（通信与信息系统专业论文）dmr数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发.pdf

摘要 随着无线通信技术的发展、人们对无线通信质量要求的提高以及频谱资源的 日益缺乏，传统的模拟对讲机已经不能满足需求，对讲机的数字化已经成为一种 必然的趋势。2 0 0 4 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 提出了一种新的数字集群通信标准 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 系统，本文所开展的研究正是基于这种通信协议的，不 仅具有重要的理论意义，而且具有实用价值。 本文介绍了数字对讲机的发展概况和d m r 数字通信协议的特点，并根据d m r 数字通信终端开发的要求，以数字信号处理芯片d s p 矛i 微控制芯片m c u 为核心， 设计并实现了一种d m r 终端基带模块的硬件平台，详细介绍了该平台的硬件设计 以及相应的调试，并在该硬件平台基础上实现高层协议软件的开发，实现了基带 系统的程序上电自动加载。该硬件平台以及高层软件开发具有通用、灵活的特点， 可以用来满足d m r 数字通信终端的开发并为数字移动集群通信系统的发展做出了 相应的贡献。 关键字：d m r 通信协议数字对讲机基带m s p 4 3 0t m s 3 2 0 v c 5 5 1 0 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a d i ot e l e c o m m u n i c a t i o n ，p e o p l e si m p r o v e d r e q u i r e m e n to ft h et e l e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t ya sw e l la st h eg r o w i n gs h o r t a g eo f s p e c t r u mr e s o u r c e s ，打a d i t i o n a la n a l o gw a l k i e - t a l k i ec a n n ol o n g e rm e e tt h en e e d s ，a n d t h ew a l k i e - t a l k i ed i g i t i z a t i o na l r e a d yb e c o m e so n ei n e x o r a b l et e n d e n c y i n2 0 0 4e u r o p e t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d si n s t i t u t e ( e t s i ) b r o u g h tf o r w a r dan e wd i g i t a lt r u n k i n g t e c h n o l o g ys t a n d a r dc a l l e dd i g i t a lm o b i l er a d i os y s t e m ( d m rs y s t e m ) ，t h es y s t e m s h o w ni nt h i sp a p e ri sb a s e do nt h en e wc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i tn o to n l yh a sa l l i m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c e ，b u ta l s oh a sp r a c t i c a lv a l u e t h ed i g i t a lw a l k i e - t a l k i ed e v e l o p m e n ts u r v e ya n dt h e c h a r a c t e r i s t i co fd m r d i g i t a lt h i n k i n gs t a n d a r d sa r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e rf i r s t a n da c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n to f t h ed m r d i g i t a lw a l k i e t a l k i e ；t a k i n gt h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ( d s p ) a n dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c u ) a st h ec o r ec h i p s ，h a r d w a r ep l a t f o r md e s i g n i n ga n d d e b u g g i n ga r ep r e s e n t e di nd e t a i l ；a n dt h e n ，b a s eo nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，h i g h e rl a y e r s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti sd e s c r i b e di nd e t a i l ；f i n a l l y ，t h eb o o t l o a d e ro fb a s eb a n ds y s t e m i sc o m p l e t e d t h es y s t e mc o m p l e t e sn o to n l yt h eh a l f - d u p l e xm o d ea n dd u p l e xm o d e c o m m u n i c a t i o no fb a s eb a n ds e c t i o n , b u ta l s oo n e - w a yw i r e l e s sv o i c ec o m m u n i c a t i o n t h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dh i g h e rl a y e rs o f t w a r eh a v et h eu n i v e r s a la n df l e x i b i l i t y f e a t u r e s ，w h i c hs a t i s f yt h ed m rd i g i t a lw a l k i e - t a l k i ea n dd i g i t a lm o b i l et r u n k i n g s y s t e mc o m m u n i c a t i o nd e v e l o p m e n t k e y w o r d ：d m rc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l d i g i t a lw a l k i e - t a l k i e b a s e b a n d m s p 4 3 0t m $ 3 2 0 v c 5 5 10 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另, j d n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： 日期 盈! ! ：! 兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期珥：皇：瞳 日期丛幽。3 ：! y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 无线电对讲机可分为模拟对讲机以及数字对讲机【l 】。模拟对讲机是将原始语音 信号调制到对讲机传输频率上，而数字对讲机则是将语音信息数字化，以数字编 码形式传播。 上世纪7 0 年代，摩托罗拉率先将数字技术引入无线对讲机的设计，1 9 7 5 年生 产出了数字话音加密的对讲机，1 9 8 0 年研制出数字数据还原系统。近年来，国内 对讲机市场竞争日趋激烈，一些有实力和远见的厂商已经与世界同步，开始进行 数字对讲机的开发。数字对讲机具有有效利用频谱资源、提高通话质量和改进语 音和数据集成等几大优点，代表着对讲机的发展趋势。 随着无线电通信技术的发展、人们对无线通信质量要求的提高以及频谱资源 的日益缺乏，数字对讲机必将有巨大的市场需求。目前，在全球范围内数字对讲 机的需求也在不断增加，特别是在公共安全部门。数字对讲机有许多优点：一是 可以更好地利用频谱资源。与蜂窝数字技术相似，数字对讲机可以在一条指定的 信道上装载更多用户，提高频谱利用率，这是一种解决频率拥挤的方案，具有长 远的意义；二是可以有效提高通话质量。由于数字通信技术拥有系统内错误校正 功能，和模拟对讲机相比，可以在一个范围更广泛的信号环境中，实现更好的语 音音频质量，其接收到的音频噪音会更少些，声音也更清晰；三是数字对讲机还 可以提高和改进语音和数据集成，改变控制信号随通讯距离增加而降低的弱点。 与类似集成模拟的语音及数据系统相比，数字对讲机可以提供更好的数据处理及 界面功能，从而使更多的数据应用可以被集成到同一个双向无线通信基站结构中， 使语音和数据服务集成更完善、更方便。这三大特点决定了数字对讲机将成为未 来对讲机发展的趋势。 在欧美市场，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 年则变 成了5 ：5 ，预计到今年其比例将是8 ：2 。这一变化也可反映出数字化是对讲机发展的 方向。 目前，在数字对讲机领域存在着多个标准，其中t e t r a ( t e r r e s t r i a lt n m k e d r a d i o 陆上集群无线电) $ 1 i d e n 两种体制作为我国数字集群通信系统体制行业推 荐性的标准。在国内，中兴公司的g o t a 矛h 华为公司的g t 8 0 0 系统也正在申报。 2 0 0 4 年，欧洲电信标准协会( e t s i ) 提出新型数字集群通信系统，即 d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 系统。d m r 第一阶段是对讲机模式，它与现有的模拟 对讲机有类似的地方，容易从模拟对讲机过渡到数字对讲机，且成本较低。随着 2 d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 该技术从简单向复杂的发展过程，d m r 的发展分为三个阶段，最终发展为数字集 群通信系统。 其发展经历的三个阶段分别是： 第一阶段( t i e r l ) ：该阶段的d m r 称为d m r # ，它是新一代数字无线专用移 动通信系统，可以在原有的模拟信道上进行操作。d m r # 提供简单的点对点的语音 和数据通信。 第二阶段( t i e r 2 ) ：为专业的市场提供点对点模式或是转发模式的通信。 第三阶段( t i e r 3 ) ：真正的数字集群通信系统，可以实现数字集群通信系统 的基本功能。 d m r 系统标准由e t s i 提出并与d m rm o u 共同完成。e t s i 提供除了语音编 码外的其它标准，而d m rm o u 提供语音编码的标准。2 0 0 6 年4 月d m rm o u 组织 决定采用d v s ia m b e + 2 声码器作为首选，声码器速率3 6 0 0 b p s 。 d m r 系统具有很多优点，它应用于以下方面：安全服务、站点安全、本地政 府和社会服务、公共事业、特殊的公共安全应用。 随着d m r 集群标准的逐渐成熟，支持d m r 系统的公司越来越多，例如： m o t o r o l a ，t a i t ，v e r t e x ，i c o m ，k e n w o o d ，f y d e ，h y t 。 总之，d m r 和常规移动通信系统相比有以下优点： 信道利用率比常规移动通信系统高。 服务质量高。 通话具有私密性。 是一种智能化的网络。 随着d m r 系统的逐步完善与成熟，它将进一步推进数字集群系统的发展。 1 2 课题来源及研究意义 本课题来自于西安电子科技大学信息科学研究所与国内某家对讲机生产企业 所签署的合作项目。在此项目中，信息科学研究所负责d m r 数字对讲机的研发， 包括硬件平台的构建和相应软件的开发，最终生产出样机。 d m r 终端系统包括基带模块和射频模块两大部分，本文正是对基带模块的硬 件设计以及高层软件开发进行的阐述和总结。 1 3 文章结构及主要内容 本文介绍了d m r 数字终端基带模块的硬件设计以及高层软件开发，首先简 第一章绪论 要介绍d m r 协议，之后详细介绍基带模块硬件系统设计，进而对硬件平台基础 上的高层软件开发进行了详细阐述。 本文主要内容安排如下： 第二章：d m r 通信协议介绍，特别是对高层协议进行了比较深入的分析。 第三章：d m r 数字端机基带模块硬件设计，首先提出系统设计方案，之后 详细介绍各个模块的器件选型、工作原理以及电路设计，最后介绍系统的p c b 绘 制。 第四章：基带模块功能调试，介绍各个模块的调试过程，并详细阐述基带系 统的脱机( b o o t l o a d e r ) 过程。 第五章：高层协议软件开发，介绍d m r 端机m c u 程序的开发过程。 第六章：对全文的工作做出总结，并提出了工作中的不足之处以及后续工作。 第二章d m r 通信协议介绍 第二章d m r 通信协议介绍 2 1 1d m r 协议简介 2 1d m r 通信协议概述 d m r 设备实体的发展分为3 个阶段【2 】： 第一阶段提供简单的点对点的语音和数据通信。 第二阶段应用于提供点对点模式通信以及转发模式通信的专业市场。 第三阶段应用于数字集群通信系统。 其中第二阶段以及第三阶段使用一种双时隙结构的时分多址( t d m a ) 技术， 射频载频带宽为1 2 5 k i - i z 。 d m r 协议的主要特点如下： 1 信令响应时间短。 2 需要时可以实现双工通话，并且还可以接到公共交换电话网( p s t n ) 。 3 提供一种反向信令( r e v e r s ec h a n n e ls i g n a l i n g ) 用于在通话过程中实现 一定的控制操作。 4 有三种信道接入准则供选择，在通信之前进行相应的信道接入方式。 5 使用低速率语音编码算法，推荐使用的是a m b e ( 增强型多带激励算法) 。 6 与专用集群移动通信网标准相兼容。 7 可以提供增强的节电方法。 8 可以进行数据传输。 9 在有特殊需要时( 如紧急事件) 可以强行接入，打断正在进行的通信。 1 0 调制解调技术使用的是4 电平频移键控技术( 4 f s k ) ，并且使用交织、 前向纠错编码( f e c ) 和帧同步等数字信号处理技术。 2 1 2d m r 时隙结构 d m r 协议采用一种时分结构，其时隙结构如图2 1 所示。每帧包含两个时隙， 每个时隙长3 0 m s ，因此一帧长6 0 m s 。每个突发包含2 6 4 b i t 的数据，其中语音突 发时隙由两个1 0 8 比特的有效载荷字段及处于中心位置的4 8 比特的同步信息组 成，如图2 2 所示；而对于信令突发，有效载荷载为两个9 8 比特的内容，留下一 个2 0 比特的字段作为附加数据类型字段，同步信息、仍然为中间的4 8 比特，如图 2 3 所示【3 】【4 1 。 d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 口口口口口口口口口口口口口口 l jk，i 图2 1d m r 时隙结构图 壤。j 。i ，一： i 铲 v o i c e 1 0 8 )；t + s y n e 钓，一iv o i c e 1 0 8 ) 照酝。矗蠢。溉，r ，磊 图2 2d m r 语音帧结构 。， | p j ?。，? _ 艿 苎 o i i 响9 8 。毽 s y n c 垒， i n o ( 蚴 芦 艺 翥翕 j。冉毽五玉；。 4 吃嘞。 f 图2 3d m r 信令及数据帧结构 d m r 语音使用超帧来传输，一个超帧包含6 个突发，也就是3 6 0 m s 。超帧中 的突发用符号a f 来表示。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 ) ，语音超帧结构如图2 4 所示。 囤囤圈园圈国回国图 a bcdef a 图2 4 语音超帧结构 第二章d m r 通信协议介绍 2 1 3d m r 分层模型 d m r 协议将模型成3 层，如图2 5 所示。 控制面 用户面 i j r d 信 - r ”1 e m 5 广一 短敦据业务话音有教裴葡 _ 一 致据包业务 呼叫控制层第三层 数据链路层第= 层 l 物理层第一层 图2 5d m r 协议分层模型 第一层是物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p l ) ，在物理传输媒介上完成数据传输， 包括4 f s k 调制解调、同步、射频、突发的组成、时隙的建立等。 第二层是数据链路层( d a t al i n kl a y e r ，简称d l l ) ，实现信道编解码、媒质 接入控制和信道管理、确认和重传机制、突发和参数定义、链路寻址、与呼叫控 制层之间进行数据交换等功能。 第三层是呼叫控制层( c a l lc o n t r o ll a y e r ，简称c c l ) ，实现呼叫的发起、保 持和终止，呼叫控制，信令组帧，数据呼叫业务以及基站的激活和去激活等功能。 需要注意的是，呼叫控制层与人机接口直接相连( 用户面) ，与用户直接通信。 2 2d m r 高层协议介绍 2 2 1d m r 无线信道接入原理介绍 可将d m r 协议分为高层和底层。d m r 底层协议不只包括物理层还包括数据 链路层的编解码等部分；与此相对应，d m r 协议的高层不只包括呼叫控制层， 还包括数据链路层的信道接入部分以及人机接口部分。 当一个移动台要接入到无线信道，需要检测此时信道是否空闲，是否可以被 占用。d m r 协议提供了3 种信道接入机制： ( 1 ) “无需检测( i m p o l i t e ) ”的信道接入： 移动台不考虑信道是否被占用，而立即进行传输。 ( 2 ) “色码检测( p o l i t et oo w nc o l o rc o d e ) ”的信道接入 d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 当信道被占用，并且信道上的活动包含移动台自身的色码，此时移动台将不 能接入信道。对于信道上存在非本方色码的活动时，移动台将强行传输。 ( 3 ) “全检测( p o l i t et oa 1 1 ) ”的信道接入 当信道被占用时，不能进行传输；当信道空闲时，进行传输。 2 2 2d m r 呼叫控制层协议 呼叫控制层主要实现对整个语音呼叫过程的控制，对呼叫建立、呼叫保持和 呼叫结束进行管理，当然也直接与用户进行通信，主要实现的是d m r 信令部分 的通信【5 1 。 直通模式下呼叫控制层的呼叫流程如图2 6 所示。 主叫被叫 t xc s b k u ua n 5 逼话建立txe n a r xe n a ：发送接收转换控制；对射频部分的收发进行控制， 逻辑对应关系见下表： 表3 1 射频模块收发转换逻辑 r x t xm o d e 0o低电模式 01发射模式 lo接收模式 ll a p c 瓜n ：对功率放大器p a 的输出功率进行控制； p s ：功率节能模式控制。当p s 为低时，频率合成器芯片进入功率节能模 式，从而减少电流的损耗；当写入控制字后，p s 变为高，释放节能模式， 芯片正常工作； s p il e ：控制字锁存信号。为低时，控制字锁存进寄存器；为高时，写入 禁止： s p ic l k ：频率控制时钟信号。提供写控制字时所需要的时钟； s p id a t a ：频率锁定控制字。 l d ：锁定检测信号输出。写入控制字，锁相环对该频率锁定后，频率合 成器就会对l d 输出一高电平，从而告知m c u 频率已锁定； 第三章d m r 数字基带硬件设计 2 l r s s i ：接收信号强度指示。射频接收端在接收信号并生成接收信号强度指 示信号r s s i 传给基带，基带对r s s i 进行a d 变换之后进行映射计算得到接 收信号的数字电平，并依据电平值进行相应的操作； b u s y ：静噪信号，用来控制基带静噪的开关： d i s c ：鉴频器解调出的基带4 f s k 模拟信号输出。 射频板 基带板 mod v c o txe n a rxe n a p c 功率放大器 p s s p il e m c u s p lc l k 频串合成署 s p id a t a l d r s 射。 b u s y 鉴频嚣 d i s c 图3 1 3 基带模块与射频模块的接口 这1 4 根信号线都是由m c u 与射频模块相连的。其中的m o d 、a p c 信号需 要由m c u 提供模拟信号，因此分别选用m c u 中的d a c 0 和d a c l 引脚；d i s c 、 r s s i 、b u s y 信号需要进行采样，将这三根线连接到m c u 的a 0 、a 1 、a 2 之上； 其它的信号线均可由m c u 的通用i o 引脚连接。 3 4d s p 模块相关电路设计 3 4 1d s p 芯片的选择 数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，简称d s p ) 是利用专用或通用数字信 号处理芯片，通过数字计算的方法对信号进行处理。其具有接口简单、方便；精 度高、集成度好；编程方便、容易实现复杂的算法；集成方便等特点。 美国德州仪器( t e x a si n s t r u m e n t s ，t i ) 公司是全球d s p 研发和生产的领先 者【l3 1 。t m s 3 2 0 系列中，c 2 0 0 0 系列主要用于数字控制系统；c 5 0 0 0 系列主要用 于低功耗、便携式的无线终端产品；c 6 0 0 0 系列主要用于高性能复杂的通信系统， 如移动通信基站。 c 5 5 x 继承了c 5 4 x 的发展趋势，低功耗、低成本，在有限的功率条件下，保 持最好的性能。工作在0 9 v 下，功耗仅为o 0 5 m w m i p s ，而性能达到8 0 0 m h z ( 4 0 0 m h z ) ，对数字通信等便携式应用所提出的挑战，提供了有效的解决方案。 d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 与1 2 0 m h z 的c 5 4 x 相比，3 0 0 m h z 的c 5 5 x 性能大约提高5 倍，而功耗降为1 6 。 3 4 2v c 5 5 1 0 介绍 1 4 】 1 5 】 1 6 】 v c 5 5 1 0 由三个主要部分组成：c p u 、片内外围设备、存储空间。 一、c p u 结构 ( 1 ) c p u 包括四个功能单元：指令缓冲单元( i 单元) ，程序流单元( p 单元) ， 地址数据流单元( a 单元) 和数据计算单元( d 单元) 。 指令缓冲单元，包括指令缓冲队列和指令译码器。接收程序代码并放入 指令缓冲队列，由指令译码器解释指令，再把数据传给p 、a 、d 单元执 行这些指令。 程序流单元，包括程序地址发生器，程序控制逻辑。此单元产生所有程 序空间地址，并送到p a b 总线。 地址数据流单元，包括数据地址发生单元，算术逻辑单元a l u 。此单元 产生读写数据空间地址，并发送到b a b 、c a b 和d a b 总线上。 数据计算单元，包括4 0 位桶形移位器，算术逻辑单元川_ 一u ，2 个乘加单元 ( m a c ) 。 ( 2 ) 地址总线和数据 共有1 2 条地址和数据总线：1 个3 2 位程序总线，5 个1 6 位数据总线和6 个2 4 位地 址总线。这一并行结构使得在一个c p u 时钟周期内可实现1 个3 2 位程序读，3 个1 6 位数据读和2 个16 位数据写操作。 ( 3 ) 存储区接口单元( m 单元) ：c p u 与数据空间年n j o 空间数据传送的媒介。 ( 4 ) 指令流水线：c 5 5 x 用指令流水线。由于流水线上的多个指令同时执行，当 它们在不同的执行阶段试图修改存储区、i o 空间和寄存器的值时，很有可能导致 流水线冲突。c 5 5 x 指令流水线有一个保护机制自动防止流水线冲突，即在引起冲 突的指令间加一个非激活周期。 二、存储空间 由于c p u 地址总线是2 4 位的，所以v c 5 5 1 0 的寻址空间为1 6 m b 。其中，片内存 储器包括3 2 k b 的r o m 、2 5 6 k b 的单存取r a m ( s a r a m ，s i n g l ea c c e s er a m ) 和6 4 k b 的双存取r a m ( d a r a m ，d u a la c c e s sr a m ) ，使得程序和数据能在片 内进行高速传递，实时完成各种任务。 三、片内外围设备： 两个2 0 比特的定时器t i m e r 0 和t i m e r l ； 带有6 个信道的直接存储器访问( d m a ) 控制器； 3 个全双工多通道缓冲串口( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e f i np o r t ，m c b s p s ) ； 第三章d m r 数字基带硬件设计 增强型主机接口( e n h a n c e dh o s tp o r ti n t e r f a c e ，e 肿i ) ； 可编程数字锁相环时钟发生器，v c 5 510 时钟速率可达2 0 0 m h z ； 8 个可配置的通用i o 引脚； 一个指令高速缓冲存储器( c a c h e ) ，是一个可配置的2 4 k b 存储器。 3 4 3d s p 与m s p 4 3 0 的电路连接 v c 5 5 1 0 具有增强型主机接1 3 e h p i 。e h p i 是提供了一个1 6 b i t 宽的并口，外部 主机可以通过它直接访问d s p 的存储区，主机和d s p 可以通过e h p i 访问内部或者外 部存储区来实现数据的交换【1 7 】。c 5 5 1 0 的增强型主机接口允许主机访问其内部的所 有片内r a m ( 包括片内s a r a m 、片内d r a m ) 和片外存储器，而传统的主机接口 只能访问洲中指定的2 k 字【1 8 】。e i - i p i 采用2 0 - b i t 的地址，这2 0 - b i t 的地址被存放在 两个1 6 b i t 的寄存器之中。 考虑到引线数目以及使用方便程度，本文采用v c 5 5 1 0e h p i 的复用模式，图 3 1 4 为v c 5 5 1 0 与m s p 4 3 0 电路连接的原理图【1 9 】【2 0 】【2 1 1 。 图3 1 4v c 5 5 1 0 与m s p 4 3 0 的电路连接原理图 各个引脚的含义如下： h c s ：e h p i 的选通信号，接地表示始终使能； h m o d e ：e h p i 复用非复用选择，接地表示工作在复用模式之下： h b e 0 、h b e l ：低、高字节使能，都接地表示高低字节( 1 6 b i t ) 都使能； h a s 和h d s 2 拉高之后，由h d s l 来选通e h p i 的工作模式； h r j w ：读写选择，用来确定e h p i 的访问方向； h c n t l 0 、h c n t l l ：寄存器访问选择，用于选择要访问的寄存器。 当h c n t l 1 ：0 1 = 0 0 时，访问e h p i 控制寄存器h p i c ； 2 4d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 当h c n t l 1 ：o = 0 1 时，按地址自动增加方式访问e h p i 数据寄存器h p i d ： 当h c n t l 1 ：o = 1 0 时，访问e h p i 地址寄存器h p i a ； 当h c n t l 1 ：o = 0 1 时，按随机地址方式访问e h p i 数据寄存器肿d ； h i n t ：主机中断，用于由d s p 向主机发送中断信号： 若主机m c u 需要向d s p 发送中断请求，只需将e h p i 的控制寄存器h p i c 中的 d s p 玳t 位置1 即可实现。 m s p 4 3 0 是主控芯片，需要能够对v c 5 510 进行复位，有两种方式： ( 1 ) 硬件复位 电路设计中，已经将v c 5 5 1 0 的外部硬件复位引脚接到m s p 4 3 0 的p 1 o 引脚， m s p 4 3 0 可以通过将该引脚置低再置高来复位v c 5 5 1 0 ； ( 2 ) 软件复位 m s p 4 3 0 可通过访问v c 5 5 1 0e h p i 的控制寄存器h p i c 的r e s e t 位来对d s p 进 行复位，通常不使用这种方法，除非v c 5 5 1 0 需要使用i - - i p i 方式进行上电加载。 3 4 4d s p 与a m b e 2 0 0 0 的电路连接 语音模块与d s p 直接进行通信，其电路连接的原理如图3 1 5 所示。 图3 1 5v c 5 5 1 0 与a m b e 2 0 0 0 电路连接原理图 v c 5 5 1 0 和a m b e 2 0 0 0 之间数据信息的交换是通过标准的多通道缓冲串口 ( m c b s p ) 来实现的。v c 5 5 1 0 共有三个全双工的多通道缓冲串口，均能够连续收 发数据，速率最高可达c p u 时钟频率值的一半【2 2 1 。选用哪个串口与a m b e 2 0 0 0 相 连需要根据基带系统的要求和特点来决定。考虑到基带系统中语音部分是不允许 被打扰的，其收发的中断优先级也应该比较高，因此选用串口0 ( m c b s p 0 ) 与 a m b e 2 0 0 0 相连。 e p r 信号是a m b e 2 0 0 0 送予v c 5 5 1 0 的数据准备好信号，每2 0 m s 一次高电平 突发，因此可以使用a m b e 一2 0 0 0 的e p r 信号来中断v c 5 5 1 0 ，提示其进行接收或者 发送。v c 5 5 1 0 ：n 6 个外部中断源( i n t 0 - i n t 5 ) ，将e p r 连接到哪个中断源取决于 第三章d m r 数字基带硬件设计 基带系统中需要e p r 中断的优先级。经过分析，选择玳t 3 引脚比较适合。 考虑到基带系统的协同合作，可能需要v c 5 5 1 0 控制舢b e 2 0 0 0 的休眠 ( s l e e p e n ) 、复位( r e s e t n ) ，因此作者将v c 5 5 1 0 的两个通用i o ( g p i o ) 与 a m b e 2 0 0 0 这两个信号线相连，便于控制 2 3 】。 3 4 5d s p 与外部存储器的电路连接 v c 5 5 1 0c p u 的r o m 是3 2 k b 、s a r a m 是2 5 6 k b 、d a r a m 是6 4 k b 。首先， 作为对讲机来说，必须是要实现脱机运行的，也就是说程序要固化起来上电自动 加载，而v c 5 5 1 0 在掉电之后r o m 中的数据会丢失，因此需要使用外部f l a s h 来固 化程序。其次，考虑至f j v c 5 5 1 0 内部r a m 存储能力有限，为了保险起见增加一个片 外r a m 存放临时数据。 v c 5 5 1 0 提供一个外部存储器接口( e m i f ，e x t e r n a lm e m o r yi n t e r f a c e ) 以便 于与各种类型的外部存储器相连【2 4 1 。v c 5 5 1 0 将它的外部存储空间分成4 个较小的 空间，每个空间用一个片选信号来指定，每个片选空间都是独立的，它们各占一 段地址，可接不同类型的存储器件，如异步s r a m 、r o m 或同步s d r a m 等。 一、v c 5 5 1 0 与f l a s h 的连接 f l a s h 选用a m d 公司的a m 2 9 l v 8 0 0 b ，容量为1 6 m 。其主要特点有：3 v 单电 源供电，可使内部产生高电压进行编程和擦除操作；支持j e d e c 单电源f l a s h 存 储器标准；只需向其命令寄存器写入标准的微处理器指令，具体编程、擦除操作 由内部嵌入算法实现，并且可以通过查询特定的引脚或数据线监控操作是否完成； 可以对任一扇区进行读、写或擦除操作，而不影响其他部分的数据【2 5 1 1 2 6 】【2 7 】。其电 路连接原理图如图3 1 6 所示。 v c 5 5 1 0a m 2 9 l v 8 0 0 b 图3 1 6v c 5 5 1 0 与f l a s h 的连接原理图 二、v c 5 5 1 0 与s d r a m 的连接 本文所设计的s d r a m 选用m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 2 m 3 2 8 2 ，这是一款6 4 m b 的 s d r a m 2 引，它的特点是：单3 3 v 供电，数据最快接入时间是5 n s ，数据宽度是3 2 2 6 d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 位的，与v c 5 5 1 0 可以很好的配合。 其电路连接原理图如图3 1 7 所示。 v c 5 5 1 0 图3 1 7v c 5 5 1 0 与s d r a m 的连接原理图 3 5 语音模块相关电路设计 3 5 1 语音模块硬件结构 作为数字对讲机，与传统的模拟对讲机的最显著的区别之一就是语音信号不 再是直接传输，而是需要进行语音编码。本文所述基带系统的语音模块的硬件结 构图如图3 1 8 所示。 图3 1 8 语音模块硬件结构图 首先将由麦克风接收到的模拟语音信号送往a d 7 3 3 1 1 进行a d 采样，采样 后变成数字信号，再经过a m b e 一2 0 0 0 进行语音编码，将编码的语音信号送往d s p 进行处理。反过来，d s p 将处理好的语音信号送往a m b e 2 0 0 0 进行语音解码， 解码之后的数字信号送往a d 7 3 3 1 1 进行d a 转换，最终变成模拟语音信号送往 听筒。 3 5 2a d 7 3 311 原理及硬件设计 2 9 】 在模拟语音信号与语音编码芯片之间的接口是通用模拟前端a d d a 转换器， 模拟前端处理器的好坏将直接影响到系统的语音质量。本系统中语音芯片的模拟 前端选用1 6 位线。i 生a d d a 转换器a d 7 3 311 。它具有诸多优良性能，如内部含有信 第三章d m r 数字基带硬件设计 2 7 噪比为7 5 d b 的a d c 和信噪比为7 0 d b 的d a c ，采样频率可通过编程改变，小的转换 群延时，允许8 个芯片级连，自身带参考电压和低功耗等，可广泛应用于信号处理、 无线通信、数据通信等领域。系统中a d 7 3 3 11 选取3 2 k h z 采样率。 、 a d 7 3 311 包括四个部分：a d 转换编码通道、d a 转换解码通道、串行输入 输出端口、片内参考电压电路，如图3 2 2 示。 avidi，_ivodv d 翻 a 嘲d 图3 1 9a d 7 3 3 1 1 原理图 a d 转换编码通道包括可编程增益放大器、模拟一调制器、反混迭数字滤 波抽取。输入放大器可以提供0 d b 3 8 d b 的增益，增益由内部控制寄存器d 中的三位 ( c r d ：o 2 ) 控制。一a 调制器将输入的模拟信号转换成频率为c l k 8 的1 6 i t 的码流 输出，它采用过采样( o v e r s a m p l i n g ) 技术和噪声成形( n o i s e s h a p i n g ) 。反混迭数字滤 波抽取器包括反混迭数字滤波器和( 3 2 ：1 ) 抽取器。 d a 转化解码通道的构成和工作原理与a d 转化编码通道相似，它包括反镜象 数字滤波内插器、数字一调制器、l b i t d a 转换器、低通滤波器和带差分输出端 的可编程增益放大器。反镜像数字滤波内插器包括内插器和反镜像数字滤波器。 数字一调制器的作用是将语音通带内的噪声转移到语音通带之外，它输出的是 频率为d m c l k 8 的l b i t 码流。l b i t 模数转化器将l b i t 码流转换成模拟信号。为了滤除 高频噪声，在此之后采用了两级低通滤波器。可编程放大器是将数模转换后的模 拟信号放大后输出，它的增益在+ 6 1 5 d b 之间可调。 串行i o 端口包括双向串行口、控制寄存器组和时钟分频电路。其中双向的串 行口除了通用双向串行端口的5 个引脚外，还有串行口使能信号s e ，以便多个 a d 7 3 3 11 芯片与单个d s p 芯片相连，实现时分多路输入输出。时钟分频电路将从 d m c l k 输入的外部时钟频率m c l k 首先通过主频率时钟因子分频为内部时钟频 率m c l k ，它有m c l k ( 1 ，2 ，3 ，4 ，5 ) 五种选择。d m c l k 决定了a d 7 3 3 11 的采样频 率d m c l k 2 5 6 。这也是a d 7 3 3 11 串行口的帧同步频率。d m c l k 再经串行时钟分 频因子分频为串行时钟频率s c l k ，它有m c l k ( 1 ，2 ，4 ，8 ) 四种选择。 内部控制寄存器共有五个，即c r a c r e 。其中c r a 用以设置a d 7 3 3 1 1 的工 作模式( 共5 种) 、芯片级连个数( 1 8 个) 和软件重置r e s e t ；c r b 用以设置主时钟分 l l l i l 2 8d m r 数字端机基带模块硬件设计及高层软件开发 频因子和串行时钟分频因子；c r c 用以设置内部参考电压的电源管理；c r d 用以 设置输入输出可编程放大器的增益；c r e 用以设置d a 转换通道群延时。 在编解码通道中由于采用了过采样和噪声形成技术，所以涉及到三个频率， 一是过采样率： f o s = d m c l k 8 式( 3 - 5 ) 一是a d 7 3 3 1 1 的采样率，也即a d 7 3 3 1 1 的帧同步频率： = d m c l k 2 5 6 式( 3 6 ) 在本系统中，外部时钟m c l k = 1 6 3 8 4 m h z ，主频分频因子为2 ，则内部时钟 频率为： d m c l k = 8 19 2 m h z 式( 3 7 ) 过采样频率为： v o s = d m c l k 8 = 1 m h z 即图3 2 2 中s c u ( 引脚的输出时钟，a d 7 3 3 1 1 的采样频率为： 乃= d m c l k 2 5 6 = 3 2 k h z 3 5 3a m b e 2 0 0 0 原理及硬件设计 式( 3 8 ) 式( 3 9 ) a m b e 2 0 0 0 t m 声码器芯片是美国语音系统公司( d i g i t a lv o i c es y s t e mi n c ) 推 出的一款适应性强、高性能、单芯片的语音压缩编解码器。它能在低速率下提供 优良的语音质量，并实现了实时的、全双工的标准设定的a m b e 语音压缩软件算法。 大量的评估显示a m b e 一2 0 0 0 声码器具有在一般数据速率下提供同数字蜂窝系统同 样性能的能力。a m b e 2 0 0 0 t m 芯片采用的t m s 3 2 0 l c 5 4 i b 一6 6 处理器内核，内部时 钟工作在6 6 m h z ，但由于内部有p l l 电路，只需外接1 6 3 8 4 m h z 晶体即可。 a m b e 2 0 0 0 t m 声码器芯片在选择语音速率$ 1 f e c ( f o r w a r de r r o rc o r r e c t i o n ) 速率上有高度的灵活性。用户可以从2 4 k b p s 9 6 k b p s 数据率下以5 0 b p s 的增量分别 选择。对于有较高误码率的通道，用户需要分配较多的数据速率百分比给f e c 编码。 a m b e 2 0 0 0 t m 声码器芯片可以在2 4 k b