（微电子学与固体电子学专业论文）tdd模式的数字对讲无线语音传输系统设计与实现.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着数字集群通信在我国不断地发展，数字集群终端的需求量 将会逐步增大。目前，国外厂商生产的终端价格都比较昂贵，超出 了一般用户可以承受的范围，因此，对于一线指挥调度工作的企事 业单位，如何结合实际情况，在现有成熟的移动通信产品和技术研 究基础之上，推陈出新，优化技术体制，做出多功能、价格适中的 通信终端系统，具有很重要的意义。 本文根据t d d 双工模式的原理，设计并实现了一种基于t d d 模 式的无线语音传输终端系统。文中首先描述了t d d 的帧结构、t d d 的帧周期以及t d d 的实现方式等关键技术。接着，简要介绍了系统 的硬件电路。然后，对系统的软件实现进行了详细设计：即采用模 块化的设计思想，对各个功能模块的特点及功能进行详细叙述，并 着重说明各个功能模块软件实现的方法。最后，分别对系统的硬件 和软件部分进行了调试，指出了在调试过程中须要注意的关键点。 文中除了对语音系统做了研究外，还在现有集群通信终端所具 备的短消息数据业务功能的基础上做了改进，增加了短信自动回复 功能，为将来在本系统上实现该功能进行了前期研究。 试验结果表明，该数字对讲语音终端系统达到了预期目标，实 现了一对一单呼、一对多群组呼叫功能。 关键词：数字集群通信；数字对讲；群呼；t d d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 f 页 a b s t r a c t w i t ht h ed i 百t a lt r u n k i n gc o m m u n i c a t i o n sc o n s t a n td e v e l o p m e n ti n o u rc o u l i u y , d i g i _ t a lt r u n k i n gt e r m i n a l sw i l lg r a d u a l l yi n c r e a s e t h e s e t e r m i n a l sw h i c hm a d eb yf o r e i 盟m a n u f a c t u r e r sa l em o r ee x p e n s i v e t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tf o rt h es p e c i a lc o m p a n ya n dd e p a r t m e n tt o i n n o v a t et e c h n o l o g yf o rw i r e l e s sd i s p a t c h e r sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m b a s eo nt h ee x i s t i n gm a t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o np r o d u c t s a c ：；o r d i n gt ot h ep r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so ft i m ed i v i s i o n d u p l e xod d ) m o d e ，t h i st h e s i sh a si n t r o d u c e das c h e m eo fw i r e l e s s v o i c et r a n s m i tt e r m i n a ls y s t e mb a s e do nt d dm o d e 卫1 ek e y m e t h o d s a b o u tt d df l a m es t r u c t u r e 、t d d 鱼d l l ec y c l ea n dr e a l i z a t i o no ft d d m o d ea l ed e s c r i b e df i r s t l y b a s e do nt h e s em e t h o d s ，t h es o f t w a r e s y s t e ma d o p t e dm o d u l a rd e s i g nc o n c e p t t od e s c r i b et h ed e t a i l e d c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o no fe a c hm o d u l e s ，a n dm a i n l yf o c u s e do n i m p l e m e n t a t i o no fe a c hm o d u l e s n e 巩t h et e x tp o i n t e d o u tt h ek e y p o i n t so fs y s t e mh a r d w a r ea n ds e t , w a r er e s p e c t i v e l yi nt h ed e b u g g i n g p r o c e s s i na d d i t i o n , t h et e x td i dap 橱i n l i i 脚ys t u d yt oa d da 血n c 6 0 no f a u t or e s p o n s eo fs h o r tm e s s a g eb a s e do nt h es h o r tm e s s a g ef u n c t i o n s o w n e db ye x i s t i n gd i g i t a lt m n k i n gt e r m i n a l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tw i r e l e s sv o i c et r a n s m i t t e r m i n a ls y s t e mw h i c hd e s i g n e di nt h i st e x ta c h i e v e dt h ee x p e c t e dg o a l s a n di m p l e m e n t e dt h ef u n c t i o n so fo n e - t o - o n ep r i v a t ec a l l s ，o n e - t o - m a n y g r o u pc a l l k e y w o r d s ：t r u n k i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ；w i r e l e s sd i s p a t c h e r , g r o u pc a l l ；t d d 西南交通大学 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 一) 学位论文作者签名：配_ 日期：沙曙芗z ，7 指导老师签名：m 醐一红九刁 西南交通大学学位论文创新性声明 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，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 ) 给出了基于t d d 模式数字对讲通信系统的基本原理，分析了 t d d 双工模式的原理和特点，从而设计了一种多功能通信协议方案， 其中重点讨论了t d d 的帧结构、t d d 的帧周期以及t d d 的实现方式等 关键技术。 ( 2 ) 采用模块化的设计思想，对系统软件实现进行了详细设计。 ( 3 ) 该终端系统不但实现了全双工一对一单呼功能，还具有一对 多的半双工群呼功能，在软件实现上特别对该功能的实现方法进行了 详细叙述。其中的群呼功能在目前少量有关用t d d 方式实现全双工 语音系统的研究中所不具备的。 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 论文研究背景概述 移动通信从应用角度划分为公众移动通信网( p u b l i cl a n d m o b i l en e t w o r k ) 简称( p l m n ) 和专用移动通信网( p r i v a t em o b i l e r a d i os y s t e m ) 简称( p m r s ) 锄。 专用移动通信是无线移动通信的重要组成部分，是指专供各 部门和单位内部使用的移动通信系统，如为公安、铁路等部门生 产调度、行政管理和抢险救灾应急而建立的综合无线调度通信网， 它主要提供指挥调度通信服务，故也称无线调度通信晦，。传统的专 用无线电调度系统，整体规划性差，型号、制式混杂，网小台多， 覆盖面窄，噪音干扰严重，频率资源浪费。因此，一种新的无线 电调度技术集群移动通信便应运而生。 集群通信是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种较经济、较灵活 的移动通信系统。国内外通信界普遍认为，2 0 世纪8 0 - 9 0 年代是 集群移动通信在专用无线电通信中占据比重较大的1 0 年，是与蜂 窝移动通信齐头并进的一种先进通信系统。 进入2 1 世纪，随着数字通信技术的进步，集群通信系统由模 拟专用移动通发展成为数字专用移动通信系统旧。数字集群拥有频 谱效率高、信号抗信道衰落能力强、保密性好以及业务种类丰富 ( 可集指挥调度、电话、数据、短信、多媒体图像及o v c ri p 等功 能于一体) 等优点。目前，国外在数字集群通信系统的建设和应 用方面已经相当成熟，芬兰的诺基亚、美国的摩托罗拉等公司已 经开发出了多种型号的数字集群终端，而我国在数字集群终端的 研制方面还比较落后。另外，国外生产的数字集群终端的价格都 比较昂贵，这样就无形地阻止了我国的一些企业和单位对集群终 端的大量使用。因此，研制我国具有自主知识产权的数字集群终 端具有很重要的意义。同时，数字集群终端的研制还能够为2 0 0 8 年北京奥运会提供强有力的技术保障和应用支持m 。 1 2 现状研究及分析 1 2 1 集群通信系统现状 为避免各种不同系统的相互干扰、提高通信质量、追求更高 系统容量和频谱利用率，1 9 9 8 年3 月，国际电信联盟根据世界各 国提交的集群通信系统方案共制定了七种标准嘲：北美的 p r o j e c t 2 5 ，( a p c 0 2 5 主要用于公众安全) ；欧洲的t 乱r a p o l ( 法国， 主要用于公众安全) ；欧洲电信标准委员会( e t s i ) 的t e t r a n 川 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 综合应用) ：瑞典爱立信的e d a c s ( 综合应用) ；美国m o t o r o l a 的i d e n 1 1 i z l ( 综合应用) ；日本的i d r a ( 综合应用) ；以色列的 g e o t e k 。在这七个标准中，p r o j e c t 2 5 、t e t r a p o l 、e d a c s 等三个为 采用频分复用( f d m a ) 技术，t e t r a 、i d e n 、i d r a 等三个为采用 时分复用( t d m a ) 技术，以色列的g e o t e k 则采用跳频( f n m a ) 技 术。 目前在我国已经商用的数字集群通信系统主要还是美国 m o t o r o l a 公司的8 0 0 m h z 数字集群通信系统i d e n ( i n t e g r a t e d d i g i t a le n h a n c e dn e t w o r k s ) 和e t s i 制定的t e t r a ( t e r r e s t r i a l t r u n k e dr a d i o ) 系统。在2 0 0 0 年1 2 月我国信息产业部发布的数 字集群通信系统体制中，i d e n 与t e t r a 均被批准在我国建网 和运营。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 o t a 和华为的g t 8 0 0 两种国有数字集群技术 增加为新的行业标准t g u 8 。 i d e n 被称为集成数字增强型网络，是基于t d m a 多址方式的调 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m _ 1 6 q a m ，把每个2 5 k a z 信道 分割成6 个时隙，每个时隙占1 5 m s 。在每个时隙之始设置同步码 作时隙同步用，采用频分双工方式和4 2 k b i t s 的v s e l p 语音编码 技术，支持调度、电话互联、电路数据传真等多业务机制。i d e n 由m o t o r o l a 独家生产制造，接口完全不公开，导致i d e n 网络完 全由m o t o r o l a 一家供应，系统设备采购和建网成本高，终端价格 高。 t e t r a 基于t d m a 方式，在2 5 k 带宽内时分4 个信道，调制方 式孤4 d q p s k ，也支持连续蜂窝的广域覆盖。t e t r a 系统在指挥调 度方面考虑的比较多，可完成单呼、群呼、话音、电路数据、短 数据消息、分组数据业务的通信及以上业务的直通模式，并可支 持多种附加业务。在大区制条件下最大覆盖半径5 6 公里。目前， t e t r a 网络对外互联部分技术尚未完全公开，不同厂家的t e t r a 产 品目前还没有完全实现互联互通。另外，t e t r a 的系统设备采购和 建网成本高，终端价格高，这也限制了t e t r a 在更大范围的应用。 g o t a 系统基于c d m a 技术，它采用1 6 q a m 和q p s k 的调制方式 和q c e l p 语音编码技术，上下行各1 2 5 姗z 带宽，间隔4 5 姗z 。g o t a 系统在c d m a 2 0 0 0l x 系统上进行改进和优化，使其能够满足集群 业务的需求，无线接入基于现有成熟的c d m a 空中接口，不改变空 中接口的物理机制，核心网采用独立的分组数据。在网络结构上 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 由终端、无线子系统b s s 、调度子系统d s s 等组成。 g t 8 0 0 系统以g s m 系统为基础，采用与g s m 类似的网络结构， 增加了针对行业用户的多种应用处理平台，使用g m s k 调制方式和 频分双工技术：上( 8 0 6 姗z - 8 2 1 姗z ) 下行( 8 5 1 删z 8 6 6 删z ) 。 同时g t 8 0 0 采用了g p r s 作为数据承载平台，更好满足行业用户在 数据传输方面的需求。 需要说明的是，无论是国外的i d e n 、t e t r a 或者是国内的g o t a 、 g t 8 0 0 它们都需网络支持，且都是f o b 双工模式，而f d d 系统的实 现需要上下行信号被不同频率隔离，因此需要对称频谱，这在许多 地区，要找到符合要求的成对频率资源将越来越困难。另外，对 基于i p 数据的不对称业务而言，一半频率被白白浪费了。相比之 下，t d d 系统却有如下优点：适用于不对称的上下行数据传输速率， 尤其适用于i p 型的数据业务；便于使用诸如智能天线等新技术； 系统设备成本较低等。这说明，移动通信一定是以f d d 为主流的 传统论点已受到挑战，t d d 系统在第三代移动通信中的位置已不可 动摇。 1 2 2 集群通信系统终端现状 目前，已经商用化的数字集群通信标准是t e t r a 和i d e n 。无 论引进这两种体制中的哪一种，都要进行巨额的投资。初步估计， 仅一部终端( 手机) 的费用都要5 0 0 美元左右( i d e n 手机价格稍 低一些) ；每部车载台也需1 0 0 0 美元左右，加上基站和基本建设 费用，总计需要几亿元人民币的投资。即使在中小城市引进上千 个用户的系统，总的投资也要几千万甚至上亿元人民币嘲。 由于固定投资大，就必然导致用户的服务费用升高，平均算 来，每年每部终端服务费需1 0 0 0 元以上：每部车台的服务费需要 2 0 0 0 元以上。这样高的投资，使一些运营商和单位可望而不可及。 只有军事、公安、安全等特殊部门，或者为了保证奥运会、a p e c 高峰会的安全等特殊环境下，才可能以高昂的代价使用数字集群 系统。 对于需要调度的一些企业或部门，例如：保安、酒店、公交、 高校、生产一线等，他们并不需要基站、交换中心等通信网络的 支持，仅迫切需要一种低成本，集即时沟通、一呼百应、无通话 费等功能于一体的对讲语音终端系统来满足日常工作。而传统采 用单工模拟通信方式的对讲终端系统和近年来部分采用了频分双 工的模拟通信方式的对讲终端系统均不能很好的达到要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 主要研究的内容 鉴于目前集群通信系统f d d 方式存在的缺点和终端昂贵问 题，结合一些企业或部门用户对即时沟通、一呼百应、无通话费 等少量必备功能的需求，本文根据t d d 双工方式工作原理，设计 并实现了一种基于t d d 方式的数字无线语音传输终端系统。该终 端系统不但实现了全双工一对一单呼功能，还具有一对多的半双 工群呼功能，并且其中的群呼功能在目前少量有关用t d d 方式实 现全双工语音系统的研究中所不具备的n s 一。另外，文中除了对语 音系统做了研究外，还在现有集群通信终端所具备的短消息数据 业务功能的基础上做了改进，增加了短信自动回复功能，为将来 在本系统上实现该功能进行了前期研究。 本文进行的工作主要有以下几个方面： ( 1 ) 给出了基于t d d 模式数字对讲通信系统的基本原理，分析 了t d d 双工模式的原理和特点，从而设计了一种多功能通信协议 方案，其中重点讨论了t d d 的帧结构、t d d 的帧周期以及t d d 的实 现方式等关键技术。 ( 2 ) 简要介绍了系统的硬件电路。 ( 3 ) 对系统软件实现进行了详细设计。首先，采用模块化的设 计思想，将系统的实现分为四大模块：系统初始化模块、系统数 据流控制模块、t d d 通信模块以及功能选择模块。然后，将四个 模块又细分为多个小模块，对各个功能模块的特点及功能进行详 细叙述，并着重说明各个功能模块软件实现的方法。最后，在说 明各个模块时给出了关键代码。 ( 4 ) 分别对系统的硬件和软件部分进行了调试，指出了在调试 过程中须要注意的关键点。 ( 5 ) 在现有集群通信终端所具备短消息数据业务功能的基础上 做了改进，增加了短信自动回复功能，并通过仿真实例验证了思 路的正确性和可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章t d d 数字对讲通信系统基本原理 2 1 t d d 原理及特点 无线通信系统的传输方式可分单向传输( 广播式) 和双向传 输( 应答式) 。双向传输又有单工、半双工和全双工三种工作方式。 全双工通信是指通信双方可以同时进行传输信息的工作方 式，可通过频率或者时间将发送和接收分开。无线通信的双工设 计方式有两种：频分双工( 】巾d ) n 町和时分双i f f d d ) 。f d d 实现 双向通信使用两个不同的频率段即需要成对的频率用于双向通信， 而且需要一段频率间隔段，避免上下行干扰；t d d 模式的无线通 信系统中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保 证时间来分离接收与传送信道剀。它们的工作原理如图2 1 所示。 频率 图2 - f d d 与t d d 的原理 间 采用不同双工模式的移动通信系统特点与通信效益是不同 的。t d d 模式的移动通信系统中上下行信道用同样的频率，因而 具有上下行信道的互惠性，这给t d d 模式的无线通信系统带来许 多优势：t d d 的上行与下行均工作于同一频率，用保护时间间隔 来分离接收和发送信道。与f d d 相比较，t d d 具有以下技术优点 嘲： ( 1 ) 更有效的利用频谱。t d d 不需要成对的频率，能使用各种 频率资源，具有较高的频谱利用灵活性。这样就可以充分利用那 些不成对的频段，而在2 g h z 以下已很难找到成对的频谱，因此 t d d 可大幅度节省频率资源。本系统的群呼功能便是在同一信道 上实现的，与多载波技术相比，确实体现了较高的频谱利用率。 ( 2 ) 更适合于不对称数据业务。随着 i - t e m e t 、多媒体技术的发 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 重的态势。数据的上下行传输是不对称的，t d d 更适用于这一不 对称的上下行数据传输业务，而且t d d 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 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，t d d 发 射机根据接收到的信号就能够知道多径信道的快衰落。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。t 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： ( 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重降低。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 次秒。c d m a 采用t d 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j 眇，这使 得t d d 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 0 m s ，相对应的功率调节速率只有2 0 0 次 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 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- d , 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 p s 接收机或公共的分布式时 钟，这些都增加了移动蜂窝网的费用。 ( 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，t 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t 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t d s c d m a 标准中采用了t d 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 h 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 方式所存在的问题嘲。 2 2 t d d 数字对讲系统通信协议方案 2 2 1t o o 帧结构 本文研究的数字对讲通信终端系统是以集群通信系统终端嗍 和无绳电话系统作为参考模型的，同时具备单呼、群呼功能，所 以在系统通信终端的设计上，需设计出合理的通信协议来实现。 t d 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 以及数据域构成嘲。 数据帧( d a t ab u r s tf r a m e s ，d b f ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 2t d d 协议中的突发同步帧结构 根据上面帧结构结合本系统特点，系统采用以下的t d d 帧格 式：包括前导同步域、同步域、d 标识域、命令域、信道域、数 据域以及结束域，如表2 1 所示。 表2 - 1 无线通信协议的帧格式 由上表可看出，每帧所包含的信息有八个部分组成： ( 1 ) 前导字段：占8 个字节，每一字节均为交替的0 和l ， 系统采用0 x 5 5 h 或0 x a a ，用于位同步。 ( 2 ) 同步字段：占2 个字节，为一特定的码组，系统采用5 0 e c 用于块同步。 ( 3 ) 本机号码：占2 个字节，用于标识本机的号码，系统初始 为0 x 1 1 h 。 ( 4 ) 目的号码：占2 个字节，用于标识本机要发送到的目的终 端的号码，可通过键盘进行拨对方号码，产生号码存于本空间。 ( 5 ) 命令字段：占4 个字节，前两个字节用于指示通信终端所 发生的行为、过程或状态。后两个字节用于标志当前传送的是语 音信号还是数据信息，为系统后期数据业务做准备。 ( 6 ) 信道字段：占2 个字节，用于标识目前所处的信道，如0 1 h 为1 信道。 ( 7 ) 数据字段：占1 2 0 个字节，用于存放通信过程中的语音数 据。 ( 8 ) 帧结束字段：占4 个字节，用于对之前的语音数据进行保 护，同时也标志着一帧的结束。 由以上所述，发送时帧的长度总共1 4 4 个字节，接收时应该 除去无用的帧头( 1 0 个字节) 与帧尾( 4 个字节) ，所以此时数据域一 共1 3 0 个字节。 2 2 2t d d 的帧周期 t d d 帧周期包括传输的帧长度以及时间保护间隔两个因素。 t d d 帧周期的适当与否将对系统的实时性和可靠性造成影响。若 传输的t d d 帧长度设计得过大，将使系统的不能及时处理接收到 的数据，影响系统的实时性。相反，若t d d 帧长度过小，将使系 统的天线在发送和接收模式间的交替过于频繁，不利于系统的稳 定和可靠性。另一方面，时间保护间隔也很重要，它能够保证发 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 送或接收完整的一帧数据，而且保证有足够的时间让系统在发送 和接收模式间进行转换。 然而，t d d 帧周期并没有具体的规范，必须根据具体的要求 和情况进行设定。 在综合考虑系统的实时性、帧结构、射频最大传输率以及天 线的发送接收模式间转换的时间等因素，本系统t d d 帧周期如下 设计。 系统采用的射频模块最大传输速率为7 6 8 k b p s ，则传输一位 约需要1 7 6 8 k b p s = 0 0 1 3 0 2 m s ，发送一帧共1 4 4 字节约需1 4 4 x8 x 0 0 1 3 0 2 = 1 5 m s ，接收一帧1 3 0 字节的数据信息约需1 3 0 8 0 0 1 3 0 2 = 1 3 6 m s 。射频模块在发送与接收模式转换过程至少需 1 5 m s ，为了保证转换的可靠性，设置模式转换间隔为3 m s ，于是 就可得出图2 3 中t d d 帧的周期。 图2 - 3t d d 模式下的传输周期 2 2 3t d d 的同步机制 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，因此通信双方在时间上的同步是实现t d d 模式的核心。 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 r a 数字集群通信系统中阻卅，移动终端同步获得设计 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，移动终端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 d e n 数字集群通信系统中嘲，引入了全球定位系统作为全 网统一的时间标准，精确的定时信号可使网络完全同步。所有频 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 率和时间均锁定在高稳定性的参考基准上。时间基准锁定在全系 统的基准上。频率基准则由基站提供，移动终端则锁定在基站发 出的基准上。 t e t r a 与i d e n 均属于f d d 方式的系统，而在基于t d d 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。 本系统协议的帧同步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。位同步首先由一个交替的“0 和“1 一 的长串组成，起到保护同步块的作用。块同步一般可分为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。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。 同步块检测过程是，接收方使用两个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，每接收到一个新 的字节便进行循环移位，然后跟子同步块l 作比较，直到将前同 步域接收完毕，而当存储当前接收字节的移位寄存器与子同步块l 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，则说明块同步己完全接收， 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，在下一字节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，若这段时间内还未接收到子同步块2 则 说明是伪同步，必须重新开始进行同步建立。同步检测过程如图 2 _ 4 所示。 t d 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 2 4t d d 的实现方式 t d d 通信的最大特点是能在半双工链路上通过快速时间转换 从而实现全双工通信。在双工语音系统中，为了实现t d d 方式， 可以设置射频模块的数据传输速率是语音处理部分数据传输速率 的2 倍多一些，同时还有存储发送语音数据的语音发送缓存、接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 收语音数据的语音接收缓存、射频发射缓存和射频接收缓存。语 音发送、接收缓存大小应能够存储一个周期内的语音数据。以下 说明时分双工的实现原理。 假设通话已经开始建立，移动台甲在t o 时刻开始，不停地将 收到的语音编码后送语音发送缓存，在他时刻，在微处理器的控 制下逐字节地读取语音发送缓存的数据，送到射频发射缓存，开 始启动射频发射，调制后一位一位的从射频设备发射出去。发射 完一个字节后给出一个标志，在微处理器的控制下又开始发送下 一个字节的数据，直到t 3 时刻，将语音发送缓存中所有数据发送 完毕。 t 4 t ot lt 2t 3t 5t 6 时间t _ 一个突发周期内的要发送的语音数据 一个突发周期内的接收到的语音数据 射频发射帧 f - 1 斗 射频接收帧 图2 - 5t d d 语音实现方式示意图 而移动台乙在他时刻开始接收射频信号，解调后的数据在射 频接收缓存里面，当接收完一个字节的数据后，在微处理器的控 制下送到语音接收缓存，并同时送往语音解码器进行解调。在t 3 刁捌引引习引刮引 -_liil_li_lliiil rl-llil_i_i_-_i-l 詈雷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 时刻，移动台乙接收完毕。经过时间间隔后移动台乙在t 4 时刻转 为发射状态，同时会t 5 在时刻又转为接收状态。t d d 语音实现方 式如图2 5 所示。 从上图中可以看出，移动台乙只要在他 t 5 时段内将移动台 甲在t o 1 2 时间内的发送的语音传送到语音解码器即可保证移动 台甲在以后各个时刻发送的语音信息都能被正确的解调出来。而 他 t 3 的发射时间是t 2 t 5 的接收时间的一半还少，这也说明了 为什么必须设置射频模块的数据传输速率是语音处理部分数据传 输速率的2 倍多一些。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第3 章系统硬件设计 数字对讲通信系统实现的核心是终端移动台，该终端按照功 能上的划分可由以下几部分组成：模拟语音信号处理模块、数字 语音信号处理模块、系统控制模块、无线数字传输模块以及外围 数据接口模块，系统硬件电路图如图3 1 所示。 下面对各个模块所用到相关硬件做一一阐述。 图3 - 1 系统通信终端的框图 3 1 数据控制模块 以微处理器m s p 4 3 0 f 1 4 9 为中心的系统控制模块主要完成数 据的接收控制、数据发送控制等工作。在接收过程中，首先接收 来自射频芯片的数据，再将接收的数据帧的头域、尾域、d 域以 及命令字节去除后，数据送至语音处理器进行处理；在发送过程 中，首先由语音处理器将模拟语音编码后，数据通过微处理器 m s p 4 3 0 f 1 4 9 加上前同步域、同步域、d 域、数据域、以及结束 域等命令字节形成数据帧，然后控制射频芯片将数据发送出去。 由于系统要求在通信终端上实现通信协议，对处理器的运算速 度有较高要求，而且语音通信要求具有较强的实时性，根据控制 要求及节省成本的考虑，本论文选用美国1 1 公司研制生产的 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为微处理器 2 1 3 ，能较好满足系统对c p u 的 要求。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机的存储空间采用“冯诺依曼”结构，r o m 、 r a m 在同一地址空间，使用一组地址数据总线。f 1 4 x 最吸引人之 处在于片内外围模块功能丰富和片内存储空间的增加。主要有以 下特性： 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 存储器空间增大，r o m ：3 2 - - 6 0 k b ，r a m ：1 - 2 k b ； 增加了片内a d 转换器( 外部8 通道，内部4 通道，1 2 位) ； 增加了硬件乘法器； 有2 个串行通信接口； 有2 个1 6 位定时器，带多个捕获，比较寄存器； 封装为6 4 脚，有多达4 8 条i 0 线 系统是以1 6 位m s p 4 3 0 f 1 4 9 为控制核心，完成数据的控制， 并通过串行通信接口与语音数据处理模块和射频模块相连接，按 照通信协议的设定进行语音数据的处理和传送。 系统中使用到的微处理器最主要的模块是u s 灿玎串行通信模 块。m s p 4 3 0 系列的每一种型号都可以实现串行通信功能由 u s a r t 硬件直接实现或者通过定时器软件实现。其中u s a r t 是 一个通用串行同步异步通信接口，它允许7 或8 位串行位流以预 先编程的速率或外部时钟确定的速率移入、移出m s p 4 3 0 。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 具有两个u s a r t 模块，即u s a r t o 和 u s a r t i 伪 。u s a r t 模块可以自动从任何一种低功耗模式开始自动 工作。所有的u s a r t 0 和u s a r t l 都可以实现两种通信方式： 系统采用u s a r t 模块的s p i 同步通信模式。s p i 模式是全双 工的，主机在发送的同时也在接收数据，发送速率由主机编程决 定；主机提供时钟u c l k 与数据，从机利用这一时钟接收数据， 或发送数据。主机可以在任何时候初始化发送并控制时钟，时钟 的极性和相位也是可选择的，具体的约定根据总线上各设备接口 的功能决定。主机模式与从机模式是通过控制寄存器u c t l 的m m 位来选取的。s p i 的主机模式与从机模式的设备连接如图3 2 所示。 s p i 模式下两机相互通信时，数据传输速率由主机发出的串行 时钟确定，而不由内部的波特率发生器决定。主机可选择的最大 发送波特率为波特率发生器输入时钟频率的一半，从机则取决于 在u c l k 上提供的外部时钟。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 图3 - 2 ( a ) u s a r t 模块在s p i 的主机模式 主机 s i m os i m o 从机 _- s p i 发送缓存li 接收缓存 接收缓存u t x b u f ilu r x b u f 八p x x a 1 l i八 、z 广 l1l s t e s s l p o r t x 7i 数据移位 s o 缸 s o m i发送移位接收移位 寄存暴寄存皇霉寄存器 m s bl s b m s bl s bm s b l s b u 嗽s c l k 。 通用的s p i i s r 4 j uu s k l 图3 - 2 ( b ) u s a r t 模块在s p i 的从机模式 图3 - 2u s a r t 模块在s p i 模式的操作方式 3 2 数字语音处理模块 数字语音处理模块使用支持自适应增量调制( a d a p t i v ed e l t a m o d u l a t i o n ，a d m ) 的专用语音编码调制芯片，能够提供全双工 的a d m 编码，i i 一律、a - 律和线性的p c m 编码以及a d m 与p c m 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 间的码制转换功能c s t 捌。数字语音处理模块的结构如图3 3 所示。 ，盯越， a 直 角嘲 嘲 舳曩 o u t p u t 图3 - 3 数字语音处理模块结构框图 数字语音处理模块应用灵活，拥有多种可供选择的运行模式和 算法来支持不同的应用，应用领域包括低成本的无线耳机、数字 无绳电话、全双工( 主要是t d d 时分双工模式) 的数字语音收发 系统、便携式数字语音通信设备以及无线数字交换机等。 数字语音处理模块共有2 3 个可配置寄存器，可根据实际情况 来进行编码方式和采样速率的选取、功率的控制、编译码的相关 算法以及其它的一些功能参数的配置等操作。因此，开发人员具 有相当大的自主权。图3 4 中的i r q n 、r p l y 、c m d 、s c l k 、c s n 为c b u s 总线接口的控制信号引脚，数字语音处理模块的所有相 关参数均是通过c b u s 来写入寄存器进行控制的。 汕矗 s 唧蠢 c b 岫 囱 o 删 双- 图3 - 4 数字语音处理模块封装引脚及其外部应用电路 要达到最佳的语音效果，需要根据实际情况来配置数字语音 处理模块的编码器及译码器的寄存器各位，以选取最适合的算法 或规则，。其中，对语音效果产生影响的因素主要包括压扩算法的 选取、量化步长的选取、积分器的选取及时间因子的设定等。 压扩算法的选取：编码器的延迟寄存器在量化步长进行调节之 前允许有3 - - 6 个比特的斜率过载时间。这一时间可通过译码器 西南交通大学硕士研究生学位论文第仃页 a d m 控制寄存器( $ d 1 ) 和编码器a d m 控制寄存器( $ e 1 ) 的9 8 位进行设置。例如，当压扩算法设置为“3o f3 ”时，表示若比 较强检测到编码当中出现了3 个连续的“1 或“0 时，则斜率 过载，编码器将会调节量化步长的大小以更好的对模拟语音信号 进行跟踪编码。 量化步长的选取：若量化步长设置的太小，则编码跟不上模拟 输入信号的变化速度，从而造成过载噪声；若量化步长设置的太 大，当输入模拟信号的变化小于量化步长时，造成不能准确的进 行数字编码，形成量化噪声。量化噪声是不可避免的，因此可将 量化步长设置得尽可能的小以最大限度的抑止过载噪声。量化步 长的范围是通过译码器a d m 控制寄存器( $ d 1 ) 和编码器a d m 控制寄存器( s e l ) 的1 2 1 0 位进行设置。 积分