基于dPMR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)傳電臺(tái)設(shè)計(jì)

郭衡澤，汪鐳

基于dPMR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)傳電臺(tái)設(shè)計(jì)

郭衡澤，汪鐳

運(yùn)用嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方法，從硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩方面闡述了采用數(shù)字信號(hào)的無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)的開發(fā)方案。相對(duì)于目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率較大的模擬數(shù)傳電臺(tái)，數(shù)字?jǐn)?shù)傳電臺(tái)頻譜利用率更高，具有更好的傳輸質(zhì)量和更為可靠的安全性能，未來(lái)必將會(huì)有良好的應(yīng)用前景和市場(chǎng)價(jià)值。重點(diǎn)介紹了基于dPMR標(biāo)準(zhǔn)數(shù)傳電臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)、OS任務(wù)模塊設(shè)計(jì)以及相關(guān)通信協(xié)議制定等內(nèi)容，在諸多方面都有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方法。

數(shù)傳電臺(tái)；dPMR；硬件設(shè)計(jì)；軟件開發(fā)

0 引言

數(shù)傳電臺(tái)，全稱為無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，大致分為兩種：一種是傳統(tǒng)的模擬電臺(tái)，另一種為近些年興起的數(shù)字電臺(tái)。傳統(tǒng)的模擬電臺(tái)大部分是在調(diào)頻對(duì)講機(jī)或車載電臺(tái)的基礎(chǔ)上加裝了一個(gè)低速率的調(diào)制解調(diào)芯片，其價(jià)格低廉，但是，速率比較低，時(shí)延大，操作也不方便。隨著20多年來(lái)集成電路的復(fù)雜性和集成度的飛速增加，無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)部分甚至全部采用數(shù)字處理技術(shù)，這些電臺(tái)通常被稱為數(shù)字電臺(tái)。相比傳統(tǒng)的模擬電臺(tái)，其精度更高，沒有與模擬量元件有關(guān)的誤差問題，功耗更低，實(shí)時(shí)性穩(wěn)定性更高，為無(wú)線數(shù)傳市場(chǎng)帶來(lái)了新的發(fā)展空間和活力。

dPMR是digital private mobile radio的縮寫，是一個(gè)數(shù)字無(wú)線電協(xié)議，廣泛應(yīng)用于交通指揮、航海通信、警備通信和車間調(diào)度等集團(tuán)環(huán)境集[1]。它提供通過使用低成本、低復(fù)雜性技術(shù)實(shí)現(xiàn)高級(jí)功能的解決方案。dPMR是一種窄帶（6.25kHz）FDMA 技術(shù)，100%數(shù)字化，可提供多種形式的語(yǔ)音或數(shù)據(jù)應(yīng)用。

1 工作原理及系統(tǒng)架構(gòu)

由于數(shù)據(jù)信號(hào)是一種脈沖信號(hào)，而脈沖信號(hào)所占用的頻譜十分豐富。如果脈沖信號(hào)像語(yǔ)音信號(hào)一樣直接送去窄帶超短波電臺(tái)的發(fā)射機(jī)調(diào)制，那么由于電臺(tái)發(fā)射機(jī)及接收機(jī)的帶寬的限制，脈沖信號(hào)在傳輸過程中頻譜會(huì)大量丟失，產(chǎn)生很大的失真、衰落，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸誤碼甚至完全失敗[2]。尤其是傳輸速率在1200bps以上時(shí)，這種直接調(diào)制的方式就完全不可取了。為了實(shí)現(xiàn)在無(wú)線信道上的可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸，就必須在常規(guī)的超短波調(diào)頻電臺(tái)內(nèi)部植入一個(gè)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）[3]，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過該MODEM的調(diào)制器把脈沖信號(hào)（即數(shù)據(jù)信號(hào)）轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，接收時(shí)則正好經(jīng)歷一個(gè)相反的過程，通過MODEM的解調(diào)器把接收到的模擬信號(hào)還原成脈沖信號(hào)。數(shù)傳電臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)框圖

2 開發(fā)環(huán)境

2.1 硬件平臺(tái)及開發(fā)裝置

本文中的MCU采用STM32F103VE，具有高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)，專為嵌入式應(yīng)用開發(fā)設(shè)計(jì)。ASIC芯片采用CMX7141芯片，芯片內(nèi)部包括4FSK的調(diào)制解調(diào)功能、dPMR的協(xié)議、語(yǔ)音編解碼器接口控制等功能，并提供了CMX816芯片接口用于語(yǔ)音編解碼，方便數(shù)傳電臺(tái)功能的升級(jí)和拓展。無(wú)線通信射頻收發(fā)芯片采用RDA1846芯片，具有集成度高、封裝面積小、高靈敏度及抗干擾等特點(diǎn)[4]。

2.2 軟件開發(fā)環(huán)境

本文涉及的軟件開發(fā)是在Windows 7 操作系統(tǒng)環(huán)境下，開發(fā)及調(diào)試工具選用Keil Uv4。鑒于設(shè)計(jì)需求以及功能實(shí)現(xiàn)等條件，運(yùn)行環(huán)境選取uc/os-II。uc/os-II是一種小巧的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有搶占式的資源分配機(jī)制、體積小、資源占用少等特點(diǎn)，特別適合在資源有限的微控制器上使用[5]。

3 硬件模塊設(shè)計(jì)

硬件的功能實(shí)現(xiàn)主要可分為數(shù)據(jù)、信號(hào)的接收與發(fā)送兩部分：

發(fā)送過程：基板將原始數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU的串口端，串口接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，之后發(fā)送給CMX7141。CMX7141將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為dPMR協(xié)議，發(fā)送至RDA1846。RDA1846將接收到的基帶信號(hào)調(diào)制到指定頻率并大功率發(fā)送出去。

接收過程：RDA1846將每一時(shí)段接收到的射頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，發(fā)送至CMX7141。CMX7141將打包好的dPMR數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，之后發(fā)送給MCU，然后通過串口與基板進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)發(fā)送至基板。

3.1 CMX7141模塊

CMX7141模塊的原理圖如圖2所示：

圖2 CMX7141

CMX7141實(shí)現(xiàn)了dPMR標(biāo)準(zhǔn)的編/解碼、組幀、4FSK調(diào)制等工作，減少了CPU的負(fù)荷。在收到幀同步信號(hào)后，CMX7141從幀中提取與dPMR標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)的協(xié)議數(shù)據(jù)，在完成解調(diào)，解幀，信道解碼等工作后，CMX7141將數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU串口進(jìn)行處理。

3.2 RDA1846模塊

RDA1846模塊的原理圖如圖3所示：

圖3 RDA1846

RDA1846可稱為目前集成度最高、封裝面積最小的對(duì)講機(jī)RF射頻芯片，通過低中頻接收機(jī)和直接上變頻發(fā)射機(jī)架構(gòu)，以單芯片集成替代了傳統(tǒng)方案中數(shù)百個(gè)分立器件和集成電路，大幅簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)、降低了BOM成本。

在電臺(tái)工作工程中，RDA1846實(shí)現(xiàn)了將基帶信號(hào)調(diào)制到制定頻率并大功率發(fā)送以及將接受到的射頻信號(hào)解調(diào)為CMX7141可讀取信號(hào)的功能。

4 軟件模塊設(shè)計(jì)

4.1模塊匯總

數(shù)傳電臺(tái)中繼系統(tǒng)模塊名稱功能簡(jiǎn)述串口通信模塊 接收時(shí)解析串口通信協(xié)議幀格式、發(fā)送時(shí)按照協(xié)議組幀空口通信模塊 控制cmx7141和rf DEBUG模塊 串口通信

4.2 軟件結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

系統(tǒng)軟件架構(gòu)的分層結(jié)構(gòu)從下到上依次為：驅(qū)動(dòng)層，OS層，應(yīng)用層如圖4所示：

圖4 軟件分層結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動(dòng)層：主要完成外設(shè)硬件驅(qū)動(dòng)功能，包括MCU片內(nèi)外設(shè)和片外外設(shè)。

OS層：即實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II。

應(yīng)用層：定義了上層的應(yīng)用，分別使用相應(yīng)的線程來(lái)完成。主要包括：串口通信，空口通信及DEBUG。

4.3 OS模塊設(shè)計(jì)

OS模塊的設(shè)計(jì)中使用的任務(wù)有三個(gè)：Air Interface Task， Serial Task，Debug Task，如圖5所示：

圖5 OS系統(tǒng)任務(wù)狀態(tài)圖

4.3.1 Air Interface Task模塊設(shè)計(jì)

Air Interface Task主要用來(lái)完成空口發(fā)送和接收。空口的接收通過外部中斷來(lái)觸發(fā)。發(fā)送是由串口任務(wù)觸發(fā)。

os_err = OSTaskCreateExt((void (*)(void *))

App_TaskAirInterface,

(void* ) 0,

(OS_STK* )&App_TaskAirInterfaceStk[APP_TASK_AI _STK_SIZE - 1],

(INT8U) APP_TASK_AI_PRIO,

(INT16U) APP_TASK_AI_PRIO,

(OS_STK * )&App_TaskAirInterfaceStk[0],

(INT32U ) APP_TASK_AI_STK_SIZE,

(void * ) 0,

(INT16U)(OS_TASK_OPT_STK_CLR | OS_TASK_OPT_STK_CHK));

4.3.2 Serial Task模塊設(shè)計(jì)

Serial Task主要用來(lái)完成串口通信的幀格式解析和組幀。串口的接收由串口中斷觸發(fā)，發(fā)送可以由串口接收完成觸發(fā)和空口接收觸發(fā)。

os_err = OSTaskCreateExt((void (*)(void *)) App_TaskSerial,

(void* ) 0,

(OS_STK* )&App_TaskSerialStk[APP_TASK_SERIAL_ STK_SIZE - 1],

(INT8U) APP_TASK_SERIAL_PRIO, (INT16U) APP_TASK_SERIAL_PRIO, (OS_STK * )&App_TaskSerialStk [0],

(INT32U ) APP_TASK_SERIAL_STK_SIZE, (void * ) 0,

(INT16U)(OS_TASK_OPT_STK_CLR | OS_TASK_OPT_STK_CHK));

4.3.3 Debug Task模塊設(shè)計(jì)

Debug Task主要用完成其他Task的啟動(dòng)和事件掃描。os_err = OSTaskCreateExt((void (*)(void *)) App_TaskDebug,

(void * ) 0,

(OS_STK* )&App_TaskDebugStk[APP_TASK_START_ STK_SIZE - 1],

(INT8U) APP_TASK_DEBUG_PRIO, (INT16U) APP_TASK_DEBUG _PRIO, (OS_STK * )&App_TaskDebugStk[0],

(INT32U) APP_TASK_DEBUG_STK_SIZE,

(void * )0,

(INT16U)(OS_TASK_OPT_STK_CLR | OS_TASK_OPT_STK_CHK));

5 通信協(xié)議

5.1 通用格式

1）傳輸方式：RS232，TTL電平。

2）傳輸速率：115200 bit/s。

3）同步方式：異步數(shù)據(jù)同步。

4）數(shù)據(jù)格式：每字節(jié)數(shù)據(jù)由1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位構(gòu)成，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

5.2 通信幀格式

1）以DLE（10H）、STX（02H）作為幀起始字段，以DLE（10H）、ETX（03H）作為幀結(jié)束字段。

2）為了避免在信息字段中出現(xiàn)DLE字符，影響數(shù)據(jù)的正確接收，采取如下做法：數(shù)據(jù)發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)前檢查信息字段中是否出現(xiàn)DLE字符，如果信息字段中出現(xiàn)DLE字符，則在此DLE字符前再加一字節(jié)DLE字符。數(shù)據(jù)接收方如果連續(xù)接收到兩個(gè)DLE字符，表明此DLE字符是數(shù)據(jù)信息，而不是控制轉(zhuǎn)義字符，處理時(shí)去掉一個(gè)DLE字符。

3）基本幀格式如圖6所示：

圖6 基本幀格式

注：

A. “信息長(zhǎng)度”表示從“源端口”開始到“CRC”結(jié)束的字節(jié)數(shù)。B. “CRC校驗(yàn)”多字節(jié)字段為高字節(jié)數(shù)據(jù)在前。C. 數(shù)傳模塊端口代碼為02H，主機(jī)端口代碼為01H。D.命令數(shù)據(jù)分為“主機(jī)至數(shù)傳模塊”和“數(shù)傳模塊至主機(jī)”兩部分。E. “數(shù)據(jù)”的內(nèi)容由各承載業(yè)務(wù)類型單獨(dú)規(guī)定，最大不超過250個(gè)字節(jié)。F. “CRC校驗(yàn)”內(nèi)容從“信息長(zhǎng)度”到“數(shù)據(jù)”結(jié)束的全部?jī)?nèi)容。

4）CRC校驗(yàn)采用CRC16校驗(yàn)方法，校驗(yàn)碼生成多項(xiàng)式為：G(X)=X16+X12+X5+1校驗(yàn)初值為00H。

6 應(yīng)用效果及優(yōu)勢(shì)分析

綜上所述，基于dPMR標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)傳電臺(tái)的開發(fā)方法和功能實(shí)現(xiàn)都已基本完成，其實(shí)物電路板請(qǐng)參見附錄。從實(shí)際應(yīng)用效果上來(lái)看，采用本文論述的數(shù)字通信的數(shù)傳電臺(tái)通信質(zhì)量更好、電臺(tái)自身的頻率穩(wěn)定度更高、信道占有帶寬更窄、傳輸數(shù)據(jù)能力更強(qiáng)等，相比市面上采用模擬通信的數(shù)傳電臺(tái)在諸多方面都有著明顯的優(yōu)勢(shì)。

7 總結(jié)

結(jié)合目前的形勢(shì)來(lái)看，數(shù)字通信的數(shù)傳電臺(tái)目前雖然應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不及模擬通信電臺(tái)，但無(wú)論從安全角度還是通信性能來(lái)看，數(shù)字通信在國(guó)內(nèi)都將具有廣闊的發(fā)展空間及市場(chǎng)需求。因此，本文提出的開發(fā)方案在多個(gè)環(huán)節(jié)都有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)思維，具有較大的實(shí)際意義和研究?jī)r(jià)值，為將來(lái)類似的、可以推向市場(chǎng)進(jìn)行全面應(yīng)用的實(shí)際產(chǎn)品做了理論上、實(shí)踐上和技術(shù)上的鋪墊和準(zhǔn)備。

[1] 陳海飛,陳曦,林孝康. dPMR標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)[J].《電聲技術(shù)》2013.2 P30-P32.

[2] 陳湛. 數(shù)傳電臺(tái)的頻率合成技術(shù)及應(yīng)用[M].《中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)》2011.12

[3] 劉彩東,潘寶東,梁成松. 對(duì)私設(shè)數(shù)傳電臺(tái)的查處與思考[M].《中國(guó)無(wú)線電》2011.4 P62

[4] Hsu,Hui-Pin(Northridge, CA)Schaffner, James H. Channel-adaptive radio modemHRL Laboratories[C], LLC (Malibu, CA) 1999.8

[5] Anonymous.Radio Modem Module[C].Wireless Design & Development 2001.2 http://download.csdn.net/dow nload/dreamboy40599599/4907813 http://download.cs dn.net/download/dreamboy40599599/4907813

The Design of Radio Modem Based on Standard dPMR

Guo Hengze, Wang Lei
(Department of Control Science & Engineering,College of Electronic and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

This paper uses the methods of the embedded product development, introducing the development plan of the radio modem by digital signals from two aspects of hardware design and software development. Compared with the analog radio modem which shares the larger domestic market for present, the digital radio modem spectrum utilization rate is higher.It has better transmission quality and more reliable safety performance, and it must have a good application prospect and market value in the future. The paper mainly introduces the system framework and implementation, OS task module design as well as related communication protocols of the radio modem based on standard dPMR.It has innovation in many aspects of design and implementation method.

Radio Modem; dPMR; Hardware Design; Software Development

TP919

A

2014.06.19）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61075064，61034004，61005090康琦）；教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃項(xiàng)目（NCET-10-0633）；上海市金融信息技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題支持

郭衡澤（1990-），男，同濟(jì)大學(xué)，碩士研究生，研究方向：智能控制，上海，201804

汪 鐳（1970-），男，同濟(jì)大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：智能控制，上海，201804

1007-757X(2014)08-0001-03