（通信与信息系统专业论文）基于sopc的数字对讲机设计与实现.pdf

摘要 摘要 模拟对讲机作为短距离通信的重要工具，在社会众多行业中得到广泛的应 用。但是随着模拟对讲机用户量的不断增多以及频谱资源的日益紧张，模拟对讲 机通信拥堵及互相干扰的问题日益突出。与模拟对讲机相比，数字对讲机不仅具 有频谱利用率高、抗干扰能力强等优点，同时还能支持短消息等数据业务。2 0 0 9 年底，工业和信息化部发布了工业和信息化部关于1 5 0 m h z 、4 0 0 m h z 频段专 用对讲机频率规划和使用管理有关事宜的通知，明确我国对讲机技术模拟转数 字的时间表。可以说，我国对讲机数字化已是大势所趋。 正是在这个背景下，本文提出一种基于s o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l e c h i p ) 的公众数字对讲机实现方案。s o p c 相对于其他嵌入式系统，具有系统设 计灵活，软硬件可编程、可裁减且易于软硬件升级等优点。 本文首先对国际上开放的公众数字对讲机标准d p m r ( d i g j i t a lp r i v a t e m o b i l er a d i o ) 协议的物理层、数据链路层和呼叫控制层的功能进行分析。接着 根据协议内容，提出公众数字对讲机的s o p c 实现方案，其中数据链路层使用 f p g a 硬件电路实现，呼叫控制层使用f p g a 上的软核处理器实现，充分发挥软 硬件优势。同时，本文也对数字对讲机主要外设的控制器进行设计，如1 r i 叩显 示器、射频模块、语音模块，并实现控制器与软核处理器的通信。最后在实验室 开发的软件无线电实验箱上进行验证调试，并最终实现了数字对讲机单呼通话， 组呼通话，短信息收发等基本功能。 关键词：数字对讲机；s o p c ；f p g a a b s t r a c t a so n eo fs h o r t h a u lc o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n t ，a n a l o gw a l k i e - t a l k i ei sw i d e l y u s e di nm a n yf i e l d s w i t ht h eg r o w t ho fu s e ra n dt h es t r a i no ff r e q u e n c y , t h ep r o b l e m o fc o n g e s t i o na n dm u t u a li n t e r f e r e n c ei na n a l o gw a l k i e t a l k i ec o m m u n i c a t i o nb e c o m e s e r i o u s c o m p a r e dw i t ha n a l o gw a l k i e - t a l k i e ，d i 【g i t a lw a l k i e - t a l k i eh a sh i g hu t i l i z a t i o n r a t i oo ff r e q u e n c y , s t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t y , a n ds u p p o r t sd a t at r a n s m i s s i o n a t t h ee n do ft h e y e a r2 0 0 9 ，m i i ti s s u e st h e “6 6 6 ”d o c u m e n t s ，w h i c hf o c u so n c o n v e r t i n ga n a l o gw a l k i e - t a l k i e t o d i i 酉t a lw a l k i e t a l k i e ，a n dp u te m p h a s i so nt h e d e v e l o p m e n to fd i 昏t a lw a l k i e t a l k i e i nt h i sp a p e r , w ep r o p o s eas c h e m et oi m p l e m e n tp r i v a t ed i 百t a lw a l k i e t a l k i e s y s t e m ，w h i c hb a s e do ns o p c ( s y s t e mo nap r o g r a m m a b l ec h i p ) c o m p a r e dw i t ht h e s c h e m e sb a s e do no t h e re m b e d d e dp r o c e s s o r , s o p ch a ss o m ea d v a n t a g e s ，s u c ha s s o f t w a r ea n dh a r d w a r ep r o g r a m m a b l e ，s c a l a b l e ，u p g r a d a b l e f i r s t l y , w ea n a l y z et h ep h y s i c a ll a y e r , d a t al i n kl a y e ra n dc a l lc o n t r o ll a y e ro f 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 ) p r o t o c 0 1 s e c o n d l y , t h ep a p e rg i v e so u tt h e s o p cs c h e m et oi m p l e m e n td p m rw a l k i e - t a l k i e i nt h es c h e m e ，t h ed a t al i n kl a y e ri s i m p l e m e n t e db yu s i n gf p g 八a n dt h ec a l lc o n t r o ll a y e ri si m p l e m e n t e db ym i c r o b l a z e p r o c e s s o ro nf p g a , w h i c hf u l l yu t i l i z i n gt h ea d v a n t a g e so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e a t t h es a m et i m e ，w cd e s i g ns o m eh a r d w a r ec o n t r o l l e r sf o rs y s t e mp e r i p h e r a l s ，s u c ha s t f rc o n t r o l l e r , a m b ec o n t r o l l e r , a n dr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l l e r a n d m i c r o b l a z e f i n a l l y , t h em a i n f u n c t i o n s i n c l u d i n gu n i c a s tc o m m u n i c a t i o n ， m u l t i - c a s tc o m m u n i c a t i o n ，a n dt e x tm e s s a g et r a n s m i s s i o na r cr e a l i z e db yt e s t i n gt h e s y s t e mo i ls o f t w a r er a d i op l a t f o r m k e y w o r d s ：d i 营t a lw a l k i e t a l k i e ；s o p c ：f p g a 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 自美国陆军通信兵研制出第一台对讲机以来，对讲机经过长期的发展，已经 从军用扩展到民用，从专业化领域走向普通消费。相比于手机，对讲机不受网络 限制，在网络未覆盖到的地方，对讲机也可以让使用者轻松沟通，而且它不用根 据通话时间计费，更加经济实用，因此广泛应用于政府机关、制造业、采矿业、 旅游业、服务业、保安等众多不同的场合和业务中，是实现短距离通信的有效手 段。 随着通信技术的快速发展，数字通信系统以其优秀的性能在越来越多的应用 中逐渐取代了传统的模拟通信系统，成为通信领域的主流发展方向。但是我国国 内的对讲机基本都是模拟对讲机，随着对讲机用户量的不断增长及人们对通信质 量要求的日益增高，模拟对讲机频谱利用率低、相互干扰较严重、业务功能较单 一、通信不太稳定的问题日益突出。与传统的模拟对讲机相比，采用数字信号处 理技术的数字对讲机具有抗干扰能力强、频谱利用率高、通话质量好、易于加密 等特点，而且还能提供短信息等附加数据业务i 。 表1 - 1 数字对讲机与模拟对讲机的性能比较 对讲机频带利 语音 语音保终端数字 种类用率质量密性性能业务 数字高高强强支持 模拟低低弱弱不支持 2 0 0 9 年末，工业和信息化部发布了关于1 5 0 m h z 、4 0 0 m h z 频段专用对讲 机频率规划和使用管理有关事宜的通知( 以下简称“6 6 6 号文件 ) ，通知对数 字对讲机使用1 5 0 m h z 和4 0 0 m h z 频段做了明确规定，并宣布自2 0 1 1 年1 月l 同开始，停止该频段内模拟对讲机的核准，并且要求自2 0 1 6 年开始，市场禁售 模拟对讲机。这一通知的发布，为数字对讲机打开了广阔的应用前景。 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 国际咨询公司i m s 通过对全球数字对讲机市场的跟踪调查，在其咨询报告 中指出，2 0 0 8 年到2 0 1 3 年是对讲机从模拟转向数字的变更期。在这期间，由于 一部分模拟对讲系统完成其历史使命，模拟设备将会大量减少。报告同时指出， 大部分市场将会转向低成本的数字对讲机，比如d m r ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 和 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 ) 1 2 1 3 1 。 1 2 国内外发展的现状和态势 在专用移动通信领域，比较成熟的数字技术主要集中在数字集群通信系统 上，其中有欧洲的t e t r a 系统，北美的i d e n 系统等。t e t r a 系统是e t s i ( 欧 洲通信标准协会) 联合使用部门、制造商、检测部门等，为了满足欧洲各国的专 业部门对移动通信的需要而制定的专用对讲机系统。它不仅支持数字全双工的通 话服务、短信息等分组数据服务，同时还提供多群组调度服务。i d e n ( 集成数 字增强型网络) 是美国摩托罗拉公司研制和生产的一种数字专用移动通信系统。 它吸收了数字蜂窝通信系统的优点，其蜂窝式的小区结构提高了网络的覆盖能 力。t e t r a 和i d e n 这两种专用对讲机系统以其特有的调度功能、组呼功能和 快速呼叫的特性，在指挥调度功能要求较高的特殊部门和企业中发挥着巨大的作 用。我国目前使用t e t r a 的有天津水利厅、济南机场、连云港核电站等，使用 i d e n 的有浙江宁波港、天津港等。但是这两种数字集群通信系统由于功能强大， 网络覆盖力广，系统复杂，因此系统设备采购、建网和终端成本比较高【4 l 。 针对这种情况，e t s i 于2 0 0 5 年又提出了适用于不同场合的两种数字对讲机 标准，分别为d p m r 和d m r 标准。其中d m r 标准也是专用数字对讲机标准， 主要应用于交通运输和公共事业部门，相对于已经成熟的t e t r a 与i d e n 两大 数字标准，具有产品成本低、技术简单的优点。而d p m r 的主要目标客户是工业 部门和服务业，包括商场、仓库、建筑公司、酒店、娱乐场所、物流和制造业等。 e t s i 发布d m r 、d p m r 数字对讲标准后，美国的主流对讲机公司摩托罗拉 已于2 0 0 7 年推出基于d m r 的数字对讲机产品，并开始在世界各国销售；日本 的健伍、i c o m 公司也于2 0 0 8 年推出基于d p m r 的数字对讲机产品。 工业和信息化部发布6 6 6 号文件之前，我国数字对讲机研发主要集中在数字 集群对讲机系统上，面对的客户主要是港口，机场等公共事业部门。因为这些部 2 第1 章绪论 门对对讲机的频谱资源及覆盖范围要求较高，一般模拟对讲机很难满足需要，因 此对数字集群对讲机系统有刚性的需求。而像d m r 、d p m r 数字对讲机，面向 的客户主要是超市、娱乐场所等，这些单位一般对对讲机的价格比较敏感，所以 在6 6 6 号文件出来之前，大部分都是购买模拟对讲机，所以国内大多数对讲机公 司都没有对d m r 、d p m r 数字对讲机进行开发，大多数都处于观望态度。近两 年，陆续有企业开发出d m r 和d p m r 相关产品和方案，如深圳好易通公司推出 d m r 数字对讲机，杭州士康公司于2 0 1 0 年推出d p m r 数字对讲机芯片方案。 目前数字对讲机的设计方案主要有以下几种： 第一种方案是m c u 方案。文酬5 】的实现方案主要由m c u 控制模块，无线 数据传输模块，语音编解码模块和人机接口模块构成。其中m c u 是系统的主控 制器，负责对其它模块进行控制，并实现数字对讲机的呼叫控制层及数据链路层 功能。无线传输模块实现物理层的调n 解调、发送接收等功能。语音编解码模 块用来实现对讲机的语音压缩编码。这种方案的优点是开发难度较小、价格实惠、 使用方便。缺点是处理器性能较低，只能支持相对比较简单人机交互功能，并且 后期软件升级有一定的局限性。 第二种方案是m c u + d s p 方案。文献【6 l 的实现方案主要是使用m c u 做为系 统的主控制模块并实现对讲机的呼叫控制，用d s p 实现物理层的调n 解调及数 据链路层的信道编解码功能，使用专用射频芯片实现数据的发送接收功能，使 用语音编解码模块实现对讲机的语音压缩编码。文献川的实现方案与文献1 6 1 大体 相似，主要区别是通过d s p 实现语音编解码功能，节省对讲机的硬件成本。这 两种方案利用d s p 出色的运算速度实现较快的语音编解码和数据链路层的信道 编解码处理，缺点是处理器性能较低，其支持的软件功能有一定的局限性 第三种方案是a r m 方案。文献【8 1 使用a r m 处理器实现呼叫控制层功能、 数据链路层的信道编解码和语音压缩编码，使用无线传输模块实现物理层功能。 这种方案对a r m 性能要求比较高，因为语音压缩编码及信道编解码会占用掉 c p u 很多资源，且语音编码效果没有专用芯片优秀。这种方案的优点是可以实 现呼叫控制层功能，数据链路层功能及语音编解码的全软件集成。 第四种方案是专用芯片方案，如c m x 7 1 4 1 芯片方案。专用芯片方案具有很 好的价格优势，但是目前推出的方案较少，而且专用芯片在硬件升级方面有一定 3 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 的局限性。 本文采用s o p c ( s y s t e mo n ap r o g r a m m a b l ec h i p ，片上可编程系统) 的架 构来实现d p m r 数字对讲机。由于d p m r 协议的数据链路层功能是编解码、成 解帧、信道接入控制等，这些基本上属于算法简单，但计算速度要求较高的处 理，非常适合用f p g a 的硬件电路实现。对于协议的呼叫控制层，可以通过f p g a 上软核处理器来实现呼叫建立、保持、终止，数据业务及外设控制等。这样在 d p m r 对讲机的实现上，使用s o p c 技术可以很好地发挥软件和硬件的各自优 势，提高系统的运行效率。同时，s o p c 技术具有很强的软硬件升级优势。s o p c 技术的缺点主要是目前f p g a 价格偏贵，但是随着微电子工业的发展，f p g a 与 a s i c 在性价比上的差距将日益减小。 1 3 本文的工作与结构 本文一共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章介绍了数字对讲机相对于模拟对讲机的技术优势，以及我国数字对讲 机的相关政策和国内外发展状况，阐明了本课题的研究意义。 第二章分析d p m r 协议的三层结构及功能，并对里面的关键技术进行分析。 第三章根据d p m r 协议内容提出基于s o p c 的数字对讲机实现方案，将协议 分成软件实现跟硬件实现两部分，即通过用户自定义口实现数据链路层功能及 物理层控制，使用m i c r o b l a z e 实现呼叫控制层功能，并对各个模块进行设计及实 现。 第四章主要是实现d d r 2 、f l a s h 控制器的移植及皿盯、语音编码器 a m b e 一1 0 0 0 、射频芯片a d f 7 0 2 1 控制器的设计，并利用这些控制器对外设进行 控制。 第五章对对讲机的各个模块及对讲机功能进行调试。 第六章是本文的总结和展望，主要对所做工作进行阐述并指出其中的不足， 同时给出了下一步的工作方向。 4 第2 章d p m r 协议介绍 第2 章d p m r 协议介绍 e t s i 在2 0 0 5 年先后推出d m r 和d p m r 两个数字对讲机标准。d m r 是e t s i 为专业移动无线通讯用户( p m r ) 制定的数字无线通信标准，而d p m r 标准主 要面向一般商业用户，其中包括商场、娱乐场所及其他不要求高级功能设置和宽 带覆盖的用户。同时，d p m r 对讲机易于实现且成本低廉，提出后得到了广泛的 重视，并逐步成为国际上热门的数字对讲机标准之一。 2 1d p m r 通信协议概述 为了细分d p m r 对讲机的客户群，欧洲电信标准协会将协议分为点对点直通 模式和中转模式。点对点直通模式属于公众对讲机标准，此模式的对讲机只进行 点对点的直通呼叫。中转模式属于专业对讲机标准，它设有中转台，并可以通过 中转台实现数据转发，从而增大终端间的通信距离。由于中转模式是在直通模式 的基础上，进行控制层局部功能的扩展，可以说直通模式是d p m r 协议最基本的 通信模式，所以本文主要是对直通模式进行研究。 从协议的整体结构上来讲，d p m r 协议遵循常用的分层结构，自底向上分为 物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p l ) ，数据链路层( d a t al i n kl a y e r ，d l l ) ，呼叫控制 层( c a l lc o n t r o ll a y e r ，c c l ) 三层结构1 9 1 ，其结构框图如图2 - 1 所示。 控制面板 ”丁一，=cr p v _ i i jj 1 i 目 l 数据呼叫控制 i 1 l 1 l 厂一固有服务用户面板 呼叫控制层 彳产 ， 上d 多1 数据链路层 j ： 土 7 物理层 图2 - 1d p m r 协议结构 5 语音包 数据包 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 协议的第一层是物理层( p l ) ，它为上层信息传输提供无线信道，并支持在 物理媒介上传输比特流所需要的全部功能，主要有以下几点： 调制和解调； 发送和接收的转换； 射频特性选择； 比特和符号的定义； 频率和符号的同步； 传送和突发的建立。 协议的第二层为数据链路层( d l l ) ，它负责处理数据的逻辑连接和实现通 信双方之间数据帧的正确传输，同时解决多用户如何共享信道。数据链路层往上 被分为两部分。一部分是控制面，用来传输具有寻址能力的信令信息或数据包， 另一部分是用户面，用来传送没有寻址能力的语音数据等。其中，数据链路层通 过控制面来向呼叫控制层提供服务。数据链路层实现的主要功能包含： 信道编解码( 前向纠错编码f e c ，循环冗余码校验c r c ) ； 交织、去交织和比特排序； 确认及重发机制； 帧和超帧的建立及帧同步； 信道接入控制及管理； 突发和参数的定义； 链路寻址( 信源跟信宿) ； 话音应用与物理层的接口； 与呼叫控制层交换信令和用户数据。 协议的第三层为呼叫控制层( c c l ) ，它属于控制面，负责呼叫控制，并提 供d p m r 系统所支持的服务。呼叫控制层实现的主要功能包含： 呼叫的建立、保持和中止： 单呼和群呼的发送与接收； 目的寻址； 支持固有服务，包含延时接入、呼叫转移等； 数据呼叫控制。 6 第2 章d p m r 协议介绍 2 2 物理层 物理层的任务是进行透明的比特流传输。d p m r 协议规定的物理层参数如表 2 1 所示。 表2 - 1d p m r 物理层参数 参数名称参数值 载波频段4 4 6 1 m h z 抖6 2 m h z 信道带宽6 2 5 k h z 信道数目1 6 调制方式 4 f s k 多址方式 f d m a 传输速率 4 8 k b p s 系统采用4 f s k 的调制方式。调制时，发射端每秒发送2 4 0 0 个符号，其中 每个符号携带2 b i t 的信息。最大频偏d ，定义有： d = 3 h 2 t ( 2 1 ) t 表示符号周期，即( 1 2 4 0 0 ) s ； h 表示每个特殊调制的频偏系数，在4 f s k 中其值为0 2 9 。因此这个范围内 符号的频偏为1 0 5 0 k h z 。在d p m r 系统中，符号信息与比特信息的映射表如表 2 2 所示： 表2 2 比特信息符号对应的4 f s k 频偏 i n f o r m a t i o nb i t s s y m b o l 4 f s kd e v i a t i o n b i t1b i to 01+ 3+ 1 0 5 0 h z o0+ 1+ 3 5 0h z 10- 13 5 0h z ll- 31 0 5 0 h z 7 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 4 f s k 调制器是由平方根升余弦滤波器和频率调制器构成。平方根升余弦滤 波器负责生成四电平的基带带限调制信号；频率调制器负责调频功能。其中，平 方根升余弦滤波器的频率响应如公式( 2 2 ) 所示。平方根升余弦滤波器的一部 分用于抑制邻道干扰，另一部分用于接收机抑制噪声。信息流经过映射、滤波成 形和调制后便成为4 f s k 输出信号。 f 1 ， o s l 卅 s h事i 案ii 刊 一-一彳彳 之多 妙 曲。 i 霾委il 翌卜l 图3 - 3d p m r 数字对讲机结构框图 在本设计中，m i c r o b l a z e 通过软件实现呼叫控制层功能，包括呼叫建立、呼 叫保持和呼叫终止，单呼和群呼，目的寻址等。由于d p m r 协议的数据链路层功 能主要是编解码、成解帧、与射频及语音模块进行数据交互等，这些基本上属于 算法简单但计算速度要求较高的处理，非常适合f p g a 的硬件电路实现，所以 这里使用自定义l p 模块来实现数据链路层功能。目前市面上没有性价比较好的 6 2 s k h z 窄带射频模块，因此本系统的物理层暂时使用a d i 公司的射频芯片 a d f 7 0 2 1 来实现。它是一款低功耗、高集成度的2 f s k 3 f s k 4 f s k i 收发器，可以 工作在8 0m h z - 6 5 0m h z 和8 6 2m h z - - 9 4 0m h z 频谱范围内，同时能提供高斯滤 波器和升余弦滤波器功能以便为窄带应用提高频谱效率，并具有1 2 5k h z ，1 8 7 5 k h z 和2 5k n z - - - 种可编程带剜1 9 1 。系统的语音压缩芯片采用a m b e 一1 0 0 0 ，它是基 于a m b e ( a d v a l n c e dm u l t i b a n de x c i t a t i o n ) 算法的专用语音压缩芯片，具有编 码速率低和语音质量好的优点。a m b e 1 0 0 0 e , 片语音的编解码速率可以在 2 4 0 0 。9 6 0 0 b p s 之间以5 0 b p s 的间隔变化，并且内部集成f e c 功能。即便是工作于 2 4 0 0 b p ! s 的时候，a m b e 1 0 0 0 仍可以保持自然的语音质量。 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 本设计使用e d k i 具提供的多端口存储器控制器( m p m c ) 实现对d d r 2 s d r a m i 拘访问控制，利用x p sm c h _ e m c 控制器来实现对f l a s h 的读写操作，通 过g p i o 实现键盘操作。为了方便对系统的软件进行调试，本设计还使用了x p 乳 u a r t l i t e 串口控制器来实现m i c r o b l a z e 与电脑的串口通信，从而实现调试信息 的打印。而对于1 1 丌显示、语音模块和射频模块，本系统是使用自定义口来进行 控制。 3 3 数据链路层功能模块设计 数据链路层在d p m r 系统中，主要负责与呼叫控制层交换信令信息，与用户 端口进行数据包及语音包交换，进行信道接入管理，对信令信息进行信道编解码 及相应成解帧处理等。 数据链路层有两个状态，即接收态与发送态。当对讲机处于接收态时，通过 信道接入管理模块，数据链路层对物理层传输过来的数据进行帧同步判断及色码 检测。检测成功后，数据链路层对接收的帧进行拆分，分成信令部分和业务数据 部分。信令部分经解码后还原出原始的信令信息，并上传给呼叫控制层。最后， 呼叫控制层根据信令信息对业务数据部分进行丢弃或传送至用户端的相关操作。 当对讲机处于发射态时，呼叫控制层首先查看之前接收态信道接入管理的信息， 如果信道空闲，则将信令信息发送到数据链路层并编码成发送帧的信令部分，然 后与用户端传过来的业务数据、同步帧及色码进行成帧操作，最后发送至物理层 接口进行发送。根据协议，本文设计的数据链路层功能模块框架如图3 4 所示。 2 4 第3 章d p m r 对讲机的设计与实现 图3 - 4 数据链路层功能模块框图 3 3 1 信道接入管理模块 信道接入管理模块主要是进行帧同步字及色码检测。当收到同步帧字f s l 或f s 2 后，信道接入管理模块便发送控制信号到收发缓存，控制接收缓存进行数 据接收。当色码检测正确后，信道接入管理模块便返回给信令管理模块一个色码 正确的信息。在接收有数据过程中，如果发生帧同步字丢失或色码有误时，信道 接入管理模块便回到空闲态重新检测帧同步字，同时发送信道连接出错的信息到 信令管理模块。信道接入管理的状态转换图如图3 5 所示。 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 图3 - 5 接入管理的状态转换图 帧同步字及色码检测的原理是通过把接收到的串行数据流，逐个送入一个串 行移位寄存，将串行移位寄存器的数据与帧同步字进行异或处理，处理完之后送 入相同位数的移位寄存器里，通过移位操作，统计里面1 个数。如果个数为零表 示收到帧同步字，如果不为零表示接收的数据非帧同步字。在协议里，除了帧同 步字f s l 是4 8 位外，其余同步字及色码都是2 4 位。为此，本文接收串行移位寄 存器采用4 8 位移位寄存器。系统使用的帧同步字及色码检测硬件原理图如图3 - 6 所示。数据链路层每收到一比特信息后，分批将接收寄存器与帧同步字及色码的 异或信息存进2 4 位移位寄存器( 帧同步字f s l 划分成两个2 4 位信息进行分批判 断) ，然后通过移位寄存器移位和累加器统计异或信息里1 的个数，从而判断帧 同步信息1 2 0 l 。其中f s l 0 为f s l 的高2 4 位，f s l1 为f s l 的低2 4 位。由于数 据链路层每接收一个数据，检测电路都要进行2 4 * 5 次的移位操作，因此检测电 路的时钟频率要大于1 2 0 倍的射频数据时钟，其中射频的数据时钟为4 8 k h z 。 第3 章d p m r 对讲机的设计与实现 由于协议没有对帧同步字及色码进行信道编码，传输过程中很容易发生误码，为 此系统对它们的判断采用每2 4 位两比特的容错处理。 f s i _ o f s i i f s 2 f s 3 c c 2 啦特捡测数据 竺1 或2 4 b r i t 黼 i n _ i ： j ， 2 22 12 01 91 71 81 6 1 5 1 4 1 3 1 2h 一 时 一 l 一j 累加嚣 k ， i o ol23456789l oi l 卜一 2 4 位移位寄i 3 3 a 收发缓存模块 图3 - 6 帧同步字及色码检测 收发缓存除了负责发送帧及接收帧的缓存，同时还负责链路层传输帧的成解 帧处理。通过前文协议分析可以知道d p m r 数据链路层传输的数据由3 个最小单 元头帧、尾帧和负载帧组成，其中头帧和负载帧为3 8 4 b i t ，尾帧为9 6 b i t 。 f p g a 内部有多个r a m 核储存块，并且每个存储块大小为1 6 3 8 4b i t ，用户可以 通过c o r eg e n e r a t o r 工具对其进行调用。由于d p m r 对讲机是半双工通信， 因此本设计只调用一个r a m 核来实现收发缓存。当对讲机处于发射态时，缓存 用来存放发射数据；当对讲机处于接收态时，缓存用来存放接收数据。本设计的 缓存只用到r a m 核里面前3 0 7 2 b i t 的存储空问。同时为了方便对存储器进行寻 址，这里将缓存空间划分为6 个5 1 2 b i t 的存储单元，其中每个存储单元存放一个 链路层的数据最小单元。缓存的存储结构如图3 7 所示。 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 头帧 负载帧l 负载帧2 负载帧3 负载帧4 尾帧 图3 - 7 缓存空间分布 当链路层需构建头帧时，发送缓存先从信道接入管理模块获取色码信息，再 从编解码模块获取信令部分，从而完成头帧的构建。负载帧除了以上步骤外，还 需从业务数据队列里提取2 8 8 b i t 的用户数据，从而构成负载帧。由于3 种帧的存 储空间是一样的，因此在数据发射过程，每发完一个单元的帧，只要改变缓存地 址的前3 位便可以切换到下一个存储空间，从而保证帧与帧之间的连续性。 当数据链路层处于接收态，如果成功收到一个头帧，接收缓存便通知解码模 块进行头帧信令的解码。如果当前接收的是负载帧，接收缓存在接完信令部分后， 便通知解码模块进行负载帧信令的解码。在接收完业务数据部分后，接收缓存根 据上层传过来的控制信息，判断业务数据是否为有效数据。如果是有效数据，则 将数据发送到业务数据缓存，从而实现帧的拆解。 3 3 3 编解码模块 数据链路层的编解码模块是负责信令及部分业务数据的编解码。编码模块的 流程是先经过c r c 校验，再经过汉明码编码，然后进入交织，最后经过加扰后 得到编码的数据。解码过程与编码过程相反。其中，头帧信令和负载帧信令的编 码差别主要是位数和c r c 校验方式，之后陆续经过的汉明码编码、交织编码和 加扰编码都是相同的。尾帧的编码与负载帧相比，除了需编码的信息位数减少外， 省去了交织部分。因此，信令的编解码模块可以很容易做成同时兼容3 种数据的 编解码模块，其中编码模块和解码模块是独立的。协议规定了短消息等部分数据 。 m 一 一 一 一 第3 章d p m r 对讲机的设计与实现 业务可以采用负载帧信令的编码方式。为此，本系统的短消息数据采用此种编码 方式。 3 3 3 1e r e 校验编码实现 在d p m r 协议中，使用了c r c 一7 跟c r c 一8 两种校验，其中c r c 一7 用于负 载帧中信令的校验，而c r c 一8 用于头帧中信令的校验。它们生成多项式分别为： crc一7：x7+x3+1(31) c r c 一8 ：x 8 + x 2 + x + 1 ( 3 2 ) 通常c r c 的实现是通过线性反馈移位寄存器来实现的。移位寄存器由r a ( m 是生成多项式的最高阶) 个d 触发器，加上一些异或门和一条反馈回路组成1 2 1 1 。 如c r c 一8 对应的具体串行电路为图3 8 所示。 图3 - 8g r c - 8 的串行电路 开始时，寄存器全部都置零，串行数据按高到低的顺序，依次进入串行电路。 当数据从最右侧寄存器移出时，就通过线性反馈回路和后续输入的数据进行异或 运算，并进入各级移位寄存器。当所有数据都移入串行电路后，移位寄存器输出 的状态值便是输入数据对应的c r c 校验码。 这种串行实现结构较为简单，但每次只能输入一位数据，处理速度较慢。为 此本文采用8 位并行处理，它是基于串行生成校验位的原理。串行运算时，当前 寄存器的状态值只与信息码的当前一位的输入值和前一状态值有关1 2 2 j 。设取为 串行输入的数列，f 一1 ，2 ，8 为输入信息码序号，厂；为图3 8 中移位寄存器，i f 在 第i 个码元输入后的状态值，则可递推出： 茗：! 安：! 麓。 钒z 0 钒目芎。弓饥e ，f 。弓姚。( 3 - 3 ) 一君。譬。芎o o 鸭。魄 通过式( 3 3 ) 的方法，可以推导出8 ，厂7 8 ，并定义： 墨2吒。朋8。(3-4) 则可以得出8 位数据输入后，寄存器的状态值变化情况。状态值变化情况如 表3 - 1 。 表3 - 18 位并行计算的c r c - 8 逻辑关系式 疗一s oo o s 7一- s 2o s 3 o s 4 彳一s oo s lo s 6譬s 3o o 譬一s oo 黾o s 2o &。s 4o 黾o s 6 芎一s los 2o s 3o s 7芎一s 5o s 6o s 7 通过以上方法也可以得出8 位并行输入后，c r c 一7 串行电路里寄存器值的 变化情况。变化情况如表3 - 2 所示，其中墨= r j o r o t _ , 表3 - 28 位并行计算的c r c - 7 逻辑关系式 茗一s 3o s 6o 小8一s oo 屯o s 4 r ：is q e s i心- s lo o r ；= s l 国s s一s 2o s 5o s 6 芎一s 2o s 3o m 8 根据表3 1 的逻辑关系式，可以很容易实现c r c 一8 的8 位并行处理的运算 电路，其硬件结构如图3 - 9 所示。 第3 章d p m r 对讲机的设计与实现 图3 - 98 位并行的c r c - 8 硬件实现示意图 3 3 3 2 汉明码编解码实现 汉明码模块由两部分构成：一部分是汉明码编码器，其作用是发送端根据信 息码元生成监督码元从而构成汉明码；另一部分是汉明码译码器，其作用是接收 端根据接收到的信息码生成伴随式，并根据伴随式对接收码字进行纠错检错。本 协议使用的汉明码为缩短汉明码( 1 2 ，8 ) ，其生成多项式为x 4 + x + 1 ，生成矩 阵如前文公式( 2 6 ) 所示。根据生成矩阵，可以很容易得出并行处理的硬件编 码电路，如图3 - 1 0 所示，其中所7 m 6 r a s m 4 m 3 m 2 ，l l 聊。为输入码元，c 3 c 2 c l c o 为监督码 元。 图3 - 1 0 缩短汉明码( 1 2 ，8 ) 的硬件实现示意图 3 1 基于s o p c 的数字对讲机设计与实现 接收端采用并行译码方式，将接收的1 2 位码字，经过伴随式生成电路，生 成4 位的伴随式s 。伴随式s 再经过一个译码逻辑与表2 - 3 一样的4 至1 2 译码 器，生成1 2 位的差错图样。最后，将这个差错图样与接收的1 2 位码字进行异或 操作，便得到纠错后的码字。 3 3 3 3 交织与解交织实现 由于交织模块的数据输入是来自汉明码编码模块的1 2 位并行输出，为了提 高模块的处理速度，本设计采用按行并行写入，按列串行输出的形式。交织模块 由地址生成子模块，读写控制子模块，数据存储器组成。其中，数据存储子模块 使用f p g a 里的双口r a m 核【2 3 1 ，读写计数器的计数值分别是双口r a m 核数据 输出端和输入端的地址，交织模块框图如图3 1 1 所示。 并行数据 输入 复位控制 使能控制 交织方式 时钟 铲 l 数器i 师能 双口 读写 读写使能 r a m 控制 + 酤乙 数器l 图3 一l l 交织模块内部结构 串行数 据输出 数据数 据有效 由于协议中使用( 1 2 幸6 ) 和( 1 2 1 0 ) 两种交织矩阵。为了使设计的交织器 能兼容两种矩阵，这里定制的数据存储器为1 6 1 0 的r a m 核存储块，输入端数 据宽度为1 6 ，输出端数据宽度为1 。为了便于输出寻址，这里使用1 6 位的空间 存储每一行1 2 位的