts p e e da n do n ec a l lm a s sr e s p o n s e c u r r e n t l y ，t h ef i e l do f d o m e s t i cc o n v e n t i o n a lt w o w a yr a d i or e m a i n sb a s i c a l l y i nt h e s t a g e o fa n a l o g c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y o b v i o u s l y ，a sp e o p l er e q u i r e m e n t si n c r e a s eo nt h et w o - w a y r a d i o sp e r f o r m a n c e ，as o r to fh i g hm o b i l i t y ，n oc e n t e ra n dp o i n tt op o i n td i g i t a lt w o 。w a y r a d i ow i ub e c o m ea l lu r g e n tr e q u i r e m e n t i na d d i t i o n ，i no r d e rt op r o m o t et h ed e v e l o p m e n t o fd i g i t a lt w o w a yr a d i oi nc h i n a ，t h en a t i o n a lr a d i oa u t h o r i t yp u b l i s h e d r e l a t e dt e c h n i c a l i n d e x e si ns e p t e m b e r2 0 0 7 d m rc o m m u n i c a t i o ns y s t e mp r o t o c o li st h el a t e s tp r o f e s s i o n a ld i g i t a lm o b i l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d ，w h i c hi sp r o p o s e db yt h ee t s i ( e u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n s s t a n d a r d si n s t i t u t e ) c o m p a r e dw i t ht w om a t u r ed i g i t a ls t a n d a r d s ，t e t r aa n di d e n ，t h e d m r p r o d u c th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl o wc o s t ，s i m p l et e c h n o l o g y ，a n d t h es u p p o r t so f t h et r a n s i t i o nf r o ma n a l o gt od i g i t a l ，e t c a sd m r i sn o ty e tf u l l yf o r m e d ，f o l l o w u pr e s e a r c h h a v es i g n i f i c a n tv a l u e f i r s t l y t h i sp a p e r c a r r i e so u ta n a l y s i sa n dr e s e a r c ho nt h ed m rp r o t o c o l ，e s p e c i a l l yi t s a i ri n t e r f a c ea n dv o i c ec o d i n gt e c h n i q u e s o nt h i sb a s i s ，a c c o r d i n gt ot h ed m rp r o t o c o l m o d e l ，d e v e l o p sat i m ed i v i s i o nd u p l e x ( t d d ) c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lp r o g r a m a n d t h e n ，h a r d w a r ec i r c u i tp r o g r a mo fd i r e c tm o d ed i g i t a lt w o - w a yr a d i oi sd e s i g n e da c c o r d i n g t oc o m m u n i c a t i o np r o t o c o lp r o g r a m i nt h i sp r o g r a m ，c c 1101i ss e l e c t e da st h em a i nc h i pi n t h er fm o d u l e ，m s p 4 3 0 f14 9 ( m c u ) w h i c hc a nr e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o ni su s e df o rt h e m i c r o c o n t r o l l e rc h i p a n dl o w r a t ev o i c ea n dh i g h d e f i n i t i o na u d i oc o d e cc h i pa m b e 一1 0 0 0 ( d o m e s t i c ) i sc h o s e nf o rv o i c ep r o c e s s i n g t h e n ，t h ew a yo ft h et o p d o w ni s u s e df o r s o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m ，m ec o m b i n a t i o no fh i e r a r c h i c a la n dm o d u l a r i z a t i o n p r o g r a m m i n gi d e ai su s e df o ra r c h i t e c t u r ed e s i g no fp r o g r a m m i n g ，s u b 。m o d u l e so f s o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dt h e nc o m p l e t et h ep r e p a r a t i o no ft h ec o d ef r o mb o t t o mt ot o pl a y e rb y l a y e r f i n a l l y ，t h ed e b u g g i n gp r o c e s so f h a r d w a r ea n d s o f t w a r ei si n t r o d u c e d 1 1 1 ed i r e c tm o d ed i g i t a lt w o w a yr a d i ow h i c ht h i sp a p e rs t u d i e d i st h ef i r s t i m p l e m e n t a t i o ns t a g ei nd 王p r o t o c 0 1 i t sr & d w o r ko nd i r e c tm o d em o b i l et e r m i n a l ， w h i c hw o r k si nt h ea b s e n c eo fi n f r a s t r u c t u r e w i t hr e c i p r o c i t y f u l l - d u p l e xv o i c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 c o m m u n i c a t i o na n dh i g hm o b i l i t ya r er e a l i z e df r o mt h e v i e w p o i n to fl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n dl o wc o s t m o r e o v e r ，t h i sp a p e rp r o v i d e sar e s e a r c ha p p r o a c hf o rt h e t e r m i n a ld e s i g nw h i c hi st oa c h i e v ee a s y ，r e l i a b l e ，h i g h - p e r f o r m a n c ev o i c ec o m m u n i c a t i o n k e yw o r d s ：d m rp r o t o c o l ：d i r e c tm o d e ；d i g i t a lt w o w a yr a d i o ；m s p 4 3 0 ；t r t m k i n g c o m m u n i c a t i o n ；a m b e 西南交通大学曲南交遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者虢蔗水 日期。土o l o 7 f 指导老师签名： 日期： 弱 l 西南交通大学硕士学位论文 主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 根据d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 集群通信协议的优势，再结合相应的软硬 件特点设计了能满足多种业务的直通式数字对讲机通信协议，其中重点是时分双工的 帧格式和实现方式两方面的关键技术。 ( 2 ) 根据系统要求设计硬件方案，再根据硬件设计方案，在编程架构设计上运用 了层次化与模块化相结合的编程方法对系统软件进行了详细的设计与调试。 ( 3 ) 设计并调试了一种直通式数字对讲机，目标实现音质较清晰、数字语音数据 速率低等优点，并为数字集群通信提供了一种有参考价值的思路。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中做了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 一繇蒿爪 日期：- ) 0 10 ，7 、f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 数字对讲机研究的背景与意义 移动通信系统按其所服务的范围来分，可以分为专用移动通信系统和公用通信通 信系统，公共移动通信是一种包含很广的移动通信系统，它有多种体制，其中最重要 的是蜂窝移动通信系统l l2 1 。而专用移动通信系统最早则是有对讲机发展而来的，后来 把对讲机的频率集中起来为更多的用户共用。专用移动通信系统大体上可以分为两大 类：一类是有中心基站的集群通信系统，主要应用于大的企业、团体、单位，需要建 设大量的基础通信设施，费用也非常昂贵l l ”1 ；另一类是没有中心节点控制的无中心对 讲机，不需要基础通信设施的支持，可以自由组网。相对于集群通信系统对讲机，无 中心对讲机具有更好的移动性，同时成本也会降低很多。许多公司和单位，尤其是中 小企业和单位，使用的人员不是很多，不可能都使用数字集群通信系统，无中心对讲 机将是较好的选择。而无论是规模庞大的集群通信系统，还是无中心的对讲机系统， 其手持设备都是对讲机。 集群通信( t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n ) 是专业移动通信领域中不可或缺的一个部分， 它是实现移动指挥调度最有效的手段之一，也是指挥调度最重要的通信方式之一，是 一种无线专用调度通信系统。它从一对一对讲机的形式、同频单工组网形式、异频双 工组网形式以及能够选呼的系统，发展到多信道自动拨号系统，而近十几年来，又进 一步发展成为多信道用户共享的调度系统。集群通信系统的应用非常广泛，包括公安 系统、国家安全系统、船舶通信、交通、森林、城建、矿区作业、电力、航空业务、 铁路运输、海关系统、灾难救助和公用专网等等【2 j 。 基于近年来所发生的海啸、冰雪灾害、汶川8 0 级特大地震等突发事件，数字集群 及社会与城市应急联动系统，乃至公众通信网络，如何快速、有效应对这类破坏能力 特强、破坏面积特大、破坏速度特快的突发事件是一个严峻的挑战，它决非原先一般“预 案”所能始料，而且它可能一瞬间或很快将地面基础设施和常规通信手段破坏而导致彻 底瘫痪，则立即丧失通信联络与协调指挥能力，在这种情况下，各种类型的卫星通信 设备与无基础设施的对讲机即成为重要联络与指挥手段。于此同时，数字对讲机与模 拟对讲机相比，不仅能实现模拟对讲机基本业务外，还具有具有抗干扰能力强、频谱 利用率高、语音清晰、保密性好等特点，而且还能支持附加多种数据信息等附加业务p j 。 因此，针对目前国内公共移动通信系统已经进入了数字多媒体的3 g 时代，而专网移动 通信的无中心对讲机几乎全都是模拟制式这样一个落后局面，对于我国对讲机进行逐 步数字化，由性能更强大的数字对讲机取代传统的模拟对讲机必然是大势所趋。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 数字对讲机前景分析与国内外研究现状 1 数字对讲机的前景分析 数字对讲机市场定位不同于公共通信网的终端( 手机) ，有着本质的区别，本质的 区别的内容很多，主要介绍在以下的四个方面就足以看出，数字对讲机不会被公共通 信系统终端( 手机) 取代，仍将有很好的前景，主要的区别如下： ( 1 ) 数字集群对讲机是一种提高工作效率的“生产工具，是保障社会稳定、确 保安全生产、提高工作效率、降低事故损失的重要手段。就数字集群对讲机的作用而 言，具有社会效益和经济效益的双重性。而公共移动通信系统是人们方便日常联络沟 通、提高生活品质的手段之一，虽然在提高工作效率等方面也具有一定的促进作用， 但就其本身性质而言，更趋向于追求经济效益。 ( 2 ) 数字集群对讲机的最主要业务特征是“一呼百应 的群组呼叫，个体用户或群 组之间分为不同的等级，表现为占有通信资源和通话主导权的优先级别不同。通信作 业一般以群组为单位，以调度台管理为特征。一般情况下被叫用户无权拒绝主叫用户 的通信要求。而公共移动通信系统的主要业务特征是“一对一”的个体之间的通信， 个体用户之间是平等的，被叫用户有权拒绝主叫用户的呼叫请求。即便是在通信资源 紧张的情况下任何用户也无权中断其他用户的通信强行占用通信资源。 ( 3 ) 在系统功能方面，数字集群系统的基本功能包括组呼、全呼、广播呼、私密呼 以及电话互连呼叫等。补充功能包括调度区域选择、多优先级、紧急呼叫、迟后进入、 动态重组、调度台强拆强插、直通模式、v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，虚拟专用网 络) 功能等，对于特殊用户还需提供鉴权、空中加密、端到端加密等功能。上述业务 功能是作为一个真正的数字集群通信系统所必需的，否则无法满足现场实际工作的需 要，而公众移动通信系能则没有这方面的特殊要求。 ( 4 ) 在组网模式方面也有很大的不同，公共移动通信系统的组网原则比较单一，即 通过事先预测和事后统计观察业务量和用户地理分布特点进行网络组织，具有一定的 “趋利 性。而数字集群的组网原则比较复杂，需要根据用户现实需要的工作区域进 行组网，而不是根据业务量的大小决定组网的先后顺序，也不能因为业务量大小而改 变网络性能( 如覆盖质量、各种性能指标等) 。 以上分析可以看出，数字集群与公共移动通信系统在本质上有很大的不同，分别 使用于不同的目标用户群，以不同的方式向用户提供服务，二者不可相互替代，也完 全能够做到共存和协调发展。在两种通信技术的发展过程中，也不断相互汲取和借鉴 对方的经验以完善自身的发展。但它也不可能相互代替，因为集群通信的生命力在于 为社会行业用户提供定制的、专业化的调度指挥通信手段，而不取决于采取什么样的 方式【4 】。 随着集群系统网络在世界范围内快速的发展，数字终端将在未来发展中被大量使 用。据欧美市场调查：在2 0 0 3 年数字对讲机和模拟对讲机的比例是2 ：8 ，到了2 0 0 4 年比例变成5 ：5 ，预测到2 0 0 7 年其比例将是8 ：2 。据国家权威部门预测，我国数字 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 集群系统的潜在市场需求约为移动台8 0 0 9 0 0 万部，信道1 4 1 5 万个，产值高达5 0 0 亿 元。其中数字集群共用网l o 年用户可达4 0 0 万部。如按国际上通用的估算方法，即按 专业移动用户为公众移动用户的十分之一估算，到2 0 1 0 年，我国的公众移动用户将超 过2 3 亿，届时专业移动用户也将增至2 0 0 0 3 0 0 0 万。由此看出，数字对讲机是未来无 线通信市场的一个发展方向，在世界范围内具有广大的用户潜力。 2 数字对讲机的国内外研究现状 在集群通信协议的研究上，1 9 9 8 年3 月，国际电信联盟( i t u ) 根据各国提交的集群 通信系统标准制定了a p c o2 5 、t e t r a p 0 1 、e d a c s 、t e t ra 、d i m r s 、i d r a 、f h m a 等7 个数字集群通信系统的国际标准，t e t r a 、d i m r s ( 后来改名为i d e n ) 、i d r a 三 个为时分复用接a ( t i m ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，t d m a ) 技术标准，从目前的应用来 看，t e t r a 和i d e n 两个系统应用较为广泛。 t e t r a 标准由欧洲电信标准研究所( e t s i ) 带0 定，它是一种基于数字时分复用 ( t d m a ) 技术的无线集群移动通信系统技术标准，定义了一系列开放接口、呼叫服务和 协议，它不仅提供了数字化的一对一全双工移动电话服务，还可以提供短数据信息服 务、分组数据服务以及一对多群、组的调度功能【5 67 1 。 i d e n 系统是由摩托罗拉公司推出的集数字话音传输为一体的综合数字集群通信系 统，采用t d m a 技术，使得在2 5 k h z 信道上可以同时传送6 路数字话音，并可动态分 配带宽，再加之频率复用技术和蜂窝组网技术，从而使得有限频点的集群通信网具有 大容量、大覆盖区、高保密和高通话清晰度的特点】。 国内的集群通信技术研究相对落后，2 0 0 3 年，由信息产业部电信研究院牵头组成 专家组，启动了数字集群技术试验工作以及相关的标准制订工作。2 0 0 4 年3 月1 9 日， 中兴在北京宣布成立数字集群系统g o t a 产业联盟；两个月之后，华为在京宣布，其 g t 8 0 0 数字集群系统的产业联盟正式成立。中国数字集群市场在经历了0 4 ，0 5 年发展 高潮后，从0 6 年开始趋于缓慢。 2 0 0 7 年，华为公司又推出了基于c d m a 2 0 0 0 1 x 的t r u s t a r 标准，将集群通信发展 有推向了另一个高潮，华为t r u s t a r 解决方案是华为基于第三代移动通信技术研制推出 的新一代数字集群解决方案，它的全称是“t r u n k i n g s t a r 。作为新一代数字集群系统里 的明星，它提供了更高的性能、更多的定制化业务、为从事团队工作的用户提供了人 性化的多业务通讯平台，并为运营者提供低成本的解决方案【9 】。 欧洲电信标准协会( e t s i ) 又于2 0 0 5 年先后推出了使用t d m a 技术的d m r ( d i g i t a l m o b i l er a d i o ) 和使用f d m a 技术的d p m r ( d i g i t a lp r i v a t em o b i l er a d i o ) 标准。对于d m r 的发展在国外和国外都处于起步阶段，2 0 0 6 年9 月e t s i 发布了d m r 的空中接口、语 音技术、数字业务及集群协议的相关协议e t s it s1 0 23 6 1 。新颁布的此项协议，由于 还没有完全成型，如果现在进行跟踪研究，就可以与国际上其他的相关研究机构在技 术上保持同步，容易避开专利技术壁垒，相当于与国际研究站在同一起跑线上【l0 。另 外，d m r 标准中采用的信道参数，满足我国的对讲机相关规定，语音编码方式( a m b e ) 可有多种专用芯片支持，可以降低产品成本，相对于t e t r a 和i d e n 系统设备采购、 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 建网成本和终端价格都较低；而协议的分层结构( 三层) 也相对简单，这样使得通信 系统设备易于实现。t e t r a 和i d e n 系统开始研发比较早，技术比较成熟，但对新业 务支持能力相对较弱。基于以上的论述，因此对d m r 的研究有巨大的开发价值。 以上内容是集群通信技术协议标准在国内外的发展现状，在这众多的协议标准中， 目前研究最为热门的是欧洲电信标准协会( e t s i ) 先后推出的使用t d m a 技术的d m r 和使用f d m a 技术的d p m r 标准。要紧跟国际研究步伐，d m r 协议研究是一个较好 的选择。以下内容将介绍数字对讲机产品的国内外研究现状。 在数字对讲机产品的研发上，摩托罗拉是世界上最早开始研究数字对讲机的公司， 早在上世纪七十年代便率先将数字技术引入对讲机系统设计中，1 9 7 5 年生产出数字语 音加密的d v p 对讲机，1 9 8 0 年研制了一套数字数据通信系统。到2 0 0 8 年初，摩托罗 拉已经有多款数字对讲机产品通过我国无线电委员会的型号核准，此外日本的健伍、 i c o n 公司也有产品通过无线电委员会的核准，但是这些产品价格普遍比较昂贵，而且 需要基础设施，移动动性就会变差，而国内企业还没有上市的数字对讲机出现【8 】。 对讲机产业在我国已有几十年的历史，形成了一系列国家标准，但是这些标准都 是针对模拟制式对讲机的。为满足数字对讲机发展的需要，我国近几年来加大了力度 推进数字对讲机的研究。国家无线电管理局于2 0 0 7 年9 月1 3 日正式发布了信无函 【2 0 0 7 1 8 1 号文件“关于发布数字对讲机系统设备无线射频技术指标要求试行的通知” ( 以下简称技术指标要求) 。使得我国的数字对讲机发展有章可寻，数字对讲机的 市场也将被打开，另外2 0 0 8 年2 月2 6 日和2 0 0 9 年1 月1 3 日在北京先后举办了两届 数字对讲机应用与发展论坛，迅速促进了我国数字对讲机的发展。 h y t 作为国内模拟对讲机市场份额占有率最大的对讲机制造商，已投入了大量资 金、人力资源，并结合国内外先进技术、研发数字集群对讲机产品，成为国内少数能 够介入数字对讲机领域的民族企业。但是是迄今尚没有关乎数字对讲机核心技术的基 带、语音编解码、信道编码等的国家标准。 1 3 本文所研究的主要内容 对于直通模式数字对讲机因为其特殊的应用而具有不可替代的市场地位，本文旨 在设计和实现能够安全可靠的通信，语音更加清晰，实现全双工的通信方式，从而为 无中心的数字移动终端开发提供一种研究思路。为此本文参考d m r 集群通信协议设计 出了更为简单的基于t d d 方式的通信协议，进而设计终端硬件方案，并在编程架构设 计上运用了层次化与模块化相结合的编程方法进行软件开发，最终通过调试实现相应 的功能。 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 首先对d m r 集群通信协议进行详细分析和研究，根据d m r 集群通信协议 的优势，再结合低成本要求和相应的实验条件对软硬件的要求，设计了能实现多种业 务的直通式数字对讲机通信协议，其中包括定义了物理层、t d d 的帧格式设计与实现 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 方式等方面的关键技术。 ( 2 ) 设计并论证了一种低成本直通式数字对讲机的硬件电路方案，选择c c l1 0 1 射频收发作为主芯片，以低功耗m s p 4 3 0 f 1 4 9 ( m c u ) 为微控制芯片，选择 a m b e 1 0 0 0 ( i 虱产) 语音编解码芯片进行语音处理。 ( 3 ) 对系统进行自项而下软件设计，在编程架构设计上运用了层次化与模块化相 结合的编程方法，逐层分模块后再使用汇编语言和c 语言，自底向上完成各个层次程 序的代码编写，以提高系统开发速度。最后介绍了调试软硬件的过程。 ( 4 ) 本文的最后对本文的工作进行总结分析，并根据分析结果提出了下一步的工 作方向。 1 4 本文的组织结构安排 本文编写的过程根据系统设计的需要，全文共分为五章： 第一章：综述内容。介绍了数字对讲机系统设计的背景和现实生活中的应用价值， 接下来又对数字对讲机的广阔前景和目前国内外研究现状进行了概要的叙述。 第二章：通信协议方案研究。首先对d m r 集群通信协议进行简要介绍，从数据链 路层协议标准与物理层关键技术上进行详细的分析和研究，接着根据d m r 集群通信协 议的优势，再结合系统低成本和相应的实验条件对软硬件的要求，设计了能实现多种 业务的直通式数字对讲机通信协议，其中包括重新定义物理层、设计t d d 的帧格式与 实现方式，修改空中接口标准等关键技术。 第三章：系统硬件设计方案。首先设计并论证了一种低成本且相对高性能的直通 式数字对讲机的硬件电路方案，设计出系统结构框图，接着对系统模块化介绍，对微 处理器与无线传输模块，主要介绍了芯片选型，电路设计和相应的接口连线；另外还 加入了外围电路的介绍。最后的部分还介绍了电源设计和时钟管理，简要表述了硬件 电路布线和布局要点。 第四章：系统软件设计方案。首先介绍了软件开发环境，然后根据层次化与模块 化相结合的模型，得出了系统软件设计思路，编程方面对系统进行自顶而下软件设计 和自底而上的编写代码的方法，将系统软件分为系统初始化模块、系统数据控制模块 和通信控制模块三个主要模块。详细说明了整个软件的设计思路，并简要阐述了程序 设计过程。 第五章：系统的调试与分析。最后介绍了系统软硬件调试，并对实验结果进行分 析，说明常见问题与注意事项。 最后，根据所有的研究分析得出结论，说明主要问题并提出后续的工作方向。 本文的最后内容是参考文献和附录部分。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章直通式数字对讲机通信协议方案 d m r 集群通信协议作为当前热门的通信协议之一，整个协议栈结构较为复杂，功 能全面而强大，本文所设计的直通式对讲机通信系统，是相对简单的，没有涉及到许 多复杂的功能，本系统协议设计认为先从小的方面入手，然后再由小至大，简单到复 杂了设计系统协议，基于这一个观点本章首先对d m r 集群通信协议进行简要介绍，在 此协议的基础上，再结合本系统低成本和相应的实验条件对软硬件的要求，构造出一 个相对简单的通信协议方案，以满足本系统的实现。 2 1 数字集群专用通信协议d m r 简介 d m r 协议是欧洲电信标准协会( e t s i ) 提出的新型数字集群通信协议，相对于目 前我国使用的数字集群标准是t e t r a 和i d e n 两种制式，d m r 协议具有成本低、易 于实现等优势，随着d m r 协议的提出，数字集群通信系统的通信协议也将趋于多样化 【1 1 1 。由于d m r 协议有其不同于其他两协议的特点，其发展具有很好的前途，虽然我 国的数字对讲机的研发才b u b l i 起步，我国已有一些对讲机生产企业着手研究基于d m r 通信协议的数字对讲机。 d m r 协议的实现，总共分三阶段来完成： 第一阶段：直通模式：在没有基础设施，移动终端是对等的( 都是移动台) 情况 下，研发工作于直通模式下的数字移动终端，完成协议中要求的职能。本文研究的数 字对讲机就是直通模式下的数字终端。 第二阶段：转发模式：在有基础设施存在的情况下，有两种实现方式，( a ) 在点 对点模式下由第三方移动终端提供转发功能，( b ) 由基站实现转发，这里的基站是在 授权的情况下实现的。两种方式，都完成了转发功能。 第三阶段：集群通信方式：在基础设施支持的情况下，实现具有自主管理功能的 集群通信，实现d m r 中的集群系纠1 3 j 。 第二阶段和第三阶段都需要基础设施，而第一阶段则不需要，具有更好的移动性 的特点，有其特定的应用场景。 2 1 1d m r 协议分层结构 d m r 协议是适用于在陆地移动通信系统的频段上，从整个协议结构分三层，d m r 的三层协议构架是由o s l 的七层模型中演化而来，继承了通用的分层结构，被通信分 层框架所接受【1 2 1 。自底向上分别是物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p y ) 、数据链路层( d a t a l i n k l a y e r ，d l l ) 和呼叫控制层( c a l lc o n t r o ll a y e r ，c c l ) ，其中呼叫控制层有两面：控 制面和用户面。如图2 1 所示d m r 协议栈【1 4 1 516 1 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 效语音载荷 第三层 第二层 二二 二e 二二 第一层 图2 1d m r 协议栈结构 协议栈的第一层即物理层( p y ) ，它支持在物理媒介上传输比特流所需要的全部功 能。其中包含： 调制与解调； 发送与接收的切换； 射频特性； 比特和符号的定义： 频率和符号的同步； 时隙的形成等。 协议栈的第二层即数据链路层( d l l ) ，接受第一层物理层对它的服务，并向第三 层呼叫控制层提供服务。其中要实现的功能包含： 信道编码( 前向纠错，f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ，f e c ；循环冗余码校验，c y c l i c r e d u n d a n c yc h e c k ，c r c ) ； 交织、去交织以及比特排序； 确认和重发机制； 信道接入控制和信道管理； 帧、超帧的建立和帧同步； 突发和参数定义； 链路寻址( 信源或信宿) ； 话音应用( 声码器) 与物理层的接口；数据承载业务； 与呼叫控制层进行信令与用户数据的交换等。 协议栈的第三层即呼叫控制层( c c l ) 。d m r 空中接口第三层只适用于控制面， 负责呼叫控制，提供d i v l r 支持的服务，支持数据业务。呼叫控制层是公共设施和服务 的实体，它得到第二层的支持。d m r 空中接口呼叫控制层的具体功能包含： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 基站激活去激活； 呼叫建立，呼叫保持，呼叫中止； 单呼和群呼的发送与接收； 目的寻址： 支持固定业务； 数据呼叫控制； 通知信令等【1 8 1 。 d m r 支持多种业务类型，主要有群呼叫服务、个人呼叫服务、非寻址语音呼叫服 务、整体呼叫服务、广播语音呼叫服务以及开放语音信道呼叫服务。这些业务的具体 内容在这里就不再赘述。 2 1 2 d m r 协议的物理层( p y ) 关键技术 表2 1d m r 物理层协议 项目名称项目参数 无线载波频段3 8 0 - - 4 5 0 m h z ( 典型频段) 射频载波带宽1 2 5 k h z 信道数目根据需要设定 调制方式4 f s k 信道编码f e c ，c r c 多址方式t d m a 双工方式t d d 语音编码 4 8 k b sa m b e 比特流输入 波形成形模频率 4 f s k 输出 块f ( f ) - _ _ _ _ _ _ 一 调制 图2 - 24 f s k 调制器 物理层的任务就是透明的传输比特流，协议中采用的调制方式是4 - f s k ，调制时 每秒发送4 8 0 0 个符号；无线载波频段设在小于1 0 0 0 m h z 频段上，典型频段 3 8 0 4 5 0 m h z ，选用射频载波带宽为1 2 5 k h z ，则是相当节省频带，在设备的设计过程 中要考虑到具体的频谱情况，不同的国家要求各不相同，在仔细阅读了d m r 协议后， 将主要参数总结如表2 1 所示。值得说明的是信道编码方式和信源编码不是物理层的 内容，为了便于阅读都直接列在表中。 4 f s k 调制器由一个平方根升余弦滤波器级联一个频率调制器组成，由图2 1 可见 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 4 f s k 调制模块分成两部分，第一部分为成形滤波模块，产生四电平的基带带限信号 作为调制信号；第二部分是调频部分i l 训。 调制方案的性能常用它的功率效率和带宽效率来衡量。功率效率是描述在低功率 的情况下一种调制技术保持数字信息信号正确传输的能力。在数字通信系统中，为了 提供抗噪声性能，有必要提高信号的功率。得到特定水平的保真度( 可接受的误比特 率) 所需要提高信号功率的数值，取决于使用的调制方法。一种数字调制方案的功率 效率1 1 d ( 能量效率) 是由它利于信号保真度和功率之间的折中来衡量的，通常表示为 在接收机输入端特定的差错概率下，每比特信号能量和噪声功率谱密度的比值( e b n o ) 。 宽带效率是描述调制方案在有限的带宽能容纳数据的能力。一般来说，提高数据 速率意味着减少每个数字符号的脉冲宽度。在调制方案中这两者之间折中基础上其性 能优于其他方案。带宽效率反映了被分配的带宽如何有效利用的，定义为在给定带宽 内每赫兹数据速率吞吐量的值。r 是每秒数据速率，单位比特( b i t ) ，b 是已调r f 信 号占用的带宽，则带宽效率r i b 表示为【1 9 】： r i b = r b b p s h z 表2 - 2 多进制数字频率调试( m f s k ) 的带宽效率和功率效率 m2481 63 26 4 1 1 b o 40 5 70 5 50 4 2o 2 9o 1 8 e t f n o ( 单位1 0 。6 ) 1 3 51 0 89 38 27 56 9 经参阅资料，多进制数字频率调试( m f s k ) 的带宽效率和功率效率表2 2 所示， 由图表中可以看出4 - f s k 的带宽效率和功率效率都有较好的性能，所以4 f s k 调制方 案性能良好。 。 2 1 3 d m r 协议的数据链路层概述 c 同步 c 同步 c a有效信令或有效a 有效信令或有效 a c 载荷嵌入式载荷 c 载荷嵌入式载荷 c h 信令 h 信令 h i 3 0 m s i2 5 i 竺尘l 堕l 一s i l 多l t d m a 帧格式 图2 3d m r 协议中的t d m a 帧结构 在数据链路层，数据传输以帧为单位进行收和发，在d m r 协议中采用一种双时隙 的t d m a 帧结构，规定的帧长为6 0 m s ，帧包含两个时隙，每个时隙长3 0 m s 。其中2 7 5 m s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 的时间内发送有效信息，2 5 m s 分成时隙左右两边各1 2 5 m s ，于是每一个突发之间相 距2 5 m s 2 0 1 ，t d m a 帧结构如图2 3 所示。 在传输语音的时候，语音帧是以超帧为单位，每6 个语音帧a f 组成一个超帧， 以超帧为单位周期传输，一个语音超帧3 6 0 m s 。每次语音开始之前，也就是突发a 之 前会有一个语音帧头( l ch e a d e r ) 标志语音开始。语音超帧结构如图2 4 所示。 图2 _ 4 语音超帧结构图 一个时隙有两部分构成，一部分是有效载荷，它被分成两块，每一块占用1 0 8 b i t ， 主要是用来传送语音或者数据的；另一部分位于两个有效载荷的中间，占用4 8 b i t ，主 要是用来传送同步信息或嵌入式信息等与有效载荷有关的信息的，时隙结构( 发数据 时) 如图2 5 所示。 、， 1n o k ：d o k ：+ 2 2 一 1n o k ： l u o u l bt o u l l s 气一 1 u o o i 【s， 同步信令 有效载荷嵌入式信令有效载荷 ， 5 o m s 、 l ， 2 7 5 m s 图2 - 5 时隙结构 同步信令可以用来区分语音、数据、控制信令，用于区分出栈信道和入栈信道。 控制信令里的出栈信息的中间含有同步信息，语音的语音头、语音终止帧、以及语音 帧a 含有同步信息，占据的比特位是4 8 b i t 。嵌入式信道是和同步信道一样，处于信令 的中间的位置，一般加入了同步信令就不会加入嵌入式信令，