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毕业设计102可接收数字广播节目的GSM移动终端的硬件设计
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毕业设计102可接收数字广播节目的GSM移动终端的硬件设计,电气电子毕业设计论文
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可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 1 第一章 绪论 1.1 数字音频广播研究的背景和意义 随着计算机技术飞速的发展，数字化已经渗透到各行业中。信息传媒比如电视、广播、报纸在社会生活中起着举足轻重的作用。在数字化大潮中，这些行业也不可避免地发生着巨大的变化。电脑代替着纸和笔，排版系统代替着铅字。硬盘播放正代替着磁带机，录像机等等。 而 随着广播事业的发展 ,传统的模拟广播越来越不能满足人们的需求 ,于是一种全新的数字音频广播 -Digital Audio Broadcasting（后面简称 DAB） 诞生了 .数字音频广播的出现是广播事业的一次深刻革命。它 用数字化了的设备代替了以前广播采用的模拟设备，并用数字信号广播代替了模拟信号广播。数字音频广播 (DAB)从产生起，就随着数字技术的最新发展而不断地发展着，数字技术的每一次进步都推动着数字音频广播 (DAB)的不断变革，不但充实了 DAB 的内容，而且给它拓展着新的发展方向。 DAB是一种全新的数字广播系统，是继调幅，调频广播之后的第三代广播。它是一种高质量，高效率的广播方式， DAB 具有以下主要特点： （ 1）声音质量可以达到 CD水平； （ 2）在城市环境和高速移动状态下均有很高的接收质量； （ 3）提高 频谱利用率，实现单频网（ SFN）广播，即通过同频广播网络覆盖广大地区； （ 4）可以在 1.54MHZ 带宽中传输 6套立体声广播节目和附加信息； （ 5）与调频模拟广播相比，为覆盖同样大小的地区，数字广播所用的发射机功率可以做到很小； （ 6）可以有效地改变所播信号的压缩参数，以改变所播立体声广播节目的数量和质量，以及附加信息的篇幅容量。这将大大提高这种系统的经济实用价值； （ 7）具有极好的抗干扰性能，在恶劣的电波传播条件下仍能可靠接收。 11 数字音频广播在 具有 上述 优点 的同时 ,它还是一种多媒体广播 ,可同时传递各种诸如声音 、 图象、文字、数据等业务 .随着 CD机的应用和普及，与以前相比，听众对声音播出质量有了更高的要求。另外，由于汽车等交通工具的日趋普及，人们生活的节奏变快，途中收听节目的移动群体越来越大，这些对声音的移动接收自然提出了更高的要求。目前我们收听的广播仍是模拟广播，由于他固有的局限性，无法达到 CD 的播放质量，也不能满足人们对移动接收的要求，两者具体比较见表 1-1。因此，发展高质量的数字音频广播就成为广播发展的必然趋势。nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 近年来，由于数字技术的广泛应用，声音的拾取、记录、重放质量得到了极大的保证 ；同时数字压缩技术的成熟，使在不影响主观质量评价的前提下，音频码率可以压缩 10 倍以上；而高效的数字调制技术和纠错编码技术同样得到了高速发展，使得射频的频谱利用率更高，信号处理和传输更加可靠；再加上微电子技术的完善和成熟，使得各种对数字音频信号的处理手段，像压缩编码、调制、差错控制等技术不仅在方法上已成熟，而且可以用硬件实现。以上几个方面技术的综合应用，为今天数字音频广播的迅速崛起创造了必要的技术条件。 表 1-1 数字音频广播与模拟音频广播之主要差异 数字音频广播 模拟音频广播 传送内容 声音、文字、 图片、短片等多媒体内容 声音 行动性 可高速行动接收 高速行动接收时易使讯号受到干扰而产生噪声 讯号与音质 不受多路径传播的干扰，可确保音质 音质受地形、其它讯号干扰而产生噪声 频道负载 透过较佳的压缩技术，一个频道可同时传送多套近 CD 音质的节目 一个频道只能传送一套标准音质的音讯节目 频谱 可采用单频网 需采用复频网 1.2 数字音频广播研究的现状 早在 1981年，德国 IRT(广播技术研究所 )便开始 DAB相关编码技术的研究工作， 1987年便成为欧洲高科技重点开发项目之一（尤里卡 147计划）。经 过多年的试验不断改进、完善和标准化后，于 1995 年秋在英国和瑞典等国家首先正式投入商业运行。由于世界各国 DAB发展思路不同，各国所采用制式标准也各异。我国和主要工业化国家及亚太地区的新加坡、马来西亚、韩国等国家都采用EUREKA-147作为数字广播标准；加拿大等国在参照该标准的基础上略作修改；美、日等发达国家则从自己的本国的实际情况出发，另行设计有所不同。 欧洲一些国家于 1987年成立了 EUREKA-147共同体组织。在 1988 年的日内瓦 WARC世界咨询无线会议上，进行了第一次 DAB试验。其 DAB系统特点是 ：在移动接收条件下仍然可得到高质量的节目信号，解决了城市多径传播和快速移动nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 3 时产生的频率选择性衰落和时间选择性衰落问题。目前欧洲 DAB频率分配任务已经完成。作为 DAB 发 源 地的德国，已明确规定将在 2015年由 DAB代替现有的 FM与 AM广播，到时 FM、 AM将停止使用。 美国所发展的数字广播系统针对 FM AM 广播频段设计，使用带内同频技术。其目的在于：在该系统不改变现有调频频率规划的基础上，在同一频段内同时播出模拟调频广播和数字音频广播，利用现有的 AM和 FM频率进行覆盖。它的特点是与现行广播系统兼容，解决频道少的问 题，不需要重新规划频道。美国国家广播制式委员会 (NRSC)已批准将 “ 带内同频技术 ” 作为美国地面数字音频广播的传输标准。现在，美国各调幅和调频广播电台可以在自愿的基础上，开始采用带内同频系统进行由模拟向数字播出方式的过渡。 多媒体广播已经成为日本政府推动广播实现数字化功能的重要方向。日本在对欧洲和美国的制式进行了反复甄别后，提出了自己的解决方案。这个方案的最大意义在于，它可根据需要灵活地确定系统带宽。它可以使用窄带亦可使用宽带来播出数字广播。现在日本政府制订了结束模拟广播的时间表，以 2010 年为模拟广播的停止 时限。在缓冲期内 (1998-2009)，日本政府每三年全面勘察每个地区数字广播的普及状况。 我国广播科研部门一直在跟踪国际 DAB 的发展动向，积极参与 DAB 的科研活动，组织科研单位开展 DAB节目制作、播出、传输、网络规划、制式标准及相关硬件的研究，并取得了一大批研究成果。我国广电部自 1992 年 6 月就通过了我国开展 DAB 重大科研的可行性报告，并从 1995 年开始根据当时中国和欧盟关于数字音频广播项目的合作规划，先后分别在北京和广东建立了 DAB实验室和无线发射先导网，同年在北京的实验室开始了 DAB 系统有关数据的测试 。广东的 DAB数字音频广播先导网（中国的第一个 DAB 先导网）在 1996 年 12 月 25 日开通，1997 年 7 月 1 日正式投入试播，它为国家制定数字广播技术标准提出了试验数据。该先导网由佛山、广州和中山三个试验试播台组成，有效覆盖了珠江三角洲的大部分地区。 2000 年 10 月 11 日广东数字音频广播网络系统通过了由国家科技部、广电总局和地方广电部门领导及专家组成的验收组的验收。京津网也于2000 年试播。台湾、香港也在近几年实现了 DAB 播出。目前我国已建好的 DAB网有京津网、广东网、台湾和香港。国家广电总局拟在 “ 十五 ” 期间建 立 4 6个 DAB 广播网，并要求在北京举办 2008 年奥运会之前，在经济发达地区主要干线高速公路实现 DAB 的覆盖。预计到 2005 年我国一些主要大城市将会试验开展多媒体数字广播。目前广电总局正在研究模拟广播向数字化过渡的具体方案，制定包括节目制作、播出、地面传输、发射、网络、卫星传输等方面的相关政策和频率规划。一旦这些 “ 政策软件 ” 开发成功，数字广播播出将指日可待。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 1.3 本课题的主要工作和任务 随着科学技术的发展，手机的越来越普及，把各种功能添加到手机上已经成为一种新的潮流，现在的手机可以玩游戏，上网，听音乐 ，接收模拟广播，甚至已经成为一部小型的个人电脑。因此，我们的这个课题便是设想有一种可用于接收数字广播的 GSM 移动终端，即把收听数字音频广播的功能添加到手机上，并且数字音频广播的信号是通过 GSM 网络传输，将不是空想。虽然可能由于现有的GSM 网络的带宽有限，实现起来有一定的困难，但 3G 网络时代的即将到来，将解决这一问题， 可以看出来，数字广播在技术上确实和 3G 手机存在相当大的重合性 。 由于我国数字广播正处于发展阶段， 而数字广播和新型智能手机的结合，将有着广阔的市场前景。如果研究成功，将极大的推动数字广播在我国的发展 。 本课题研究的关键是如何把数字音频广播技术和 GSM网络完美的结合起来，因此，我的主要工作有： (1) 了解数字音频广播的基本工作原理； (2) 了解 GSM网络的基本工作原理； (3) 在了解了两个主要系统的原理后对本课题数字音频广播的发射和传输部分进行可行性分析并假设了系统传输的前提方案； (4) 设计一个结合 GSM手机的数字音频广播接收方案，包括框图设计，芯片筛选，电路图绘制等等； (5) 对设计的结果进行分析，并得出结论。 nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 5 第二章 DAB 系统概述 2.1 DAB 系统概述 DAB系统由发射系统和接收机两部分组成。发射 系统由信源编码器、信道编码器、多路复用器、 OFDM 调制器、以及模拟射频等部分组成；而接收机则由调谐器、 DAB解码模块、数据业务解码器、接口及系统总控等部分组成。 发射系统音频信源编码采用 MUSICAM算法，得到的音频压缩数据经信道可删除型卷积编码，送入多路复用器与数据业务一起复用，复用信号以包的形式进行OFDM 基带调制，在其中还加入 FIC、同步信号等， OFDM 基带调制后得到 I/Q 两路信号送入射频部分进行载波调制并发射。 DAB发射系统框图如图 2-1所示。 图 2-1 DAB发射系统框 图 接收机则将首先调谐从天线进入的高频信号并进行 A/D变换后，得到数字信号。数字信号经过 I/Q变换，得到两路正交的信号，该信号通过信道同步和信道均衡后，送入 OFDM 基带解调器进行基带解调，然后通过解复用器将音频信号送入信道解码器解码，接着进行信源解码，音频综合，最后经 D/A还原成模拟音频。而从解复用器出来的数据业务，则送入数据业务电路处理，完成数据业务的解码与显示部分。 本次设计主要讨论接收系统的原理，其系统原理框图见图 2-2，具体信号流图见图 2-3。 图 2-2 DAB接收系统 原理框图 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 图 2-3 DAB广播接收机的信号流图 2.2 DAB 系统关键技术 DAB采用了现代先进的数字化技术，因而具有良好的性能，其中最关键的技术包括： 一是信源编码 技术 ,二是信道编码与调制技术 ,三是同步网技术。 2.2.1信源编码技术 数字音频编码技术是数字音频广播的核心技术，了解和掌握此项技术意义重大。因此，在这边对目前国际上使用的两种数字音频编码技术进行 介绍和比较。一种是美国研制的杜比 AC-3(Dolby Surround Audio Coding - 3 )系统 ,另一种是欧洲研制 MUSICAM(Masking patern adapted Universal Subband Integrated Coding And Multiplexing)系统 ,两种技术各有特点 ,并都已经进入实用阶段。 2.2.1.1 AC-3 系统编码 AC-3 系统编码的 编码原理是 AC-3 编码器接受声音 PCM 数据 ,把时间域内的nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 7 PCM 样值变换成多频域内成块的一系列变换系数 ,每块包含 512 个样值点 ,其中256 个样值在连续的两块中是重叠的。重叠的块被一个时间窗相乘 ,以提高频率选择性。然后被变换到频域内。由于前后重叠 ,每个输入样值出现在连续两个变换块内 ,因此 ,变换后的变换系统数可以压缩一半而变成每块包含 256 个。每个变换系数以二进制指数形式表示一个二进制指数和一个尾数。指数集反映了信号的频谱包络 ,对其进行编码后 ,可以粗略地代表信号的频谱 ,同时用此频谱包络决定分配给每个尾数多少比特数。最后把 6 块 (1536 个声音样值 ) 的频谱包络、量化后的尾数以及相应的参数组成 AC 3 数 据帧格式 ,连续的数据帧汇成码流传输出去。图 2-4为 AC-3编码器原理图。 图 2-4 AC-3编码器原理框图 图 2-5 MUSICAM编码器原理框图 2.2.1.2 MUSICAM信源编码 MUSICAM即掩蔽型自适应通用子带综合编码与复用， 其编码原理是将宽带的声音 PCM信号的频谱分割成等宽的 (750Hz)32个子频带 ,把时域的 PCM信号转换成频域的声音信号 ,然后对各子频带的音频取样值分别进行数据率降低的编码 ,利用人耳听觉的心理声学现象 ,根据快速傅立叶变换 FFT计算机出的结果得到一个动态的比特率 ,经线 性量化后与辅助信息、附加数据一起构成 MUSICAM 数据帧 ,传输出去。 采取 MUSICAM方法，使原来 CD中立体声信号所需要的数据率由 1411 kb/s降为 192kb/s， 使传输的数据量显著降低，并在主观质量、数据率、处理过nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 程所需的时间延迟以及复杂性等方面，提供了最佳的折中。这样数据率有效压缩且仍具较高的声音质量。 MUSICAM编码的核心技术是将宽带时域中的 PCM信号分割成 32个子频带的滤波器组和根据心理声学模型给出的动态比特分配技术及根据人耳听觉的时间掩蔽特性给出的比例因子选择技术。图 2-5为 MUSICAM编码器原理框图。 2.2.1.3 AC 3 与 MUSICAM的比较 （ 1）共同点：杜比 AC 3编码技术与 MUSICAM 编码技术都是根据人耳具有的频谱掩蔽效应和时间掩蔽效应而设计的。 （ 2）不同点： 1) 滤波器的选择不同 ： AC 3 根据输入信号的特性 ,动态地改变滤波器组的长度 ,而 MUSICAM采用了固定长度的滤波器组 ,它有时与输入信号特性不能最佳匹配。 2) 自适应比特分配： AC 3 采用混合前向 / 后向自适应比特分配技术 ,而 MUSICAM只采用前向自适应比特分配。 3) 硬件实现： AC 3 编码器电路复 杂而 MUSICAM的编解码器的电路简单 ,成本低。 基于以上的比较和我国具体情况的分析（我国使用的是欧洲数字音频广播标准 EU-147），我们使用的是 MUSICAM编码技术。下面我们再来讨论具体的编码标准。 2.2.1.4 具体编码标准 MPEG音频编码标准：数字视频和数字音频压缩技术有广泛的应用前景。自从1988年，国际标准化组织（ ISO）和国际电工技术委员会（ IEC）建立了在信息技术领域的联合技术委员会，该委员会的第 11工作组称为运动图象专家组（ Motion Picture Experts Group，简称 MPEG），负责起草制定数字音频、视频信号的国际编码标准。到目前为止，已先后公布了 MPEG1， MPEG2和 MPEG4。 MPEG1标准的编号是 ISO/IEC11172。 MPEG1音频编码标准是 MPEG1标准的音频部分 ISO/IEC11172-3。适用于 32KHz、 44.1KHz和 48KHz等取样频率。声音信号的工作方式有单声道、双声道、立体声和联合立体声。 在 MPEG1音频编码标准中，有三种编码算法系列，称为三种 Layer： Layer1：是 MUSICAM编码方法的简化版本。最简单，使用 MUSICAM算法， 编码速率 38kbps，主要用于数字合式磁带。 Layer2：是 MUSICAM编码方法的标准版本。复杂度中等，使用 MUSICAM算法，nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 9 编码速率 192kbps左右，主要应用于数字广播的音频编码、 CD-ROM上的音频信号以及 CD-1和 VCD。 Layer3：是 MUSICAM 与 ASPEC（自适应频谱感知熵编码）的结合。最复杂，使用高质量音乐信号自适应感知熵编码算法（ APSEC），编码速率 64kps，尤其适用于 ISDN上的音频传输。 MPEG-2 音频标准在 MPEG-1 音频标准上扩充如下：增加了 16KHz、 22.05KHz和 24KHz采样频率；扩展了编码器的输出速率围， 32384kbps扩展到 8640kbps；增加了声道数，支持 5.1和 7.1通道的环绕立体声。 MPEG-2还支持 Dolby AC-3编码。 Dolby AC-3支持 5个声道（左、中、右、左环绕、右环绕）和 0.1kHz以下的低音音效声道，声音样本精度为 20位，每个声音的采样率可以是 32kHz、 44.1kHz或 48kHz，最大声音速率为 448kbps。 MPEG-2还定义了与 MPEG-1 不兼容的 MPEG-2 ACC，它是一种非常灵活的声音感知编码标准，支持的采 样频率可以从 8kHz到 96kHZ，可支持 48个主声道、 16 个配音声道（多语言声道）和 16个数据流。它的压缩率提高，而且质量更好。 MPEG-4 的音频部分将音频的合成编码和自然声音的编码相结合，并支持音频的对象特征， MPEG-4 的译码器还支持 MIDI 合成音乐和文本到语音（ TTS）的转换。 己开发的 DAB 系统可以提供以下四个级别的业务 : （ 1） 在采用 192Kb/s 的单声道和 320 Kb/s 立体声码率时，能播送演播室质量的信号； （ 2） 在采用 128Kb/s 的单声道和 256 Kb/s 立体声码率时，质量达到ITU-R制定的正常声 音广播要求； （ 3） 在采用 96Kb/s的单声道和 192 Kb/s 立体声码率时，对于要求最苛刻的节目素材，音质下降很小； （ 4） 对于中等音质要求，可采用单声道和立体声的码率分别为 64 Kb/s和 128 Kb/s。 将 DAB的原始 PCM码率 (16bit X 48KHz=768 Kb/s)与第三种情况相比较，可知数字声音信号的码率被压缩了 8倍。 EU-147 DAB所采用的信源编码技术 MUSICAM是由法国的通信和广播共同研究中心、德国的广播技术研究所和荷兰的飞利浦消费电子公司共同开发的。在尤里卡与 ISO/MPEG合作研究之后 ， EU-147采用了 ISO II172-3编码标准的第二层 (即 MPEG-1建议的 Layer 2 )，将其帧头部分稍做改动就可与 MUSICAM系统一样。在欧洲和美国现有的 DAB体制中，大多数采用 MUSICAM作为信源编码方案。 MUSICAM能在单声道码率 128Kb/s时保持透明质量，同时，解码复杂度较低。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 MPEG-1 Layer 2的音频帧数据格式如下图 2-6： 帧头 子带比特分配 比例因子选择 比例因子 子带样值 辅助数据 图 2-6 MPEG音频帧格式 在 DAB 中，为适应恶劣接收条件，在 MPEG 帧头删 除了一些无用的信息（如由于采样率固定，不必传输），改为 CRC 校验字，以保护关键的帧头信息。为保护比例因子信息， DAB音频帧还包含了对比例因子的 CRC校验字，放在每帧的末尾倒数第二字节之前。每帧的最后二字节定义为固定的与节目业务相关数据，用于指明节目的动态范围、音乐 /语言节目类别等信息。最后的 DAB 音频帧格式与MPEG音频帧格式稍有区别，如图 2-7所示。 DAB帧头 CRC 比特分配 比例选择 比例因子 子带样值 辅助数据 CRC 节目相关数据 图 2-7 DAB音频帧格式 2.2.2 信道编码和调制 目前 DAB使用的是 COFDM的信道编码和调制 ：即信道编码的正交频分复用，DAB系统通过 COFDM 使本来相邻的信元在时域和频域上尽可能远地分开来传送，这样接收端经过去交织恢复信元原来的顺序后，就把可能出现的 “ 块差错 ” 拆开为相距较远的单个比特差错，从而容易予以修正。每个 COFDM符号人为地延长一段时间，即在每个信元后人为地插入保护间隔。通过保护间隔，可以确保各种反射波不会干扰当前接收到的直达信号的码元，从而改善收听效果。使用大量的载波的方式，干扰只会影响个别或少量的载频，而大部分仍不会有噪音干扰。所以DAB有 很强的高速移动接收和抗干扰能力 。由于本次设计中是用 GSM 网络传输数字广播信号，使用的是 GSM网络的信道编码，没有涉及到 COFDM的信道编码和调制，因此在这边不再对该技术深入的介绍。 2.2.3 单频同步网 DAB同步网又称单频网（ Single Frequency Network，即 SFN）。所谓单频网，是指同步网中的所有发射机都工作于中心频率相同的 DAB频率块，调制信号也必须精确同步。在网中发射台之间的距离和布局满足一定条件的情况下，各发射台发射的功率是相助的（通常称为网络增益）。 为了实现地面大范围的覆盖， DAB可以由几个工作于相同的频率，时间同步地发射相同节目的发射台构成一个同频发射网。在同频网中，相近发射台的功率信号可实现无缝交叉覆盖，可很好地改善接收效果，使覆盖的范围增加了，频谱利用率高了，每个台的发射功率却可以nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 11 大大降低 ， 约几百 瓦 到 一千瓦 。 本次设计也没有使用到该技术，仅在此作简要介绍，不再进行深入研究。 2.2.4 接收机原理简述 射频调谐：在 DAB传输模式 I的情况下， VHF波段的 DAB信号经天线进入调谐器，经调谐控制电路控制将 174.2MHz-239.2MHz范围内的射频信号经选择后，变为中频信号 (中心频 率为 38.912MHz，带宽为 1.536MHz 的频率块 )。通过中频选择滤波器 (例如声表面波滤波器 )滤波，滤掉无用的频谱部分，以确保即使在强的邻频干扰情况下也能良好接收。接着中频信号再经频率变换和滤波，变为中心频率为 2.048MHz，带宽仍为 1.536MHz的基带信号送入 COFDM解调器继续处理。 COFDM 解调及信道解码 ： COFDM 解调器首先通过正交解调从 COFDM 基带信号中产生出同相分量 (I)和正交分量 (Q)信号，经 AD 变换后变为数字形式的信号，再经快速傅里叶变换 (FFT)，完成各个载波的 4-DPSK解调 ，恢复出分配在各个载波上的差分编码复数比特 (或双比特、比特对 )数据流。信道解码的详细处理过程有：接收机同步 (找出零符号 )；解复用 (包括同步信道 SC、快速信息信道 FIC、主业务信道 MSC 数据 )；时间解交织和频率解交织；维特比解码 (解卷积编码 )；解扰 (解能量扩散 )等。 信源音频解码：从上述解复用中， FIC 解码完成后可进行 DAB的业务选择，其中选择音频业务后，则该业务和 PAD(节目伴随数据 )送入音频解码器进行音频解码 (MUSICAM信源解码 )，产生数字和模拟音频输出及 PAD数据。 数据解码：而从前述信道解码后的所 有业务 (包括音频业务和数据业务 ) 数据可通过 RDI(接收机数据接口 )格式的串行数字信号送入数据解码器进行解码(包模式的数据业务数据过滤和处理 )，最后产生出所需数据的并行 (8 位 )数字信号输出。 系统总控：上述所有过程均由微控制器通过总线进行控制，微控制器上运行的嵌入式软件主要功能是控制调谐器、信道解码器和音频解码器的工作及人机接口，实现 DAB的解码控制和业务播放。 2.3 DAB 系统技术参数 DAB欧洲标准 (ETS300401)规定有四种传输模式分别应用于不同的工作频率，其主要参数 见 表 2-1。 根据我 国实际情况，本系统主要采用传输模式 I，即工作频率在 VHF频段，该模式的主要技术参数如下： nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 （ 1） 带宽： 1.536MHz(1536 个副载波，每个相距 1KHz) （ 2） 载波频率 （ DAB频段） ： 174.2MHz 239.2MHz （ 3） 误码率 ： 0.0001 （ 4） 天线方向：全向 （ 5） 极化方式：垂直极化 （ 6） 总数据率： 2.432Mbit/s （ 7） 主业务信道有效数据率 2.304M bit/s （ 8） 帧持续期： 96ms （ 9） 符号持续期： 1246s( 其中保护间隔 246s ，有效符号持续期 1000s) （ 10） 零符号持续期： 1297s （ 11） 每个 OFDM符号总数： 76 （ 12） 每个 OFDM符号的比特数： 3072 （ 13） 最大传输路程差： 90Km 1 2 表 2-1 DAB的传输模式和工作频段 模式 模式 模式 模式 带宽 1.536MHz 1.536MHz 1.536MHz 1.536MHz 载波总数 1536 384 192 768 总调制符 号持续期 1246s 312s 156s 623s 保护间隔 246s 62s 31s 123s 发射台间 最大距离 约 75Km 约 20Km 约 10Km 约 40Km 频率范围 375MHz 1.5GHz 3GHz 750MHz 应用 仅地面 卫星和地面 卫星，可能地面 仅地面 nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 13 第三章 GSM 网络 3.1 GSM 系统概述 GSM是 Global System for Mobile Communication 的缩写，意思是全球移动通信系统。分 GSM900、 DCS1800和 PCN1900 三个频段，一般的所谓的双频手机就是在 GSM900和 DCS1800 频段切换的手机。 PCN1900则是别的一些国家使用的频段。 GSM900/1800 分别是工作在 890 960MHz/1710 1880MHz频段的 。 GSM系统是目前全球覆盖范围最广的第二代无线网络，世界上大概有 75的手机使用的标准是 GSM。 GSM数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台、基站子系统和网络子系统。基站子系统（简称基站 BS）由基站收发台（ BTS）和基站控制器（ BSC）组成；网络子系统由移动交换中心（ MSC）和操作维护中心（ OMC）以及原地位置寄存器（ HLR）、访问 位置寄存器（ VLR）、鉴权中心（ AUC）和设备标志寄存器（ EIR）等组成。 GSM它采用 TDMA（时分多址）接入方式 ,即在一个载频信道内，按相同的 时间间隔划分成每帧若干时隙的固定循环周期，每个时隙承载一个业务用户信息和必要的信令。这样，一个载频信道由若干个用户按时间顺序依次占用，以不同时隙作为区分不同用户的方式。 GSM的输入是帧格式，一帧 (20毫秒 )由采样频率为 8 kHz的带符号的 160个样本组成，每个样本为 13位或者 16位的线性 PCM码。 GSM编码器可把一帧 (160 16位 )的数据压缩成 260位的 GSM帧，压缩后的数据率为 1625字节，相当于13 kbps。由于 260 位不是 8位的整数倍，因此编码器输出的 GSM帧为 264位的线性 PCM码。采样频率为 8 kHz、每个样本为 16位的未压缩的话音数据率为 128 kbps，使用 GSM压缩后的数据率为：（ 264bit 8000样本 /s） /160样本 =13.2kbps，GSM的压缩比： 128:13.2 = 9.7，近似于 10:1。 GSM系统的调制方式 : GSM 采用的是 0.3GMSK 调制高斯最小频移键控， 0.3是描述滤波器带宽和比特率的关系 ,不是相位调制，是一种典型的数字调频调制，实际上是调频。在 GSM系统中，每个载频信道带宽为 200KHz，每帧 8个时隙，即理论上可同时为 8个用户提供传输通道，时隙长度 0.577ms，每帧时长4.615ms 。 13 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 3.2 通用分组无线业务 GPRS 移动数据业务是一个不断发展的业务，主要分为电路型数据业务和分组型数据业务。 GSM系统第一阶段提供的 9.6kbit/s 以下数据业务及 Phase 2+阶段提出的 HSCSD都属于电路型数据业务。 Phase 2+阶段提出的 GPRS，则属于分组型数据业务，后者相对于前者具有很显著的优越性。九十年代初开始的最初， GSM数据业务是基于电路交换的数据业务，提供 9.6kbit/s 的接入速率，这也是目前网上设备都支持的一种业务。 HSCSD (High Speed Circuit Switched Data 高速电路型数据业务 )是 GSM 电路型数据业务的最近进展，它提供多个时隙的捆绑能力，支持上行和下行非对称的资源分配，提供最高 64Kbit/s的接入速率。 GPRS (general packets radio service)，全称为通用无线分组业务，在世纪之交作为第二代移动通信网络向第三代移动通信网络过渡的 2.5代移动通信技术应运而生，利用 GPRS技术理论上最高能够达到 171. 2kbit/s。这个数字是现在固定电信网络数据传输速率的 3倍，是当前 GSM 网络上电路交换数据服务速率的 10倍。随着 GPRS的出现，人们第一次能够真正通过移动设备享受完全的 Internet访问功能。 GPRS可以使终端同时进行话音通信业务和数据通信业务，支持各类多媒体业务。由于可以更有效地利用无线资源， GPRS可以允许大约 50到 100个用户共享同样的带宽。 归纳 GPRS 的技术优点主要有 : （ 1） GPRS采用分组交换技术，高效传输高速或低速数据和信令，优化了对网络资源和无线资源的利用 ; （ 2） 定义了新的 GPRS无线信道，且分配方式十分灵活：每个 TDMA帧可分配 1 到 8个无线接口时隙。时隙能为活 动用户所共享，且向上链路和向下链路的分配是独立的 ； （ 3） GPRS支持基于标准数据通信协议的应用，可以和 IP网、 X.25网互联互通。支持特定的点到点和点到多点服务，以实现一些特殊应用如远程信息处理。 GPRS也允许短消息业务 (SMS)经 GPRS 无线信道传输 ； （ 4） GPRS的设计使得它既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据的传输。它支持四种不同的 QoS级别 ， 能在 0.5 -1秒之内恢复数据的重新传输 ； （ 5） GPRS的核心网络层采用 IP技术，底层款可使用多种传输技术 ，基于IP协议可以很方便的实现和外部数据网的无 缝连接 ； nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 15 （ 6） GPRS 支持高速率数据传输 , 可达到 171.2kbit/s,定义了 CS1、 CS2、CS3 和 CS4 四种编码方案； （ 7） GPRS 非常适合突发、少量频繁数据应用业务 , 能高效利用信道资源； （ 8） 永远在线 , 适时传输数据； （ 9） 以数据传输流量收费 ,在线不传输数据不收费。 13 GPRS抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术 .数据速率高，信息长，且仅在实际传送、接收数据时才占用无线资源，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，带宽最高可达 171.2Kb/s，同时， GPRS引入 IP隧道技术，使移动台与 Internet 能够进行“永远在线”的连接，即用户可与网络保持永久性连接。这充分体现了 GPRS网络的两个关键特性：有效的利用无线资源和网络；支持完全透明的 IP传输。 因此，与传统的 GSM电路拨号交换相比， GPRS在资源利用率、交换容量和性能上都有质的飞跃。目前中国移动的 GPRS覆盖范围在中心城市几乎达到了 100%，在边远地区也达到了 80%以上，实际应用带宽也大约在 20-40Kb/s，特别适合像金融交易、远程监测等行业各种中、低速率的突发通信需求，完全可取代过去传 统的有线 MODEM、 X， 25、数传电台、短信等通信方式。 GPRS系统原理图见图 3-1。 图 3-1 GPRS系统原理图 3.3 通过 GSM网络传输数字广播的可行性 了解了 GSM网络的基本原理，我们知道， GPRS技术理论上最高能够达到 171. 2kbit/s的带宽， DAB信号经过 MUSICAM编码压缩后完全有可能通过 GSM网络 GPRS传输。而 GSM网络目前在我国覆盖率是相当高的，通过 GSM的基站来发射数字广播，nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 16 这将大大的减少发射台的重复建设。并且 GPRS可以通过流量来计费，这也适用于收费的数字广播。并且，即将到来的第三代移动通信，则完全可以满足数字广播传输的要求。相信只要经过缜密的考虑，广播与移动通信的结合并不是不可能的。因此本课题就大胆的假设了数字音频广播是通过 GSM网络 GPRS技术传输的从而进行可接收数字音频广播的 GSM移动终端的设计。 nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 17 第四章 系统的实现 4.1 系统构思 4.1.1 系统设计的前提条件 前面两章分别介绍了 DAB系统和 GSM网络的基本原理，并且在理论上得知了通过 GSM网络的 GPRS技术来传输数字音频广播是有可能做得到的。本章就来进行可接收数字广播节目的 GSM移动终端的框图和电路设计。 本次课题的设计是在假设 GSM网络的 GPRS的传输速率可以传输数字音频广播经过 MUSICAM编码后的数据流的基础上进行的，未经过实际验证，不过相信在即将到来的第三代移动通信系统中这个问题将不存在，肯定可以进行传输。 在这个系统中，我们首先进行信号发射端的假设，即是数字音频广播信号在发射端即 GSM系统的信号发射端 基站采用单声道 MPEG-1的 Layer2方式进行编码 ,后再经过 GSM网络的信道编码后发射。这个过程中 DAB信号不用经过 COFDM信道编码与调制。然后是终端的假设，本系统是通过 G20模块来充当 GSM移动终端的，在这边假设该终端接收到基站发射的数字广播信号后在模块内进行滤波， A/D转换，解调，信道解码等处理后输出的。 4.1.2 系统思路 经过对 DAB系统和 GSM网络基本原理的了解和掌握，以 DAB系统接收机原理框图为原始框架，结合 GSM网络的传输原理进行了分析，首先确定了 GSM手机模块和音频解码模块为该终端系统的两个主要部分，然后根据数字音频广播的信号流程进行扩展和完善，最终通过扬声器我们就可以收听到数字音频广播节目了。具体的数字音频广播信号流程为： GSM网络传输的数字音频广播信号通过天线被接收到 GSM手机模块中，在模块中经过滤波， A/D转换，解调，信道解码后得到的数字信号进入音频解码模块进行信源解码，解码后进行 D/A转换还原成模拟音频再经过音频功率放大和扬声器就可以得到数字音频广播节目了。系统中还需要使用一块微处理器芯片来控制各个芯片以及键盘和显示屏。 4.1.3 系统框图 本 次设计的移动终端主要包括 GPRS模块，音频解码模块， D/A转换模块，音频功率放大器，控制器内核，电源，键盘和显示屏等部分，理清楚头绪以后首先nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 18 定下了系统的基本框图如图 4-1所示。 天线 图 4-1 GSM移动终端系统框图 4.2 系统具体电路的实现 4.2.1 硬件实现 根据已经确定的系统框图，我对具体电路所需要使用的元器件进行查找、分析和筛选，最终确定了： （ 1） GSM 手机模块使用摩托罗拉公司的产品 支持 GPRS 功能的G20手机模块； （ 2） 音频解码模块采用的是 VCD 机上的支持 MPEG-1 音频解码的CL480解码芯片 ； （ 3） 由于 G20 手机模块的输出为串行数据输出，而 CL480 的输入口为并行数据输入，因此采用串并转换芯片 74HC164 来解决这个问题； （ 4） 控制器方面选择单片机 AT89C52； （ 5） 数模转换芯片采用的是 TLV5626； 音频功率放大 键盘 电源 GSM 手机模块 音频解码模块 数模转换 扬声器 MCU 控制芯片 LCD 显示屏 nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 19 （ 6） 音频功率放大器方面采用的是数字电位器 DS1669结合音频功放 LM386来实现音量的调节和功率放大； （ 7） 电源方面我们使用 3.6V 的手机锂电池供电，由于系统中的各个芯片的工作电压不同，因此我们选用电源管理芯片 TL431来进行调配； （ 8） 显示屏采用的是金鹏电子有限公司推出的 C 系列中文液晶显示模块中的 OCMJ4X8C； （ 9） 由于本次设计直接采用分立开关按键对各个芯片进行控制，没有采用键盘，以后如果需要，随时可以改进。 上述所使用芯片的介绍，在本次设计系统中的功能以及具体的分析计算将在后面一章中进行详细的介绍，本章着重讨论整机电路。 在确定了各功能部分所要使用的芯片及具体芯片外围电路的设计及计算后，我们使用 Protel99SE 画出了系统的电路原理图，见附录 1。 4.2.2 软件实现 本课题是由两个人合作，我负责可用于接收数字 广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计，软件部分是由另一个人来完成的。在整个设计过程中我们一起讨论方案，交流思想，最终确定了整个系统的硬件电路和软件流程。附录 3 是我们所设计系统的软件实现部分的流程图，详细介绍及具体编程请参阅软件设计部分的论文。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 20 第五章 芯片介绍及设计电路分析 本章是对前面我们所设计电路的各个芯片进行介绍，包括芯片筛选，芯片介绍，具体在系统电路中的原理、功能分析等部分，按照电路原理图上的流程顺序介绍。 5.1 GSM 模块 G20 5.1.1 G20 模块 介绍 经过查找和筛选，最终我们确定的 GSM 模块为使用广泛，价格也还合理的G20 模块。 G20 是美国 Motorola 公司的一款内嵌 TCP/IP 协议栈的嵌入式 GSM 模块，通信速率最快可以达到 115.2kb/s，支持大部分的 AT 指令，同时，提供了一些专有的、支持 GPRS 服务的 AT 指令；此外，还提供了音频、 USB、 LCD 等多种接口。 G20模块的主要性能是 : ( 1)具有 TCP / IP 协议栈； (2)支持 EGSM 900 /1800 Hz 和 GSM 850 /1900MHz4 个 GSM 频段； (3)短消息支持 MO /MT TEXT 和 PDU 两种模式； (4)体积小 ,工作温度范围宽。图 5-1为 G20模块的内部框图。 图 5-1 G20模块内部框图 nts可接收数字广播节目的 GSM 移动终端的硬件设计 21 5.1.2 G20 设计电路分析 由于 G20功能强大，管脚众多，为设计方便，在电路设计时我们只考虑我们需要的功能及管脚，其余皆省略。图 5-2为我们所使用到的 G20模块接口图，下面我们来分析一下 G20在整个系统电路中的作用和工作原理。 首先，数字广播信号从天线进入 G20模块中，（模块上的天线以及 SIM卡部分假设其是按正常手机的使用连接的，我们在本次的电路原理 图设计中由于条件限制不作考虑），然后在 G20中进行滤波， A/D转换，解调，信道解码后从其 SPI串口输出，经过串并转换芯片 74HC164从解码芯片 CL480的并口输入进行音频解码。此外， G20模块的外围电路还包括电源及开关部分和与单片机连接控制选台的部分。下面的管脚介绍将详细解释电路的原理。 图 5-2 G20模块管脚图 接口介绍（如图 5-2）： （ 1） GND 为接地， Vcc 为电源， G20 模块的工作电压为 3.6 V，我们直接使用手机锂电池供电； （ 2） ON_OFF_N为 G20的输入口，按照时序要求，开启和关闭 G20模 块，电路中我们把它连接至开关 S1 也就是系统总开关上。 G20模块中还有 GPRS_DET_N 接口，其功能为高电平时 GSM 网络支持 GPRS 功能，低电平时不支持 GPRS功能，本次设计中假设其始终处于高电平； （ 3） SPI 接口： SPI_CS接口为片选输出接口， SPI_DOUT作为数字音频广播 MUSICAN编码数据流的输出接口，还 SPI_CLK 作为同步时钟输出接口，这些接口都和 74HC164 芯片相连接。同时 SPI_DOUT还与单片机 P3.2 接口有一连接用于进行流量的检测以确认是否接收到数字广播信号； nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 22 （ 4） TXD_N 和 RXD_N 为 G20 RS232 接口，用来与单片机进行通信，发送选台，确认等信息。 需要注意的是：单片机一般是 5.0V供电，而 G20 的供电电源范围为： 3.64.2V（推荐为 3.6V 供电）；由于两者供电电压不同，他们串口收发信号的电平也不同。单片机输出的高低电平分别为 5.0V和 0.0V，而 G20的则为 3.3V 和 0.0V；G20 串口输出的高低电平信号，单片机可以正常接受，而单片机串口发送给 G20的串口信号，则不能为 G20所识别，因此我们就必须使用一个电阻来把单片机串口输出信号的电平分压为 3.3V，供 G20 接受。 G20 模块与单片机是通过串口进行通信的，为了节约微控制器的 I/O口资源，我们只连接有用的通信接口。 5.2 串并转换芯片 74HC164 5.2.1 74HC164 芯片介绍 由于 G20信号输出是串口输出，而 CL480 为并口输入，因此，在这两个芯片之间我们还需要一块把串行输入数据转换成并行输出端口的芯片，经过查找，我找到了串并转换芯片 74HC164，这个芯片以前使用过，相对比较熟悉，价格也比较便宜。 74HC164 是串行输入并行输出的 8位移位寄存器 ,其主要的功能特点有： （ 1） 高速运转： Tpd=14.5ns(当 CL=50pF时的典型值 ) （ 2） 高输出电流： 10LSTTL负载输出 （ 3） 低输入电流：最大为 1 A （ 4） 适用电压的范围大： Vcc=2-6V （ 5） 低的静态供给电流：最大 Icc（静态） =4 A （ 6） 每一个输出管脚具有 +
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