（通信与信息系统专业论文）dmr系统同步及定时研究.pdf

摘要 同步是通信技术( 尤其是数字通信技术) 领域一个重点和难点问题，随着现 代通信与网络技术的飞速发展，同步的重要性更加突出。许多通信技术与系统， 如扩频通信、c d m a 和o f d m 等，都要求精确地实现载波同步、时钟同步与码 序列同步，否则系统的性能将得不到保证。本文在对同步基本原理、d m r 数字 专用无线通信协议物理层、数据链路层和呼叫控制层进行概述的基础上，着重介 绍了d m r 系统的同步、定时问题。本文工作的重点是d m r 系统帧同步和定时程 序的设计和开发，此外还给出了不同类型帧格式下同步和定时设计方法。在文章 的最后，通过仿真和测试，对同步和定时做出性能分析。 关键词：同步d m r 帧同步定时 a b s t r a c t s y n c h ) 1 1 i z a t i o n i sa n i n l p o r t a n t a n dd i 伍c u l t p r o b l e mo f 。c 0 m m u n l c a t l o n t e d m 0 1 0 9 y ，e s p e c i a l l yi nd i 百t a lc o m m u 血c a t i o ns y s t e m w i t l lm er a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e n lc o m m u n i c a t i o nn e t w o f k s ，h ei i l l p o r t a n c eo fs y i l d u 0 i l i z a 矗o nb e c o m e sm o r e p r o m i n 髓t m a n yo ft ec _ h n 0 1 0 9 ya n dc 0 恤m u n i c a ：t i o ns y s t e m ss u c ha ss p r e a ds p e m m ， c d m a 粕do f d m ，a 1 1 ds 0o n ，a 1 1n e e dn l e 嬲i s ec a 而e rs y n c h r o n i z a t i o n ，c l o c k s y l l c h r o n i z a t i o na i l dc o d es y n c h r o n i z a t i o n o rm es y s t 锄p 幽m a n c ec a nn o tb e g u a r a n t e e d a r e ri n t r o d u c i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs y n c h r 0 1 1 i z a t i o na n ds u m m i n gu p 也eg e n e r a lc 0 础n u m c 撕0 np r o t o c 0 1i np h y s i c a ll a y e r ，d a t a1 i i l kl a y e ra n dc a l lc o n t r o l l a y c r ，t h i sp a p c r 锄p h a s i z eo ns y n c h r o i l i z a t i o na n dt i m i i l gt h e o r i e s 1 1 1 ek e yp o i n to f t h i sp a p e ri s 也ed e s i 印粗dd e v e l o p m 锄to f 仔锄es y n c h r o i l i z a t i o n 柚d 缸m i n g i n a d d i t i o n ，t l l ed e s i 伊s c h e m e so fs ) ，i l c h r o n i z 撕o na n dt i m i i l ga r ea l s o 酉v e ni nd i 髓r e n t t y p e so f 龟i m e i n 也el a s t ，也ep e r l 鼢m a n c ei s 趾a l y z c db ys 洫u l 撕0 n 锄dt e s t k e y w o r d s ：s y n c h m n 娩a t i o d m rf n m e s y n c h r o n i z a 廿o nt i 珊m g 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，除了文中特别加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 的任何贡献均己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：爹名虐錾一 日期 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，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 坐 埠 期期日日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数字专用无线通信系统概述 专用无线通信系统在当今发展非常迅速，其主要应用子集团调度指挥通信。 这种系统的可用信道可供系统内全体用户共享，具有自动选择信道功能，是一种 共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系 统。 专用无线通信系统具有呼叫接续快、群组内用户共享前向信道、半双工通信 方式、p t t 方式、支持私密呼叫和群组呼叫等特点。由于专用无线通信系统具备 特有的调度功能、组呼功能和快速呼叫的特性，因此在专业通信领域发挥着巨大 的作用，其主要应用对象包括： 对指挥调度功能要求较高的特殊部门和企业，主要包括政府部门( 如军队、 公安部门、国家安全部门和紧急事件服务部门) 、铁道、水利、电力、民航等单位； 普通行业用户，如出租、物流、物业管理和工厂制造业等。 专用无线通信系统采用多信道共享技术体制，它可以用不同方法来实现，按 通话占用信道的方式可划分为消息集群，传输集群和准传输集群：按控制方式可 划分为集中式控制和分布式控制；按呼叫处理方式可划分为损失制系统和等待系 统；按信令占用信道方式可划分为固定式和搜寻式。 专用无线系统与其他移动通信系统类似，也经历了从模拟系统到数字系统的 发展过程，数字专用无线通信在信令、多址方式、话音编码、调制解调和信道控 制等各个关键技术环节全面采用数字化处理，结合同步技术、检错纠错技术以及 分集技术等，使数字专用无线通信系统具有抗干扰能力强、高质量远距离传输、 高保密度、高可靠性和高度灵活的业务适应能力和外设接口的连接能力，而且整 个数字专用无线通信系统的容量更大，系统联网更方便。与蜂窝移动通信系统的 公众网相比较，数字无线专用移动通信系统的专用网更强调组呼、广播呼叫、紧 急呼叫、强插强拆和不同的呼叫优先级别等调度指挥功能；更强调缩短呼叫建立 时间，尤其是在紧急情况下，希望一按即通( 小于0 5 s ) ，否则会造成相当严重的 后果；调度指挥要求简明扼要，一般通话时间为几十秒。随着移动通信技术的发 展，人们尽力求同存异，使开发的专业移动通信系统能尽可能满足多个不同专业 部门的需求，数字专用无线通信系统就是在这种背景下发展起来的。数字专用无 线通信系统是对公众通信系统的一种补充。 1 2 数字专用无线通信系统的发展现状 目前数字专用无线通信系统在欧洲和北美发展比较成熟，欧洲主要应用的是 d 凇系统同步及定时研究 t e t r a 系统，北美则是i d e n 系统，亚太地区的数字无线通信市场尚处于快速发 展阶段。 ( 1 ) t e t r a 系统 t e t i 认( 陆地专用无线电) 系统是一种基于数字时分多址( t d m a ) 技术的 无线专用通信系统。该系统是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设计、制订统一标 准的开放性系统。t e t i 认数字专用无线通信系统可在同技术平台上提供指挥调 度、数据传输和电话服务，它不仅可以提供多群组调度功能，而且还可以提供短 数据信息服务、分组数据服务以及数字化的全双工移动电话服务，还支持功能强 大的移动台脱网直通( d m o ) 方式，可实现鉴权、空中接口加密和端对端加密。 t e t r a 数字专用无线通信系统同时还具有虚拟专网功能，可以使一个物理网络为 多个互不相关的组织机构服务。 目前，在我国，t e t r a 系统的应用相对占多数。但是，t e t r a 网络对外互 联技术尚未完全公开，不同厂家的t e t r a 产品还没有完全实现互联互通，不同 网络之间的用户和业务的互通乃至异地漫游还存在一些问题。另外，t e t r a 系统 的设备采购、建网成本和终端价格较高，这些都在一定程度上制约着t e r e a 的 进一步发展。 ( 2 ) i d e n 系统 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，增强了电话互联功能，i d e n 采用传统的8 0 0 瑚z 频段，方便运营商灵活配置频率资源：采用高效的调制技术 保证了专用无线通信系统数字化进程中数字和模拟系统共存；其蜂窝式的小区结 构提高了网络的覆盖能力；可实现跨系调度通信。 目前i d e n 技术体制主要用于数字专用无线共网系统，以美洲和亚洲为其主 要市场。但是，由于e n 系统是由摩托罗拉独家生产制造，接口没有公开，目 前网络设备主要由摩托罗拉供应，因此系统的设备采购、建网和终端成本比较高。 而且，由于研发年代较早，虽技术比较成熟，但对新业务支持能力相对较弱。 ( 3 ) 中国标准之一：g o t a g o t a ( 开放式专用无线通信架构) 是我国中兴通讯提出的基于集群共网应 用的专用无线通信体制，也是世界上首个基于c d m a 技术的数字专用无线通信系 统，具有我国自主知识产权，具备快速接续和信道共享特点。g o t a 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。 ( 4 )中国标准之二：g t 8 0 0 第一章绪论 g t 8 0 0 是华为提出的另一项我国具有自主知识产权的基于时分多址的专用数 字无线通信技术，通过对t d m a 和t d s c d m a 进行融合和创新，为专业用户提 供高性能、大容量的专用无线通信业务和功能。技术创新集中体现在专用无线通 信特性的实现与增强，目前拥有数十项专用无线通信技术核心专利。 随着技术的不断更新，2 0 0 4 年欧洲电信标准协议( e t s i ) 提出新型数字专用无 线通信系统d 搬( d i g i t a lm 0 b i l er 甜i o ) 系统。d m r 专用无线通信系统作为国际 e t s i 组织正在完善的最新数字专用通信标准，相对于已经成熟的t e t r a 与 a p c 0 2 5 两大数字标准，具有产品成本低、技术简单的优点，并且支持从模拟到 数字的过渡。d m r 的发展无论是在国内还是在国外尚都处于起步阶段。 ( 5 ) d m r 系统 d 胀( 数字移动无线电) 是一种最新的数字无线方式，用来替代模拟的专用 移动无线电( p m ) ，可提供欧洲通信标准协会( e t s i ) 技术标准1 0 2 3 6 l 规定 的高级通信性能。目前有许多o e m 无线设备制造商正在开发或将要发布d 腿 技术，该技术还包含了摩托罗拉公司最新的m o t o r b o 技术。 与传统的f m 和窄带f m 相比，d m r 可以提供更高的信道容量和频谱效率。 d 胀标准采用1 2 5 k h z 的信道【5 1 ，并利用双时隙时分复用( t d m a ) 方式取得了 6 2 5 k h z 的有效信道带宽，与传统f m 系统相比信道容量提高2 到4 倍。 1 3 项目来源和研究方向 本文的选题来源于西安电子科技大学信息科学研究所与一家企业的合作项 目，基于d m r 数字专用无线通信协议完成其帧同步和定时。 d m r 系统是最新的数字专用无线通信标准，在国际上得到了广泛的研究。 d m 系统采用t d m a 帧结构，作为一个时分系统，快速、准确的同步和定时是 整个通信过程中必不可少的部分，为收端的正确抽判提供保障。因此，对同步和 定时的深入研究对d m r 系统的实现具有非常重要的意义。 1 4 本文的主要内容 本文的主要内容可分为以下几个部分： 第一章介绍了专用无线通信系统的基本概念，数字专用无线通信系统的发展 及研究背景和意义，项目来源与主要研究内容，以及它在数字专用无线通信领域 的作用。 第二章介绍了通信系统中的同步功能、基本的同步技术、估值方法，重点介 绍了帧同步方法、帧同步系统的性能以及帧同步的保护。 第三章介绍了d m r 协议结构、帧同步和定时概述。 d 凇系统煲步及定时研究 第四章介绍了基于d m r 协议的帧同步和定时程序的设计和开发。 第五章介绍程穿在m a ：r 淞8 、v c 、e c s 环境下的仿真结果及分析，以及在 d s p 下的测试分析。 结菜语对本文进行了总结，给出了研究意义，提出了不足及将来的研究方向。 第二章同步技术简介 第二章同步技术简介 通信系统中接收信号实际上是从噪声、干扰、畸变中提取而来，提取信号就 是估计信号的某个参数，如振幅、频率、相位与时间等。信号参数的估值过程需 要同步。 模拟通信系统如抑制载波双边带( d s b s c ) 方式就是一种相干调制方式，接 收端解调时必须提供一个与发端同频同相的本地相干载波；通常相干载波是靠对 接收信号的频率与相位的估值来取得的。单边带( s s b ) 调制也是如此，它是用 频谱下搬移加上滤波的解决方式估计调制信号频谱，因此必须对信号频谱进行精 确的搬移，搬移不到位，就会产生估值失真。频谱搬移就是一种频率相位的解调 方式，接收机提供一个本地相干载波，经过相乘与低通滤波获取调制信号频谱， 相干载波的频率精确度直接影响着估值的谱失真度。本地载波可以由频率合成器 产生，也可以是单边带发射信号中的残留载波分量经接收同步提取而来。 数字通信系统中，同步功能显得尤为重要。数字通信系统中发送的信息是编 码的码元序列，用该序列去改变载波的某个或数个参数，实施数字载波调制。通 常从提高抗干扰性能与频带利用率出发，广泛应用于相移键控( p s k 、d p s k 、 m p s k ) 、最小频移键控( m s k ) 、正交幅度调制( 洲) 等调制方式【7 】。通常， 这类方式的通信系统属于相位相干通信系统，接收端解调时必须提供相干参数载 波。归结起来，数字通信系统中要求完成多种同步功能，基本的同步有载波同步、 码元( 位) 同步，有些系统还要求有帧同步或信息包同步。 除通信系统外，许多类似的电子技术系统也要求同步。例如遥测遥控与定位 系统，同样也要发送数据与接收数据，应用这些数据来确定距离、位置、轨道或 实施遥控。在此过程中，接收信号与发送信号的同步仍然很关键。 此外，系统在取得同步之前实施的信号捕获与同步之后的跟踪，也应当视作 同步功能的一部分。 同步系统性能的降低，会直接导致通信系统性能的降低，甚至使通信系统不 能工作【1 2 1 。在同步通信系统中，“同步”是进行信息传输的前提，正因为如此，为 了保证信息的可靠传输，要求同步系统具有更高的可靠性。本文主要介绍帧同步 相关问题。 图2 1 是数字通信系统模型，其中包括了信源、编解码、调制解调、同步和 信宿。 d m r 系统同步及定时研究 i 鬃一磊蒿卜一删器 i 编码广1编码r 一1 调制器i 外接收机 同步误差补偿 及信道补偿 信源估计、 同步参数估计 内接收机 图2 1 数字通信系统模型 2 1 相干系统的同步接收 相干通信系统采用相干解调方式，在模拟和数字通信中都有采用，尤其在数 字通信用得最多。通信系统中，接收端必须在有噪声的环境下完成信号的解调与 码元识别两个基本功能【l3 1 。通常，相干解调系统通过对接收信号的频率与相位的 精确估值来提取出相干载波，再与接收信号相乘、积分，从而完成相干解调过程， 把数字载波调制信号变换成数字信号。显然，叠加在信号上的噪声影响着频率与 相位的估值误差，关系到信号解调的质量。如何抵御噪声的干扰，从噪声中高质 量提取相干载波是同步中一个关键的问题。由于噪声干扰及传输失真，解调出的 数字码元波形会有畸变，必须通过抽样判决恢复码元波形。抽样判决必须知道各 个码元的起止时刻，产生同步的码元时钟序列，依靠时钟序列在每个码元终止时 刻抽样、判决、恢复码元波形。同步时钟序列也是依靠对解调出的数字波形序列 的起止时刻进行估值而来，称之为码元( 位) 同步。 图2 2 为一二元p s k ( 2 p s k ) 信号相干解调与码元波形恢复电路的组成框图。 图中x ( f ) 为有加性噪声，l ( f ) 污染的接收信号 2 2 一 工o ) = g ( f 一尼丁) s i n w o f + 戗( f ) + 口 + 玎0 ) ( 2 1 ) 式中，g ( f ) 是码元间隔 o ，刀内的码元波形；纨和p 分别为载波角频率与载波相位； 见( f ) 为载波中对应等七个码元的相位，它在【0 ，2 万 范围内随机地离散取值。在二 元p s k 中，以( f ) 通常随机地取0 。与1 8 0 。值，对应二元码“1 ”与“o ”。 载波提取得到的信号为s i n ( 鳓f + 9 ) ，痧为载波相位护的估值。脉冲波形产生 电路产生数字码元波形g ( f ) 。所以进入相干解调器的本地相干载波为带有码元波 形的参考载波g ( f ) s i n ( f + p ) 。码位同步器产生同步时钟序列 第二章同步技术简介 露( f ) = 万( 卜七丁) ( 2 - 2 ) 女= “ 送到码元波形产生电路与抽样判决器，通过抽样判决及波形恢复电路恢复消息。 图2 22 p s k 同步接收组成 2 2 载波相位估值 2 2 1 载波相位估值似然函数 对接收信号x ( f ) 的载波相位臼估值时，假定时延是已知的，并令f = 0 ，这样 可简化分析，信号s ( t ，9 ，f ) 可写为s ( t ，9 ) 。应用式( 2 3 ) ，可得载波相位估值的似 然函数 胛，2 唧 - 击胀m 】2 对 像3 ， 将a p ) 中指数项展开： 人p ) 2 叫一击l 以触+ 砉x o 伊一击l j 2 协) 显然指数中第一项积分不包含有p ，第三项表达式积分间隔瓦内信号能量，是一 个与p 无关的常数，只有第二项为接收信号工( f ) 与信号s 0 ，p ) 的互相关积分，积分 结果取决于变量9 。因此，载波相位估值目的似然函数人p ) 又可表示为 俐= 唧 寺聃她p 陟 c 2 4 ， 2 2 2 估值导出的环路结构 最大似然函数( m l ) 准则为满足m 觚人p ) 下的口值就是估值相位否。数学上 m a x 人p ) 即为 d 搬系统同步及定时研究 嘉a ( 臼) k 每= o 也等效于 刍1 n 人( 曰) l 矿。 假设信号s o ，p ) 是一个码元波形为矩形的m p s k 信号 s o ，p ) = _ 坨c f o k 丁) s i n k f + 良o ) + p 七= - = _ s i n & ) o f + 臼。o ) + 口】 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 嘉蒜s 试+ 口k = 嘉l x o ) s i l l h 吼o ) + 乡k( 2 - 8 ) = 0 如果令吼( f ) = o ，那么就是未调制的载波相位估值舀，由式( 2 8 ) 可得图2 3 所 示结构，不难看出，它就是一个基本的锁相环路结构，积分器起着环路滤波器的 作用，环路低通滤波器带宽与积分间隔瓦成反比。 对于m p s k 信号，吼( f ) = 2 厄m o = o ，1 ，m 一1 ) 。将式( 2 9 ) 作m 次乘方 品缸x 啉n h r + 以g ) + 咄广= o ( 2 9 ) x o ) q s 证b 两囹j 图2 3 载波相位估值结构 显然，由上式得到的解吕仍是载波相位的估值日。m 次乘方的作用是一种非 线性处理方式，对2 p s k 信号，m = 2 ，取b ( f ) = o 及( f ) = 万，有 与赴x o ) s i n h r + 吼o ) + 啦 z = l x o ) c o s ( f + p 陟l x o ) s 协( f + 口协 ( 2 1 0 ) = 0 用低通环路滤波器( l p f ) 取代式中积分，可得到图2 4 所示结构的载波跟踪环路， 第二章同步技术简介 9 它可对臼作无偏估值。这里，非线性处理，即两个积分值相乘产生的是一个误差 电压，经环路滤波器( l f ) 后变为直流误差电压，作为压控振荡器( v c o ) 的输 入控制电压，使v c o 输出的载波信号相位口跟踪输入信号载波相位p 的变化，所 以百就是p 的估值。这种结构形式也就是通常所说的c o s t 舔环结构，一种特殊的 锁相环路形式。 按照同样原理，可以导出其他结构形式，如平方环、判决反馈环、以及m p s k 的相位估值结构等。 图2 4 相位调制下的载波相位估值结构 2 3 码位定时估值 2 3 1 最大似然函数定时估值 设解调后的数字基带码元波形为 s o ，f ) = 口。g o 一七r f ) ( 2 1 1 ) 七= 式中f 为传输时延，是待估值。 码位定时估值器输出为 x o ) = s o ，r ) + 以o ) 同理可导出似然函数 俐= 唧焉l 枞咖) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) d m r 系统同步及定时研究 将人( f ) 取对数，可得 人工p ) 乩a ( f ) 2 寿肛净 ( 2 - 1 4 ) 代人计算即有 人l ( f ) 2 意胖k o 坩吖净 ( 2 - 1 5 ) f 的最大似然函数估值为 导人工( f ) b 们 ( 2 1 6 ) 2 ；口t 鲁l z o k 一灯一净= o 码位定时估值器的结构如图2 5 所示。环路中累加器起着环路滤波器作 用，滤波器带宽受累加长度控制，环路滤波器输出控制压控时钟( v c c ) 输出的 采样时刻。采样器完成输入时延f 与估值时延的比较，产生与时差f 。= 一相 对应的误差电压，通过闭环控制使f = f 。 由于信息码元序列 a 。) 出现在r 的估值中，所以这种估值方式又称为定向判 决的m l 定时估值。 x o 叫检铡器卜一 r ? 1 l - _ j 图2 5m l 定时估值器结构框图 2 3 2 非定向判决的m l 定时估值 若按照信息码元取值的概率密度来平均似然函数a 上g ) 得到天p ) ，再对 天工p ) 求极值得到r 的估值，这种方式称为非定向判决的m l 定向估值。在信息 第二章同步技术简介 码元口。等概地取l 的情况下，可有 欠p ) 2 军h c 0 8 1 1 l 聃k o 坩一r 皿 ( 2 - 1 7 ) m l 定时估值为 丢天工( 瑚，薪= 军 e x o ) 丢g o 一灯f 协蛐阻x g k o 一灯一f 妇 ) = o ( 2 1 8 ) 据此，可得非定向判决的m l 定时估值器结构如图2 6 所示： 图2 6 非定向判决的池定时估值器结构 2 4 帧同步 数字通信中的消息数字流总是用若干码元组成一个“字”，又用若干“字，组成 一个“句”。因此，在接收这些数字流时，同样也必须知道这些“字”、“句，的起止 时刻。在接收端产生与“字”、“句”起止时刻相一致的定时脉冲序列，称为“字”同 步和“句”同步，统称为帧同步。 2 4 1 帧同步方法 数字通信中，总是以一定数目的码元组成一个个的“字或“句”，即组成一个 个的“帧”进行传输，因此帧同步信号的频率很容易由位同步信号经分频而得出， 但是，每帧的开头和末尾时刻却无法由分频器的输出决定，帧同步的任务就是要 给出这个“开头”和“末尾”的时刻1 2 】。为了实现帧同步，通常有两类方法：一类是 d m r 系统同步及定时研究 在数字信息流中插入一些特殊码组作为每帧的头尾标记，接收端根据这些特殊码 组的位置就可以实现帧同步；另一类方法不需要外加的特殊码组，它类似于载波 同步和位同步中的直接法，利用数据码组本身之间彼此不同的特性来实现自同步。 插入特殊码组实现帧同步的方法有两种，即连贯式插入法和间隔式插入法。 一起止式同步法 电传报的一个字由7 5 个码元组成，如图2 7 所示。每个字开头，先发一个码 元的起脉冲( 负值) ，中间5 个码元是消息，字的末尾是1 5 码元宽度的止脉冲( 正 值) ，收端根据正电平第一次转到负电平这一特殊规律，确定一个字的起始位置， 因而就实现了帧同步。由于这种同步方式中的止脉冲宽度与码元宽度不一致，就 会给同步数字传输带来不便。另外，在这种同步方式中，7 5 个码元中只有5 个码 元用于传递消息，因此效率较低。 止起1 23 4 5止 叫1 卜5 州 图2 7 起止式同步的信号波形 二连贯式插入法 连贯式插入法就是在每帧的开头集中插入帧同步码的方法。作为帧同步码的 特殊码组首先应该具有尖锐单峰特性的局部自相关函数。由于这个特殊码组 扛。，x ：，工，x 。) 是一个非周期序列或有限序列，在自相关函数时，除了在时延= o 的情况下，序列中的全部元素都参加相关运算外；在，0 的情况下，序列中只有 部分元素参加相关运算，其表达式为 一一， j r d ) = 五薯吖 ( 2 1 9 ) f - 1 通常把这种非周期序列的自相关函数称为局部自相关函数。对同步码组的另 一个要求是识别器应该尽量简单，目前，一种常用的群同步码组是巴克码。 巴克码是一种非周期序列。一个咒位的巴克码组为扛。，x ：，x ，) ，其中工，取 值为+ 1 或一1 ，它的局部自相关函数为 州f 咒， ，= o 天d ) = 五x ；吖= o 或1 ，o l ，则上式变为 f ，2 丁 ( 2 2 6 ) 比较式( 2 2 6 ) 和式( 2 2 4 ) 可以看出，连贯式插入法帧同步的平均建立时间比 较短，因而在数据传输中被广泛采用。 2 4 3 帧同步的保护 在分析判决门限电平对只和只的影响时，可以看到二者是有矛盾的，我们希 望在同步建立时要可靠，也就是假同步概率只要小：而在同步建立后，就要具有 一定的抗干扰性能，也就是漏同步概率只要小。为了满足以上要求以及改善同步 系统性能，帧同步电路应加有保护措施。最常用的保护措施是将帧同步的工作划 分为两种状态：捕获态和维持态。 逐码移位法实现帧同步时，消息码元中与帧码相同的码元约占一半，因而在 同步建立过程中，假同步概率是很大的。解决这个问题的保护措施如图2 1 3 所示。 第二章同步技术简介 1 9 必须连续1 次接收码元和本地帧码一致，才认为同步建立，这样假同步的概率就 大大减小。图2 1 3 的保护电路是在图2 1 1 的基础上构成的，状态触发器c 在同步 未建立时处于“捕捉态”( 此时q 端为低电平) 。本地帧码d 和收码只有连续1 次 一致时，1 电路才输出一个脉冲使状态触发器的q 端由低电平变为高电平，同 步系统就由捕捉态转为维持态，表示同步已经建立。这样，收码就可通过与门1 加至解调器。偶然的一致是不会使状态触发器改变状态的，因为1 次中只要有一 次不一致，就会使1 电路置“0 ”。 图2 1 3 逐码移位法帧同步保护原理图 同步建立以后要防止漏同步，提高同步系统的抗干扰能力，这个功能由状态 触发器c 和，电路完成。一旦转为维持态后，触发器c 和q 端为低电平，将与 门2 封闭。这时，即使由于某些干扰使e 有输出，也不会调整本地帧码的相位。 如果是真正的失步，p 就会不断地有输出到加到电路，同时虿也不断地将f 电路置“0 ”。这时1 电路不会再有输出到，电路的置“0 ”脉冲，而当，电路 输入脉冲的累积计数达到，时，就输出一个脉冲使状态触发器由维持态转为捕捉 态，c 触发器的q 端转为高电平。这样，一方面与门2 打开，帧同步系统又重新 进入逐码移位，另一方面封闭与门1 ，使解调器暂停工作。从以上分析看出，同 步系统的工作划分为捕捉态和维持态后，既提高了同步系统的可靠性，又增加了 系统的抗干扰能力。 连贯式插入法帧同步( 见图2 1 4 ) ，也同样可以用捕捉态和维持态的转换来提 高系统的性能。 在同步建立时系统处于捕获态，状态触发器c 的q 端为低电平，这时同步码 组识别器的判决门限电平较高，因而就减小了假同步概率。和前面所介绍的逐码 移位法帧同步保护电路相比，由于判决门限电平调高以后，假同步的概率已很小， 故保护电路中一般不再接入1 电路。一旦识别器有输出脉冲，由于触发器q 端 2 0d m 系统同步及定时研究 帧同步 输出 图2 1 4 连贯式插入法帧同步保护原理图 此时为高电平，于是经或门，使与门1 有输出。与门1 的一路输出至分频器，使 之置“o ”，这时分频器就输出一脉冲加至与门2 ，该脉冲还分出一路经过或门又加 至与门1 ，与门1 的另一路输出加至状态触发器c ，使系统由捕获转为维持态， 这时q 端变为高电平，打开与门2 ，分频器输出的脉冲就通过与门2 形成帧同步 脉冲输出，因而建立同步。 同步建立后，系统处于维持态，为了提高抗干扰性能，减小漏同步概率，让 触发器在维持态时q 端输出低电平去降低识别器的判决门限电平，这样就可以减 小漏同步概率，另外用，电路增加系统的抗干扰性能，同步建立以后，若在分 频器输出帧同步脉冲的时刻，识别器无输出，这可能是系统真正失步，也有可能 是由于干扰偶尔出现的情况，只有连续m 次出现这种情况才能认为是真正失步， 这时与门1 连续无输出，经“非”后加至与门4 便是高电平，分频器每输出一脉冲， 与门4 就输出一脉冲，这样连续，个脉冲使，电路计满，随即输出一个脉冲 至触发器c ，使状态转为捕获态，当与门1 不是连续无输出时，电路未记满 就被置“0 ”，状态就不会转换，因而系统增加了抗干扰能力。 同步建立后，消息码元中的假同步码组也可能会使识别器有输出而造成干扰。 然而在维持态下，这种假识别的输出与分频器的输出是不同时出现的。因而这时 与门1 没有输出，故不会影响分频器的工作。因此，这种干扰对系统没有影响。 第三章d m r 协议结构与定时 2 l 第三章d m r 协议结构与定时 3 1d m 协议结构 专用指挥、调度通信最早出现的是一对一方式的对讲机，此后由简单到复杂 向组网方向发展，包括同频单工组网、异频单( 双) 工组网、选呼系统，多信道 自动拨号系统等。近十年来，专用调度系统又向更高层次发展，成为多信道用户 共享的专用无线通信系统。d m r 通信系统作为比较新的标准，具有易实现，成 本低的优点，并且支持从模拟到数字的过渡，所以已逐渐受到关注。 从整体结构上来讲，d m 协议遵从一般的分层结构，如图3 1 所示为d m r 标准所定义的三层结构模型【z j 。 图3 1d 豫协议栈 协议栈的第一层即物理层。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：调制和解调；发送和接收的转换：射频特性；比特和符号的定义； 频率和符号的同步；突发的形成等。 协议栈的第二层即数据链路层。它接受物理层的服务，并向第三层提供服务。 其中包含：信道编码( f e c ，c r c ) ：交织去交织和比特排序；确认和重传机制； 媒质接入控制和信道管理；帧、超帧的形成和帧同步：突发和参数定义；链路寻 址( 源目的地) ；话音应用( 编解码数据) 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。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 m 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： 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。 d 凇系统同步及定时研究 3 1 1 物理层概述 物理层的任务就是透明的传输比特流。d m r 系统规定的射频频率占用范围 是3 0 z 1 g h z ，且射频载波带宽为1 2 5 k h z 。 d 艘系统采用4 f s k 调制方式，调制时每秒发送4 8 0 0 个符号，其中每个符 号携带两比特的信息。最大频偏d ，定义有： d = 3 h 2 t( 3 1 ) t 代表符号周期( 1 4 8 0 0 ) s ；h 代表每个特殊调制的频偏系数。 其频偏系数h ，在4 f s k 中定义为0 2 7 。这个范围内符号的频偏为1 9 4 4 l z 。 符号和比特的对应关系如表3 1 所示。 4 f s k 采用根升余弦滤波器的滤波方式，奈奎斯特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、滤波和调制后 形成4 f s k 信号。 表3 1 二进制符号对应的4 f s k 频偏 信息比特符 b i tb i t4 f s k 频偏 lo号 01+ 3 + 1 9 4 4 k h z o0+ 1 + 0 6 4 8 k h z 101 0 6 4 8 k h z 1 1 31 9 4 4 她 3 1 2 数据链路层概述 在数据链路层，数据传输的单位是帧。d m r 协议规定的帧长为6 0 m s ，包含两 个时隙，每个时隙长3 0 m s 。一般来说，两个不同的呼叫占用两个不同的时隙。语 音传输采用超帧结构，一个超帧包含六个帧。数据信息和控制信令没有超帧结构。 d m r 协议中突发结构和信道包括语音突发、数据突发和公共广播信道。这 些突发包括用户数据和协议数据单元的信令。 语音帧的一般格式如图3 2 所示，具体分为两种形式，分别为承载同步信令 的语音帧格式和承载嵌入式信令的语音帧格式，同步信令和嵌入式信令均填充在 帧格式的中间。对其中的2 1 6 比特的语音不需要再单独进行编码处理：对于同步 信令，不需要进行编码处理；对于嵌入式信令，分两种，分别为嵌入式信令标志 位和嵌入式信令，对这两种嵌入式信令分别采用了不同的编码方式。 第三章d m r 协议结构与定时 图3 2 语音帧的一般格式 数据和控制帧的一般格式如图3 3 所示，其中的1 9 6 比特信息可以是各种信 令。对于不同的信令，协议规定了不同的编码方式。各种信令的含义是根据2 0 比特的时隙类型来区分。而同步信令以及嵌入式信令填充在数据帧中的位置与其 填充在语音帧中的位置相同，均在帧格式的中间。 。? 最 7 墓。 g 铲k e o r 墓： 轴b 魈 萋 e m b e a 龋嘲 誊 耘如铭 翥 啦啉| 埭嘧 4 8 墓 ，i l - u - 巧n 础2 卅卜_ ，- - _ 1 w ，l ，冀能砌7 图3 3 数据帧的一般格式 信息码进入链路控制层后，首先进行信道编码并插入同步码产生帧超帧。帧 同步码组插入在帧的中心位置，并且对于输入输出语音，数据或控制信息，由不 同的帧同步码组来区分。接收方可以使用一个匹配滤波器来完成同步的初始化， 使用匹配相关器的输出去初始化信号恢复参数，补偿频偏，并确定突发的中心位 置。收端一旦同步上，可以采用模式匹配来检测同步的存在以确定信道仍旧存在， 根据同步类型来识别突发的内容。 对于入境t d m a 信道，数据信息的帧同步每6 0 m s 发生一次，语音信息的帧 同步每3 6 0 m s ( 一个语音超帧的长度) 发生一次。入境传输的第一个突发包同步 模式是为了实现同步传输。对于出境n ) m a 信道，数据信息的帧同步每3 0 m s 发 生一次，语音信息的帧同步每3 6 0 m s ( 一个语音超帧的长度) 发生一次。 3 1 3 呼叫控制层概述 d m r 系统的第三层是呼叫控制层，主要完成对整个呼叫过程的控制、维护 d 揪系统同步及定时研究 与管理，并且与用户和数据链路层都有接口。它提供语音和数字业务的控制，及 基站的基本服务。对于点对点的直通模式而言，控制层的主要任务是进行语音呼 叫的控制。其中语音呼叫的控制包括呼叫建立，呼叫保持，和呼叫终止。试验中 主要按照按讲式建立呼叫【3 o 对于点对点直通模式而言，呼叫控制层的呼叫过程如图3 4 所示： 源m s目标m s t x c s b k ( u u j r e q ) 一 c s b k r x 一 ( u u a n s r 8 p ) 一 t x r e q u e s t ( i m p 0 1 i t e ) 一 一 一 t x g r 8 n t e d 呼叫建立 b o t x 一 ( c llt y p e v o i c o h e a d e r ) v o i c e - l c h e b d e r ( u u v c h - u 4 e r ) 一 一 v o ic e b u r 8 t - 一 呼叫保持 e o t x ( u u v c h u 。e r ) 一 一 拉长语音趋帧到 v o i c eb u r 8 t f t e r - i n t o r - it h l c ( u u v c h u e e 川 一 一 e h d 0 f ：c a l1 呼口l 中止 图3 4 呼叫控制层呼叫过程 ( 1 ) 发端： 呼叫控制层接到来自用户接口的呼叫请求信号( p t ti 辽q u e s t ) 发送呼叫请求信号( t xc s b k ) 至收端，并等待收端回复。 收到收端的应答，如果拒绝则结束通话；如果收端同意呼叫则发 送t xr e q u s t 信令进行呼叫确认，并等待应答。 收到来自收端的t xg 黜蝌t e d 信号之后标志着呼叫正式开始。 首先发送b o t x 信令给收端，标志语音的开始。 第三章d m r 协议结构与定时 发送语音超帧。 p t tu p 或者最长通话时间到达之后，向d l l 层发送呼叫结束信 令e o t x ，延长语音长度至f 帧( 不管语音长度是否能够满足超帧的整 数倍，最后都会组成完整的超帧进行传输) 之后通知收端结束通话。 至此通话结束。 ( 2 ) 收端： 收到发端发送的呼叫请求信号( t xc s b k ) 。 根据收端的信道情况对呼叫请求信号进行应答。 若为同意呼叫，则会收到发端的呼叫确认信令r r e q u s t ，由于 此信令为非礼貌类型，因此必须发送t xg r a n t e d 信号至发端。 收到发端来的b o t x ，标志着语音通话的开始。 进行语音通话。 当收到来自发端的呼叫结束信令e o t x 之后，结束通话。 至此通话结束 3 2 1d m r 帧同步概述 3 2d m 帧同步 帧同步码由一个特殊的比特序列来提供，它标注了t d m 突发的中心位置。 收端利用匹配滤波器实现同步的初始化，由匹配相关器的输出去初始化信号、恢 复参数、补偿频偏以及确定突发中心。 如果收端与信道同步，它会利用匹配滤波器检测同步存在进而证实信道的存 在，确定同步类型，并且鉴别突发的内容。 对于所有双频率入境( m st ob s ) 传输以及单频率信道传输，第一个突发包 含同步模式，便于目标接收方确定信号的存在，完成比特同步，确定突发中心位 置。接下来的突发包含同步或嵌入信令取决于突发的类型和内容。对于所有双频 率出境( b st 0m s ) 传输，假设任何朝向b s 的传输在开始之前m s 已经同步于出境 信道，因此，在语音头不要求包含同步模式。 语音消息由语音l c 头开始，接着是语音超帧。语音传输通过发送一个普通的 数据突发来终止，这个数据突发是在语音超帧之后并且是数据同步模式代替了语 音同步模式。 语音采用超帧传输，每个超帧包含6 个突发( 3 6 0 m s ) ，标为坩。每一个超帧 由突发a 开始，突发a 包含语音同步模式。数据和控制信息没有超帧结构。这些突 发可能在需要时含有一个同步模式或者承载嵌入信令。对于数据和控制消息，嵌 入区域将仅仅是数据同步模式或者反向信道信令；对于话音呼叫，话音同步模式 d m r 系统同步及定时研究 将出现在每个话音超帧的第一个突发。除了标记超帧的边界外，周期的插入同步 信号可以允许接收方在传输开始之后可以获得话音消息。 一般突发结构包含两个1 0 8 比特的( 有效负荷域) 和一个4 8 比特同步或信令域， 如图3 5 所示。每一个突发总长度为3 0 m s ，其中2 7 5 m s 用于2 6 4 比特内容，它可以利 用2 1 6 比特业务承载6 0 m s 的压缩语音。 ( a ) 语音帧的一般格式 移孵i 黟”+ 鹞妒锄 i j 慨t )，科就糊铷妇e a 瀚j j 巍。，j ，。l j j ? i j ? 笔 ( b ) 承载同步信令的语音帧格式 图3 5 d m r 突发结构 图3 6 说明了对于一个入境信道同步周期的最好及最坏的情形。因为数据和控 制消息在每一个突发