（通信与信息系统专业论文）tdd数字对讲机的设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线电对讲机是移动通信中一个重要的分支，应用非常广泛， 无线电对讲机和其它无线通信工具( 如手机) 其市场定位各不相 同，难以互相取代，还将长期使用下去。在3 g 标准制定过程中， 国际上对无线通信中的t 叻方式第一次给予了高度重视，c d m a ， 1 d m a 系统中都制定了) d 的标准。t d d 技术近年来在国际上受 到越来越多的重视，但是基于1 d d 方式的数字对讲机在国内目前 的应用中还很少。 本文分析了t d d 双工方式的原理与技术特点。t d d 技术具有 节省频谱资源、适合不对称业务、设备成本低且便于实现等优势， 能为无线通信系统提供一个低成本的解决方案。本文结合现有的 无线通信技术、单片机技术以及语音编码调制技术等，研究和探 讨了数字对讲机系统的t d d 通信协议方案和整体结构。接着对微 处理器、语音处理器和射频芯片进行了选型；并根据要求对数字 对讲机的硬件电路进行了设计；然后对系统的软件进行了设计。 最后将程序下载到电路中，对系统进行了调试和实验，并对结果 进行了分析。实验证明，基于t d d 双工方式的数字对讲机在技术 上是可行的。 本文所研究的t d d 数字对讲机，它为无绳电话、集群通信系 统提供了另一种基于1 1 ) d 方式的选择方案。另外，若系统以低成 本、低功耗为出发点，完善系统的功能，达到应用简单、可靠， 性能好，满足日常的语音通话等需求，则系统还可以在更多的地 方进行推广。 关键词集群通信；数字对讲机；1 d d ；m s p 4 3 0 ：i a rw 砒b c n c h 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i r e l e s sh a n d s e t ，a ni m p o r t a n to f f s e ti nm o b i l e c o 啪u n i c a t i o n ， i sa p p l i e da t1 a r g e w i r e l e s sh a n d s e tw o u l d b eu s e di nt h ef u t u r eb e c a u s ei td i f f e rw i t ho t h e rw i r e l e s s c o 跚u n i c a t i o nd e v i c e ss u c ha sm o b i l et e l e p h o n eo nm a r k e t o r i e n t a t i o na n dt h e yc a n tb es u b s t i t u t e de a c ho t h e r t d d i o d ei nw i r e l e s sc o 皿u n i c a t i o ni s f i r s t l yh i g h l yr e g a r d e d i nt h ew o r l dd u r i n gc o n s t i t u t i n g3 gs t a n d 8 r d ， t d ds t a n d a r d i sc o n s t i t u t e di nb o t hc d m aa n dt d m as y s t 印 t d dt e c h n o l o g y i sm o r ea n dm o r er e g a r d e d 1 a t e l y ， b u tf e wo fo b i l e c o i i l 叫n i c a t i o ns y s t e m sb a s e do nt d dd o u b l em o d ea r ea p d l i e d t h ep r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i co ft d dd o u b l em o d ei s a n a l y z e di nt h i st h e s i s t d dd o u b l em o d eh a s 珥a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha s1 e s sw i r e l e s sr e s o u r c et ob eo c c u p i e d 。 s u p p o r t i n g a s y 衄e t r ys e r v i c e s ， 1 0 w e rc o s te q u i p m e n tr e l a t i v e l y ，e a s i e r t ob ei m p l e m e n t e d ，a n ds oo n s ot h a tt d dt e c h n 0 1 0 9 yc a n p r o v i d ea ne c o n o m i c a lr e s 0 1 v e n tf o r - i r e l e s sc o 哪m u n i c a t i o n s y s t e m s t h et d dc o 硼u n i c a t i o np r o t o c o la n ds t r u c t u r eo ft h e d i g i t a lh a n d s e ts y s t e mi ss t u d i e di nt h i st h e s i s 。，胃h i c hi s c o m b i n e dw i t ht h et e c h l l 0 1 0 9 i e so fw i r e l e s sc o 哪u n i c a t i o n ， m i c r o c o n t r 0 1 1 e ra n dv o i c ec o d i n g ，e t c t h e nt h ee l e m e n t m o d e l ss u c ha sm i c r o p r o c e s s o r jv o i c ep r o c e s s o ra n di 咿c h i p a r ec h o s e n h a r d w a r eo fd i g i t a lh a n d s e ti sd e s i g n e d a c c o r d i n gt oi t sd e 舱n d ， a n ds o f t 冒a r eo ft h i ss y s t e mi s d e s i g n e dt h e n 。i nt h ee n d ，p r o g r 啪i sd o 焉n l o a d e dt oh 8 r 幽f 8 r e ， s y s t e mi sd e b u g g e da n de x p e r i m e n t e d ， a n d t h er e s u l to f e x p e r i m e n t a t i o ni sa n a l y z e d e x p e r i m e n t 8 t i o np r o v e dt h 8 t t d dd i g i t a lh a n d s e ti sf e 8 s i b l ei nt e c h n 0 1 0 9 y t h ed i g i t a lh a n d s e ts t u d i e di nt h i st h e s i sc a np r o v i d e a n o t h e rr e s o l v e n tb a s e do nt f ) df b rt h et r u n k e dc o m m u n i c 8 t i o n s y s t e ma n dc o r d l e s sp h o n es y s t 锄_ b r e o v e r i ft a k i n gl a w c o s t ， l o wp o 霄e ra sas t l r t l n g p 0 i n t ， t n e s y s t e m j w h l c n f u n c t i o nh a sb e e np e r f e c t ed ii s _ i e l d y ， r e l i 8 b l e ， 叽dh a s w e l lp e r f o r m a n c ee n o u g ht os a t i s f yd e m a n do nd 8 i l yt e l e p h o n e c o n v e r s a t i o n ， t h es y s t e ma l s o 哪yb eg e n e r a l i z e di nm o r e a r e a s 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 k e y 曹o r d s ： t r u n k e dc o 蛐肿n i c a t i o n ： d i g i t a lh a n d s e t ： t d d l s p 4 3 0 ：l rw b r k b e n c h 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 研究的背景及意义 集群通信( t r u n k c dc o 衄u i c a t “阻) 是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 网形式以及带选呼的系统，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l 蜘。 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【1 1 集群通信系统诞生于7 0 年代末到年代初。其工作方式类 似电话交换系统，通过中央交换站根据需要自动为用户指定信道。 集群通信的基本原理是：由中央控制器集中控制和管理系统中的 每个信道，并以动态方式迅速把空闲信道分配给发起呼叫的用户， 通话完成后又将该信道收回给等待的用户使用，因此，极大地提 高了频道使用率i l j 。 目前，全球集群通信系统正从在无线接口采用模拟调制方式 进行通信的模拟集群向采用数字调制方式的数字集群转换。与传 统的模拟集群系统相比，数字集群系统可以提供更丰富的业务种 类、更好的业务质量、更好的保密特性、更好的连接性和更高的 频谱效率。 考虑到全球集群通信技术升级抉代的整体趋势以及我国集群 通信市场的具体情况，2 0 0 1 年信息产业部无线电管理展下发5 1 8 号文件，规定所有模拟集群通信系统在2 0 0 5 年1 2 月3 1 日之前必 须停止运行。也就是说，2 6 年开始，模拟集群将彻底告别中国 市场，中国的集群通信系统将全部采用数字调制方式的数字集群 系统。 目前，两种主流数字集群通信系统1 e 隙a 和i d e n 的核心技 术全部被国外公司和机构所垄断，数字集群通信产品价格昂贵。+ 中兴通讯的g 0 1 a 和华为的g r 8 0 0 两种国有数字案群技术性价比 好、多业务增值能力强、安全保密性及可信任性好，但成熟度相 对差些，需要时间完善。无论是国内还是冒外，均还没有人能够 提供低成本的，且满足语音、数据和传输要求的数字集群通信产 品。当前我国应加速发展数字集群民族产业，以满足国内市场巨 大需求，增强信息网络及通信技术的国际竞争力b 3 l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 现状研究及分析 1 2 1 集群通信系统的现状 目前在我国运营的数字集群通信系统主要还是美国 m 0 1 脚l a 公司的舶0 z 数字集群通信系统i d e n ( 脚锄 d i g i “e n h 蹰c c dn e 咐0 r b ) 和欧洲电信标准协会圈r s l 制定的 1 f i a ( n r 糟s t i i a ln 岫k e dr a d i o ) 系统。 1 国际童群通信系统的现状 为避免各种不同系统的相互干扰、提高通信质量、追求更高 的系统容量和频谱利用率，1 9 9 8 年3 月，国际电信联盟( r r u ) 根 据世界各国提交的集群通信系统标准共制订了a p c 0 2 5 、n 廿a p o l 、 e d a e s 、汀r a 、d i m r s 、i d r a 、g 瓤c l 【等七个数字集群通信 系统的国际标准。这七个标准中：a p c 0 - 2 5 、t c 呻o l 、e d a c s 等 三个为采用频分复用( h ，m a ) 技术的标准；1 e 【1 l a 、d i m r s 、 i d r a 等三个为采用时分复用( 1 d m a ) 技术的标准；而g e 砷i k 为采用跳频多址( h i m a ) 技术的标准。由于多种原因，i d e n 和 1 1 t r a 系统在世界范围内应用较为广泛。 i d e n 被称为集成数字增强型网络，它是美国摩托罗拉公司为 集群共网应用而设计的，因此，i d e n 除了以指挥调度业务为主外， 还兼有完善的双工电话互联、数据和短消息等功能。i d e n 是基于 时分多址 m a 方式的调度通信蜂窝双工电话组合系统。它在传 统大区制调度通信基础上，大量吸收数字蜂窝通信系统的优点， 如采用双模手机方式，增强了电话互联功能；采用小区复用蜂窝 结构，提高了网络覆盖能力。i d e n 系统采用高级调制技术 h l l 6 a 蝴，把每个2 5 l ( 王 z 信遒分截成6 个时隙，采用频分双工 ( r q u c n c yd i v 谢o nd i l p l e x ，f d d ) 方式和4 2 勋坤的代数码激励线 性预测编码v ! 强l j p 语音压缩技术，支持调度、电话互联、电路数 据，传真等多种业务。i d e n 系统的接口不公开，为独家供应商，系 统设备采购和建网成本高，终端价格高例。 t e t r a 是f r s i 联合使用部门、制造商、检测部门以及政府 部门，为了满足欧洲各国的专业部门对移动通信的需要而设计、 秘定的统一标准开放性系统。聊i a 系统具有丰富的服务功能、 更高的频谱利用率、高通信质量、灵活的组网方式等特点，许多 新的应用，如车辆定位、图像传输、移动互联网、数据库查询等 都可在t e t r a 中锝到实现，因此，近年来聊i a 系统在欧洲乃 至世界范围内都得到了快速的发展。骶羽民a 系统也是一种基于数 字时分多址( m m a ) 技术的无线数字集群移动通信系统i h ”在 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 收发数据时，1 f n l a 系统将每个2 5 k 载波分为4 个时隙，从而 使每个2 5 舷载波同时支持4 路话音或数据；1 e t r a 系统使用丌 排d q p s k 的线性非恒定包络调制方式，具有高的频谱利用率 在 1 e 隙a 系统中每个用户信道的通信能力为7 2 k b p s ，每载波总通 信速率最高可达2 8 8 l 卸s ；1 f 琢a 系统在一个载波内可以容纳四 个时分信道，话音和数据可以在不同的时隙被接收和发送，无线 电频谱的利用率高；t e t r a 系统还其有语音和数据加密功能， 唧a 标准本身包括对空中接口的加密措施，这可以有效地防止 非法用户进入系统，防止对空中无线电信息进行非法拦截；由于 采用开放的咖a 标准允许来自多个设备制造商的不同产品工作 在同一个1 譬t r a 数字集群移动通信系统；强r a 系统支持端到 端加密。用户可以根据自己的需要，选择适当的加密算法，对语 音和数据进行端到端加密p ，7 j 。 2 国内集群通信系统的现状 和国外集群移动通信的发展相比，我国的集群通信起步不算 晚，但是由于缺少统一规划和应用指导，引进了较多落后的集群 系统，造成我国集群通信发展迟缓，市场被各种国外的模拟通信 设备所垄断，更为糟糕的是，来自国外的设备的技术标准各不相 同，不同厂商的产品不能互联，使得我国后来即使研制出集群通 信产品，也难以打入原有设备已经占领的市场1 6 1 为此，我国曾组建了数字集群通信标准工作组，在2 0 0 0 年1 2 月专门制定了适合我国国情的数字集群通信体制。限于当时的技 术条件和国内产业发展现状，该体制分别将国外的基于t d m a 技术 的t e t r a 和i d e n 两种体制( a 和b ) 作为我国集群通信的推荐性标 准。i d e n 主要适用于共用集群通信网，t e t r a 面向专用调度和 共用集群通信网。同时还规定了集群通信系统的工作频段为 8 0 6 m h z 8 2 l m h 2 及8 5 l m k 8 6 6 蛐眦，双工频率间隔为 4 5 m h z 【4 研。t e t r a 和i d e n 是含有国外厂家所独有的几十项专利技 术，除外部接口外，内部接口根本不公开，限制了我国企业针对 这些集群系统的开发1 6 】。 随着我爵有关政府部门将数字集群通信纳入基本电信业务进 行管理，以及国内在无线通信领域逐渐蜩起的企业积极参与到数 字集群通信领域产品的研制，我国数字集群通信进入了一个有序 和健康发展的阶段。2 0 0 4 年，信息产业部又颁布了两个参考性技 术文件，分别将中兴通讯的g 0 1 a 和华为的g i l l b o o 两种国有数字 集群技术增加为新的行业标准。 g 0 1 a ( 开放式集群架构) 是我国中兴通讯提出的基于集群共 网应用的集群通信体制，也是世界上首个基于a ) m a 技术的数字 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 集群系统，具有我国自主知识产权，具备快速接续和信道共享等 数字集群公共特点。g 0 1 n l 作为一种共网技术，主要应用于共网集 群市场，其主要特色在于更利于运营商建设共网集群网络、适合 大规模覆盖、频谱利用率高、在业务性能和容量方面更能满足共 网集群网络和业务应用的需要。g d t a 采用目前移动通信系统中所 采甩最新的无线技术和协议标准，并进行了优化瓤改进，使其能 够符合集群系统的技术要求，同时又具有很强的共网运营能力和 业务发展能力，满足集群未来发展的需求。g 0 1 n l 成功解决了基于 c d m a 技术的集群业务关键技术。为了能够在c d m a 网络上进行 p 1 盯通信，并且不影响原有c d m a 系统已具备的业务功能和性能， 0 0 1 h 围绕着无线信道共享和快速链接这两项关键技术提出解决方 案。使新增的集群业务不会对传统通信业务和网络资源带来不利 影嫡【1 3 j 4 1 。 g r 8 0 0 是华为提出的另一项我国具自主知识产权的基于现有 g s m 的专业数字集群技术，通过对m 队和t d s c d m a 进行创 造性地融合和创新，为专业用户提供高性能、大容量的集群业务 和功能。技术创新集中体现在集群特性的实现与增强方面。g r 8 0 0 的技术优势主要体现在以下几点t 一、覆盖广，由于采用1 d m a 的技术体制，g 髑0 0 每个信道的发射功率恒定，覆盖距离仅受地 形影响，能够在关享信道情况下实现广覆盖，在用户量增多的情 况下，小区覆盖不受影响，备集团共享整个a 【跏网络覆盖服务 区，真正体现g 髓0 0 集群共网的广覆盖，广调度，充分利用频率 资源的特性；二、一呼万应，g 诵啪继承了业界成熟的数字集群 技术体制，实现了真正的信道共享，组内用户的数量不受限制， 用户之间不会互相干扰，真正实现一呼万应；三、动态信：遒分配， 在话音间隧e 释放馆道，讲话时才分配信道，大大地提高了系统缎 的容量，即使在容量负荷极限，也能够保证让高优先级用户顺利 通话；四、提供了面向3 g 的可持续发展能力，基于1 d m a 制式 的第一阶段的g 1 1 b 系统，可以方便地向t d - s c d m a 第二阶段 的 r 8 系统演进，充分体现保护用户投资的设计理念【1 6 j 。 在国际市场上，专业集群用户一般为公共移动用户的 5 一1 0 。预计最近几年，中国集群用户规模将在基本空白的基础 上达到公众移动蜂窝用户的劲t _ 3 ，2 5 年我国公众移动异；户超 过几亿，集群通信业务的需求规模已达到千万用户。我国共有3 0 多个省会和直辖市、4 0 0 多个地级市、近3 0 0 0 个县，基本上都来 建立公用调度集群网，由此可见，集群通信市场潜力极大州。 西南交通大学_ 顷士研究生学位论文第8 页 第2 章数宇对讲机的t d d 通信协议方案 2 1 t 的技术特点 无线辱翻嚣型墓薛翼巴蜀矧蠹藏囊黔零；偿雹；嘻磁薹篷 翟! 孰翳酣 二哺；委基器躞赢辨翼i 蠢蠢蝥囊鍪嚣擘付基篓羹琴妻i 蠢嚣苣鼙警肇剐暨磨挫砻囊“蝴基灯吼雌碰雇登e 寄剞 引；鳍姻”葛剥搿赫描冀蠖捕蕊终灌瑚瑚强；眩并越鲫黪r 论u 蟊暂既要蓼争? v 蕊晶华i 鬃爱；蠹 ”以前曾有人称它为“步话机”而 将功率大、体积较大的可装在车( 船) 等交通工具或固定使用的无线 电话机又叫做“电台”，如车载台( 车载机) 、船用台、固定台、基地 台、中转台等。对讲机不但可以作为集群通信的终端设备，还可 以移动通信中的一种专业无线通信工具。 无线电对讲机是最早被人类使用的无线移动通信设备，早在 二十世纪三十年代就开始得到应用。1 9 3 6 年美国摩托罗拉公司研 制出第一台移动无线电通信产品j 巡警牌”调幅车用无线电接 收机。随后在1 9 4 0 年又为美国陆军透信兵研制出第一台重量为 2 2 公斤的手持式双向无线电调幅对讲机，通信距离为1 6 公里。 经过长期的发展对讲机的应用已十分普遍，已从专业化领域走向 普通游费，从军用扩展到民用。无线电对讲机就是移动通信中的 一个重要分支。它是一种无线的可在移动中使用的一点对多点进 行逯信的终端设备，可使许多人同时彼此交流，使许多人能圊酎 昕到同一个人说话，但是在同一时刻只能有一个人讲话。这种通 信方式和其它遗信方式有不同的特点：即时沟通、一呼百应、经 济实用、运营成本 氐、不耗费通话费用、节约使用方便，葡时还 具有组呼通播、系统呼叫、机密呼叫等功能。在处理紧急突发事 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 发展，无线通信业务逐渐呈现语音业务、数据业务、多媒体业务 并重的态势。数据的上下行传输是不对称的，1 d d 更适用于这一 不对称的上下行数据传输业务，而且咖可以根据上下行业务量 来自适应的调整上下行时隙宽度，充分利用频率资源。而f d d 系 统一建立通信就将分配到一对频率以分别支持上下行业务，在不 对称业务中，一半频率是浪费的，f d d 系统虽然也可以用不同宽 度的频段来支持不对称业务，但频段相对固定，不可能灵活使用。 ( 3 ) 更易于功率控制。f d i d 模式下，上下行的传输是通过频 率分离的，上下行占用不同的频率，由于多径传播而引起的快衰 落取决于频率，因此f d d 上下行对应的快衰落系数是不相关的： 而在t d d 模式下，由于上下行占用同一载波频率，所以上下行间 的电波传播特性是对称的，二者的衰落系数是紧密相关的，) d 发射机根据接收到的信号就能够知遵多径信遵的快衰落。这一特 性在c d m a 系统中可以得到充分利用，仅使用复杂度较小的开环 功率控制，而f d d 必须使用算法复杂度相对较高的闭环功率控制， 并且闭环功率控制还会引入一些时延而且受差错率的支配。 ( 4 ) 更方便的使用智能天线技术。t d d 模式中，上下行使用 同一频带，基站端的发射机可以根据在上行链路上得到的接收信 号来了解下行链路的多径信道特性，这样基站的收发信机就可以 使用在上行链路上得到的信道估计信息来实现下行的波束形成。 ( 5 ) 降低设备成本。1 d d 系统只需要一套射频模块用于收发， 不需要分别使用收信机和发信机两套射频模块进行收发，所需的 设备成本较低，比f d d 系统低2 0 5 0 。无收发隔离的要求， 可以使用单片i c 来实现r f 收发信机。 但是，t d d 也有自身的局限，存在着一些不足，尤其是运用 在c d m a 系统中时，具体表现有以下几点【l 吼冽： ( 1 ) “远近效应”问题。手机在小区内高速运动时所产生的 “远近效应”问题是t d d 用于c d m a 系统所面临的致命问题。 所谓远近效应就是距离基站较近的强信号会抑制距离基站较远的 弱信号。它要求基站所接收到的小区内手机发来的信号必须相等， 否则将导致系统容量的严熏降低由于各手机距离基站远近不一， 这就要求手机时刻调节它的发射功率，确保基站所接收到的信号 一致。特别是手机在高速运动的情况下，要求手机的功率调节速 率达到8 0 0 砌秒。c i ) m a 采用) d 方式时，手机只能在一帧内 进行一次功率调节( 因为一帧内每一个时隙可能分属于不同的用 户) 。由于手机高速运动时要求功率调节速率达到8 0 0 次，秒，这使 得m 帧长只能为1 2 5 m s ，而这种帧长实际上是不能使用的，于 是帧长被提高到5 m s 或1 咖猫，相对应的功率调节速率只有2 0 0 次 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 秒或1 0 0 次，秒，这样，手机在小区只能是低速运动，否则系统容 量将严重降低。 ( 2 ) 同步要求高。由于基站不能同时接收和发送，移动终端 的传送必须在基站停止发送时开始，这意味着同一小区内的不同 用户之间，用户与基站之间需严格同步，后一同步破坏会发生通 信阻塞，前一同步破坏将导致严重干扰，这是f d d 的c d m a 系 统所没有的问题。另外，因为小区之间和不同操作者之间的干扰 问题，邻近小区的基站之间要求是同步的，并且一般是符号级的 精确同步。这样的同步要求在基站有g t s 接收机或公共的分布式 时钟，这些都增加了移动蜂窝月的费用。 ( 3 ) 移动速度受限。对于t d d 模式的c d m a 系统，上下行 链路使用同一频率，1 d d 发射机能根据接收信号知道多径信道的 快衰落，这给t d d 模式的系统带来许多优势，但这是以1 d d 帧 长比相干时间短为前提的。因为t d d 帧很短，导致移动速度受到 限制，所以通常的认为是t d d 模式适合于室内、低速移动的微小 区环境。 但是，已有研究显示t d d 模式的移动通信系统在结合智能天 线和联合检测技术后可以用于高速移动的环境，在中国目前开发 的3 g 系统功s c d m a 标准中采用了 d 的方案，模拟结果显 示了较好的性能。最新研究成果表明，在移动速度为2 4 0 k m m 和 3 g p p 规定移动环境下，t d s c d m a 移动速度和通信距距离与 f d d 基本相当。t d s c d m a 按照r r u 对i m t - 2 0 0 0 的全部要求， 解决了移动速度和小区半径等t d d 方式所存在的问趔1 9 j 。 任何通信系统均有一定的递信协议支持来完成通信的任务， t d d 通信采用t d d 协议从而可以在半双工链路上实现全双工通 信。t d d 协议作为时分双工通信系统中主从双方建立及维护链路 的通信规程，它包括突发同步的建立和数据通信过程中突发同步 的保护机制。对于t d d 通信，) d 协议不仅应保证主从机交替发 送、接收数据；还应保证主从双方突发同步，即发送的数据帧能 准确的落入对方的接收时段内。 图2 - 2 1 d d 方式原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 t d d 方式的数据以高速突发帧的形式传递。m d 协议就是采 用特殊的握手协议建立两个通信设备的突发同步，即当两个设备 进行通信时，能够保证当其中一方发送数据时，另一方必定在接 收数据，如图2 - 2 所示。t d d 协议通过交替地将通信设备配置成 接收态或发送态来完成全双工通信，一个突发周期包括发送时隙、 接收时隙和两个保护时隙。) d 方式中通信双方不断交替传输方 向，就像打乒乓球一样故又称其为“乒乓法”【1 9 l 。 2 2t 帧结构 ) d 协议中的帧分为捕获帧、空帧和数据帧三种类型，三种 不同类型的帧结构如图2 2 所示。捕获帧包括前导域、填充域以及 特殊字( u w ) ；空帧包括前同步域、u w 以及填充域；数据帧由 前同步域、u w 以及数据域构成。 捕获帧( a c q u i s i n b 煅tf n m e a b f ) 空帧( e m p l yb u r s lf f a j n e ，e b f ) 数据帧( d a t ab u r s f h m e s ，d b f ) 图t d d 协议中的突发同步帧结构 2 3t 叩协议的帧同步 t d d 通信系统的通信双方是从时间上交替进行信息的接收与 发送的，因此通信双方必须在时间上进行同步，以保证通信的可 靠性。 同步按功能分类，可分为载波同步、位同步、块同步和群同 步。按传输同步信息的方式，可分为外同步法和自同步法。所谓 外同步法，是由发送方发送专门的同步信息，接收方把这个专门 的同步信息检测出来作为同步信号；自同步法是发送方不发送专 门的同步信息，而是由接收方设法从接收信号中提取同步信息。 在t e t ra 数字集群通信系统中，对讲机同步获得设计的原理 就是在基站信号时隙和同步脉冲中提取同步信号，按传输同步信 息的方式属于外同步法；对讲机同步获得是使其与基站达到同步， 按功能划分属于群同步。 在i 矾数字集群通信系统中，引入了全球定位系统g p s 作 为全网统一的时间标准。g p s 精确的定时信号可使网络完全同步。 所有频率和时间均锁定在高稳定性的参考基准g p s 上。时间基准 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 锁定在全系统的基准上。频率基准则由基站提供。对讲机则锁定 在基站发出的基准上。 i e 砸i a 与i d e n 均属于f d d 方式的系统，而在基于m 方 式的系统中，同步对系统的影响更大，系统必须在同步的条件下 才能正常运作。t d d 协议的帧同步可以采取如2 1 节中所述的方 式达到通信双方的同步，也可通过采用自同步法进行位同步和块 同步，从而使系统达到同步状态。块同步的实现是使用集中插入 特殊码元的方法。集中插入就是把特殊的块同步码组集中插在一 帧的特定位置( 一般是一帧的开始) 。接收方旦检测到这个特定 码组就确定了帧的起始位蹙，从而获得同步。此种方法可以迅速 纠正帧失步，即一旦帧失步，只要在下一帧同步码就能恢复同步。 若将t d d 帧定义为由前同步域、同步域和数据域构成。其中， 前同步域通常是一个交替的“0 ”和“1 ”的长串，起到保护同步 域的作用；同步域由特定的同步块构成，一般可分为2 3 个子同 步块，这样可以使同步分步骤进行，也起到了避免伪同步的情况 出现；数据域即所传输的数据信息。 假如1 1 c i d 帧的同步块由两个8 位的子同步块构成。接收方使 用两个8 位的移位寄存器来分别存储当前接收到的字节和前一个 接收到的字节，每接收到个新的字节便进行循环穆位，然后跟 子同步块1 作比较，直到将前同步域接收完毕，丽当存储当前接 收字节的移位寄存器与子同步块1 相匹配时，则完成块同步的第 一步。然后继续接收下一字节，若下一接收字节与子同步块2 相 匹配，则说明块同步已完全接收，同步建立完成，接收方使用一 个计数器记录下同步建立完成所进行移位操作的位数，在下一帧 到来时便直接进行所需的移位便可直接读取数据域信息；若下一 接收字节与子同步块2 不匹配，则等待3 个帧长的时间，若这段 时阔内还未接收到子同步块2 则说明是伪同步，必须重斯开始进 行同步建立。同步建立过程如图2 - 4 所示。 1 i ) d 帧 同步开始 同步l 完成 同步2 完成 同步已建立 图2 4 t d d 帧同步建立过程 2 4t d d 通信协议的实现 t d d 协议包括突发同步的建立和突发同步的保护，通过处理 器控制加以实现f 1 ，j 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 1 突发同步的建立 初始化时，双方都处于接收态，当一方有发送请求时，称其 为主机，另一方称为从机。一旦主机转为发送态，就开始向从机 发送一个( 空数据帧+ 4 u w ) 的认证帧。当从机检测到主机发来的认 证帧中的4 u w 信号之后，即开始启动突发定时器，并同时转为发 送状态向主机也发送一个( 空数据帧+ 4 u w ) 的认证帧。当主机检测 到从机发来的认证帧中的4 u w 之后启动主机的突发定时嚣。到此 即认为通信链路已经建立，达到突发同步状态。在接下来的突发 通信中，主机和从机在突发定时器的控制下在发送和接收两个状 态下转换，交替地发送和接收数据，直到通信双方通信结束，关 闭突发定时器。过程如图2 _ 5 所示。 2 4 2 突发同步的保护 1 d d 通信中必须考虑突发同步的保护，一旦双方突发同步工 作不正常后能够及时重新建立同步。以免丢失数据。突发同步保 护方案：通信双方只要有一方没有检测到正确的u w ，都将重新开 始一个新的突发同步建立过程。利用t d d 帧结构中的命令字实现 状态转移过程。如果从机检测到的u w 错误，将在下一发送时段 通过发送相应命令告知主机，并进入失步状态，主机读出相应命 令之后，判断出从祝的错误状态后进入失步状态，并在下一发送 时段发出认证帧，重新建立同步。如果主机接收的u w 出错，它 也通过相应命令告知从机，并首先进入失步状态，从机接收到主 机发出的错误信息后。进入失步态，双方恢复到初始的非同步状 态。 主机端从机端 主站发送a b f 至从站 主站发送b f 至从站 主站发送d b f 开始通信 从站通过u w 检测到曲f 从站以e b f 作为响应 从站遥过u w 检浏到 。b f ，开始发送曲f 图2 - 5 ) d 协议中的握手过程 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 5 数字对讲机系统的通信协议方案 本文研究的数字对讲机系统拟作为集群通信系统和无绳电话 系统的终端，所以以集群通信系统和无绳电话系统作为参考模型， 具有内外线拨号。小型无线专用小交换机( p b x ) 等功能在系统 通信终端的设计上，要逶过设计合理的通信协议来实现系统的这 些功能。 2 5 1 通信协议模型 在开放式系统互联参考模型( o p s y s t 锄i n t 蹦湖删娥i r e f c r c c cm 0 d c l ，o s 班u 讧) 架构中，通信协议的定义是同层( 或 同一予层) 实体之间允许交换的信息格式规定和交换规程。协议 中使用的基本信息称为协议数据单元( p d 呦c 0 1 d a l a u 吐，p i 娜) ， 在协议中要将p d u 的种类、内部字段的意义及编码、各比特的传 输顺序给予详细的定义1 3 l j 。 o s m 【m 给出的只是一个针对于普通数据交换而制定的参考 模型，由于要具体实现起来比较复杂，因此并没有实际的应用价 值，但是它却为其它通信网络方案提供了一个很好的参照物，任 何的通信网络方案均可在其基础上根据实际应用需求而改造成为 实用的、便于实现的通信层次结构无线通信网的协议层次模型 与0 s i i l m 中的通信子网模型十分相似。图2 - 6 给出了无线通信子 网的协议层次模型与o s 姻m 中的通信予网模型的对照p 1 矧。 o s 班w 通1 胄子网 无线逶信子网的协议层次模型 呼叫控制穆动性管理无线资源管理 链路接入控制( u 屺) 介质访问控制( m a c ) 物理层 图2 - 6 无线通信子网的协议层次模型与o s 矾t m 中的通信子网模型 由图2 6 可以看出，无线通信子网也采用0 s 班u 旺的概念来规 定其协议模型。这种模型分作三层；物理层、数据链路层、网络 层。在无线通信子网中，由这三层构成的协议模型统称为无线接 口或空中接口，它是完成通信终端之间的无线传输的依靠，而且 对通信过程中的通信质量和可靠性具有重要的影响，所以是无线 通信系统中最备受关注的接口之一。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 协议层o s 删主要功能 无线通信子网主要功能 连接控制、寻址、选径、呼d q 及连接控制0 c ( c 如c c m h m ) 。 中继 寻址、选径、中断 有线网以网络地址为 移动性管理m m ( m 0 b n e 网络层 准，用户的地理位置很 m 缸- g e m e n t ) ：用户访f 日权认证、位 置登记( 移动网专有功能，必须识别 少移动，故无类似功能 用户移动新位置) 网络连接分配可以看作无线资源管理r r c ( m l d i or 锚a u r 类似功能c o n 1 ) ；信道分配 链路接入控制u 屺( u n l 【a c o 通常未划分子层，但与c o n 缸0 i ) ：成帧、适应网络层数据报 数据链介质访问有关的情况下文长度变化 路层可能需要分子层，如局 介质访问控制m a c ( m e d i u ma i 碰$ 域网 c o n 缸0 1 ) t 对u 忙子层屏蔽物理层通 信方式差异、访问控制、检错 传输模拟信号( 模拟通信方式) 或二 物理层传输= 进制位流 进制位流( 数字通信方式) 第一层是物理层，它为高层信息传输提供无线信遒，能支持 在物理媒介上传输信息所需要的全部功能，如频率配置、信道划 分、传输定时、位同步、块同步、功率设定、调制和解调等。 第二层是数据链路层，它向第三层提供服务，并接受第一层 的服务。其主要功能是为网络层提供必须的数据传输结构，并对 数据传输进行控制。 第三层是网络层，它的主要功能是管理链路连接、控制呼叫 过程、支持附加业务以及进行移动性管理和无线资源管理等。 0 s 聃m 是针对于更普遍更一般性的网络传输，而无线通信网 是属于专用网络，所以在功能上会在实际用途和功能上更具有针 对性。从表3 1 可以将无线通信子网与0 s i ，r m 的功能进行对比列 出 2 5 2 物理层方案 通常来说，物理层的设计目标是使系统能够以最小的信号功 率、信道带宽、发送器和接收器复杂度来实现最高可能的数据传 输速率。然而这三个目标在不同应用系统的需求下，侧重点也不 同，同时设计目标常常是相互冲突、相互制约的，因此必须折中 考虑，这取决于应用系统所最关心的因素是什么。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 用于块同步，也标志着一帧数据的开始。 ( 3 ) s y s o 咄d ，系统识别码，占2 个字节，用于区滢谨囊潲婆 赢潞黯强髓终x 摇， ! 冀鬻囊萋刍薹j 引大= 鼎却i 亍j ；翼差隧蛙塑：理谚灏需哟蹬西旺 医章型到， i l l 辇u 囊怎型鹱j 霎誊引刨妻霎副j 案雾鬻霾嘲；却嘲廷搿 堑蔼囊蕴娶笳嚣翼溪崩噶爆磺瞰： | l 錾鼗t 胃辇囊a ，型磊魁裙；鹭留圃比。然后与v c o 的 本振频率一同送入混频器中产生中频信号。 传输到中频级，包括中频滤波器和中频放大器。中频滤波器在电 路中只允许1 5 0 k h z的中频信号通过，防止邻近信道的干扰，提高 邻近信道的选择性。中频放大器主要是提高接收机的增益，接收 机的整个增益主要来自中频放大。信号被滤波和放大，再送到系 统的解调器中，解调出基带信号。对天线的阻抗匹配要求较高， 为了降低对接收灵敏度的影响，要求外接天线的阻抗必须是5 0 欧 姆。可选的r s s i 信号和m 信号通过混频产生于引脚r s s f 。解 调后，该芯片从引脚di o 输出解调数字信号，解调信号的同步性 由芯片上的p c l k 提供的时钟信号完成 3 2 2 语音芯片 语音芯片采用了支持自适应增量调制( a d 6 v ed e n a mo d u l a _ 曲n ，简称a d m ) 的专用语音编码调制芯片。它提供全双 工的a d m 编码，u 律、a - 律和线性的p c m 编码以及a d m 与p c m 间的码制转换功能，为无线语音应用提供了一种低成本、低功耗 的理想解决方案。 该芯片是一款多功能的、非常适合语音系统的芯片，它拥有 高性能的数字特性，它所支持的a d m 编码是一种具有很高性能的 语音编码方法，它能使应用系统开发者免去了前向误码纠错、制 定相关协议和算法的过程，大大减轻了软件编写工作的负担和系 统的实现难度，从而节省了系统开发的周期。而连续可交斜率增 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 仰t l 1 2b 硝t 6 时间t 国_ 个突发周期内的要发羹蘩萤蒂翌 霾鬻黼一铽斟霸蒌再萋蓁燮纛鳍施一 釜噬洲佯碱量 雾羹- 蠢萋蠢魏司 j ? j j 。i 。? j 髫 宴谶鬻耋耀煺盈篓薹萋剥羹理1 曩型 雾耱醐鲡戮剞器磊罢墨i 讽矍聒叫譬爱薹灌煨翼囊；爹罔觋髭 姚妇妞雾鹜瞿樊篓信奏骡巽醴疑墼；雾囊骋嫠；终琴那匾薤藩挂 鲤瀚鏊囊蕊渺l 妻薯醴 经过适 圭机 s i m o s l m o 从机 f s p i 1 接收缌存 s t ef 一 丽 1f p 0 n x i 广l s o m l 数据移位1 f 接收缓存 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 断续。对讲机b 说话时，语音传输过程与前面类似。通话过程如 图2 - 1 1 所示。 从前面可以看出，在传输过程中，对讲机b 接收到的语音滞 后了一个突发周期的时间，但由于一个突发周期的时间很短，所 以感觉不到延迟。 为了减小时延，在通话过程中。也可以不必等到一个突发周 期内的语音全部送到了语音发送缓存才开始启动射频，可以在突 发周期过了一半多一些的时候就开始启动射频发射，但必须保证 能够在一个射频接收帧和发送帧内传送全部的信息。 射频接收帧和发送帧的周期、起始位置，以及保护时隙的大 小目前没有具体的规范，必须根据具体的要求和情况进行设定， 考虑系统的实时性要求、c p u 的处理时间以及器件的发送接收模 式间转换的时间等综合因素的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 第3 章数字对讲机的硬羹篓羹 奏。! 冀蠢鬟鲢萋萋黼羹霪垂 鬓明i 轰鞲明瓢塾蒿场强瓣圆滴耀潍浠釜挚星鬣吲纵要坐； 赠随型强盟攥臻瞒哩i 国臻崮器量簦割受，瑗睫灌灌= 割峨四哑 霎臻愈秭屠爨蔼塔涩燮霭瑗。 粪摹墅聋誊酝承赢戮如髫晷 f 靠_ 岗制蓠穗臻瓣国前韵瞩溺 圆筒；罐昨黔鞒鲋蒂搿磉潜， 苦j 甾渤萄鹭涮摄爝毽