DMR通信協(xié)議與數(shù)字對講機基帶模塊設計

引 言
    隨著嵌入式技術的發(fā)展，單片機、DSP、ARM等處理器已經廣泛應用于通信行業(yè)，尤其是在無線通信領域更是有其不可替代的作用。本設計中所用的核心器件MSP430FG4619是TI公司推出的MCU，TMS320VC5510(簡稱“VC5510”)是TI公司的5000系列DSP，而語音編解碼芯片AMBE一2000也是以DSP為內核的。
    無線對講機由于具有即時通信、經濟實用、成本低廉、使用方便以及無需通信費等優(yōu)點，因此廣泛應用在民用、緊急事件處理等方面。尤其在緊急事件處理以及沒有手機網絡覆蓋的情況，對講機更加顯示出它的不可取代的地位。如今，模擬對講機仍然占據(jù)絕大部分的市場，但是由于數(shù)字通信可以提供更豐富的業(yè)務種類，更好的業(yè)務質量、保密特性和連接性，以及更高的頻譜效率，因此數(shù)字對講機的研究、生產和使用是與時俱進的，符合信息化、數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢。DMR(Digital Mobile Radi0，數(shù)字移動無線電)協(xié)議是歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)于2004年所提出的一種新型的數(shù)字集群通信協(xié)議，具有很好的發(fā)展前途。

1 DMR通信協(xié)議的簡要介紹
    DMR協(xié)議使用一種雙時隙TMDA接入的方式，每個突發(fā)2個時隙，每個時隙30 ms。其中每個時隙都有1．5 ms的保護時間。DMR協(xié)議結構遵守一種普通的分層結構，這種結構適用于描述參考資料和說明分層的通信結構。DMR標準定義了一種模型草案，把模型分成3層，如圖1所示。

2 整體設計及系統(tǒng)工作原理
    DMR數(shù)字對講機的基帶模塊硬件整體設計原理框圖如圖2所示。

    整個基帶系統(tǒng)的核心器件為信號處理器件和控制器件。其中，信號處理器件選擇TI公司的DSP芯片VC5510，控制器件為TI公司的MSP430FG4619單片機。
    DSP的主要功能自然是數(shù)字信號的處理，本設計中VC5510實現(xiàn)信令編解碼、語音數(shù)據(jù)的收發(fā)(與AMBE一2000)的通信、幀同步、4FSK調制解調等功能。
    MCU是整個系統(tǒng)的控制中心，人機接口(鍵盤、顯示)與MCU直接相連。MSP430FG4619實現(xiàn)與射頻模塊的通信(包括基帶信號發(fā)送接收、射頻頻點控制、信道檢測等)，DMR協(xié)議的高層控制(信令)，人機接口互通等功能。MSP430FG4619是TI公司推出的一種超低功耗的16位單片機口，具有豐富的片內外圍資源，有豐富的定時器、各類串口、顯示驅動、AD／DA等功能，通用端口也可對位進行操作。
    語音編解碼器件為AMBE一2000，內核其實也是DSP。它是一種采用MBE(AMBE)算法的高性能多速率語音編解碼芯片，用于實現(xiàn)對數(shù)字語音數(shù)據(jù)的編碼及解碼，其編解碼速率可以硬件、軟件控制，根據(jù)DMR協(xié)議的需要以及AMBE一2000的特點，編解碼速率選擇為3．6kbps。與AMBE一2000相連的AD／DA轉換器選擇為AD73311，其兼容性非常好，廣泛用于完成語音信號的模擬／數(shù)字互相轉換。MSP430FG4619FG4619自帶的AD／DA與射頻接口相連，完成最終基帶信號的數(shù)字／模擬相互轉換。
    信令與語音的通信機理是不一樣的：信令發(fā)送端由人機接口發(fā)起，通過MCU組幀，送往DSP編碼，再交由MCU進行D／A轉換，經射頻模塊發(fā)送出去；接收端的信號經過MCU的A／D轉換后送往DSP進行解碼，解碼成幀后送往MCU進行處理。而語音的編解碼完全由AMBE一2000來實現(xiàn)，經過DSP中轉，由MCU進行發(fā)送或接收。

3 關鍵模塊電路連接原理
3．1 MCU與DSP之間的連接
    由于VC5510具有增強主機接口(EHPI)，因此可以直接將主機接口的相應引腳與MCU相連。其中HINT為送往主機的中斷，必須為MCU中具有中斷功能的通用I／O口，設計中選擇P1．3，其他引腳可以為一般的GPIO。其電路連接原理圖如圖3所示。

    HCS為片選信號，始終有效。HMODE為復用／非復用選擇信號，低電平為復用模式。HlBE0和HBE1用來選擇高的字節(jié)數(shù)據(jù)有效，本設計中接地，表示高低字節(jié)均有效(16位)。HR／W確定HPI的讀／寫模式。HCNTL0、HCNTL1聯(lián)合用來確定主機訪問HPI的哪個寄存器：地址寄存器HPIA、數(shù)據(jù)寄存器HPID、控制寄存器HPIC。HRDY為從機(DSP)數(shù)據(jù)準備好信號。HINT用于從機(DSP)中斷主機(MCU)。
    MCU可以通過與HPI相連的相應引腳直接訪問DSP的片內RAM，是一種DMA模式，而無需DSP參與，真正體現(xiàn)了主機一從機模式。在主機訪問從機片內資源時，從機可以獨立地執(zhí)行其他任務。主機需要從機響應時(有信令發(fā)往DSP)，MCU可以通過訪問DSP的主機控制寄存器HPIC的特定位來向DSP發(fā)送一個中斷；從機DSP需要主機響應時(向MCU發(fā)送信令)，也可以通過HINT引腳來中斷主機。實驗證明，這種連接方法方便有效，可以實現(xiàn)無差錯通信。
3．2 DSP與AMBE一2000的連接
    VC5510與AMBE一2000之間可以方便地通過多通道緩沖串口(McBSP)來連接。而AMBE一2000的數(shù)據(jù)準備好信號EPR應該連到DSP的一個外部中斷INT3上。
    這部分的電路連接如圖4所示。

    設計中，AMBE一2000采用主動模式，因此AMBE一2000的發(fā)送幀同步信號(CHAN_TX_STRB)由自己提供，其他的時鐘均由DSP提供。串口時鐘頻率應當?shù)陀? MHz。
3．3 AD／DA功能
    在前期的設計中，AD／DA功能是使用專門的芯片來實現(xiàn)的，與DSP相連。但是由于DSP資源緊張，再加上成本的考慮，決定使用MSP430FG4619自帶的AD／DA功能來實現(xiàn)，其中MSP430FG4619的ADC和DAC都是12位的，有16路ADC通道和2路DAC通道。采樣參考電壓、采樣率、采樣觸發(fā)信號、采樣模式等都很豐富，可以軟件編程控制。因此，使用MCU自帶的AD／DA功能是一個既方便又實用的方法。

4 軟件簡要總體設計
    由于分為信令線和語音線這兩條線，因此軟件設計也應圍繞這兩條線分別設計：協(xié)議的底層部分由VC5510來完成，主要實現(xiàn)信令的編碼／解碼、4FSK調制解調、幀同步以及時隙；高層部分則完全是在MCU中實現(xiàn)的。
    明確了“兩條線”體現(xiàn)出模塊化的思路，有助于軟件的實現(xiàn)。底層模塊完全在VC5510之中完成，而高層模塊則在MSP430FG4619中實現(xiàn)。VC5510與MSP430FG4619的開發(fā)工具分別為CCS和IAR，均可以使用C語言來編寫，另外IAR還可以使用C++語言來編寫，因此軟件編寫就不會顯得陌生。

結 語
    實驗證明，本文所提供的設計方案是可行的，并且在之前的設計方案基礎上進行了比較大的簡化。本文的創(chuàng)新點在于使用新型通信協(xié)議DMR，并在其基礎上設計了一種數(shù)字對講機的整個基帶模塊。本文的DMR數(shù)字對講機基帶模塊設計為我國的數(shù)字對講機領域的研發(fā)提供了一種新的思路和方法。相信DMR協(xié)議以及在此基礎上的數(shù)字對講機行業(yè)必將蒸蒸日上。