DMR通信協(xié)議與數(shù)字對(duì)講機(jī)基帶模塊 的設(shè)計(jì)

引 言

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)、DSP、ARM等處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于通信行業(yè)，尤其是在無(wú)線通信領(lǐng)域更是有其不可替代的作用。本設(shè)計(jì)中所用的核心器件MSP430FG4619是TI公司推出的MCU，TMS320VC5510(簡(jiǎn)稱(chēng)“VC5510”)是TI公司的5000系列DSP，而語(yǔ)音編解碼芯片AMBE一2000也是以DSP為內(nèi)核的。無(wú)線對(duì)講機(jī)由于具有即時(shí)通信、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、成本低廉、使用方便以及無(wú)需通信費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)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(méi)有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況，對(duì)講機(jī)更加顯示出它的不可取代的地位。如今，模擬對(duì)講機(jī)仍然占據(jù)絕大部分的市場(chǎng)，但是由于數(shù)字通信可以提供更豐富的業(yè)務(wù)種類(lèi)，更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量、保密特性和連接性，以及更高的頻譜效率，因此數(shù)字對(duì)講機(jī)的研究、生產(chǎn)和使用是與時(shí)俱進(jìn)的，符合信息化、數(shù)字化發(fā)展的必然趨勢(shì)。DMR(Digital Mobile Radi0，數(shù)字移動(dòng)無(wú)線電)協(xié)議是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(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(jiǎn)要介紹DMR協(xié)議使用一種雙時(shí)隙TMDA接入的方式，每個(gè)突發(fā)2個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙30 ms。其中每個(gè)時(shí)隙都有1．5 ms的保護(hù)時(shí)間。DMR協(xié)議結(jié)構(gòu)遵守一種普通的分層結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)適用于描述參考資料和說(shuō)明分層的通信結(jié)構(gòu)。DMR標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)及系統(tǒng)工作原理DMR數(shù)字對(duì)講機(jī)的基帶模塊硬件整體設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。（圖略）整個(gè)基帶系統(tǒng)的核心器件為信號(hào)處理器件和控制器件。其中，信號(hào)處理器件選擇TI公司的DSP芯片VC5510，控制器件為T(mén)I公司的MSP430FG4619單片機(jī)。DSP的主要功能自然是數(shù)字信號(hào)的處理，本設(shè)計(jì)中VC5510實(shí)現(xiàn)信令編解碼、語(yǔ)音數(shù)據(jù)的收發(fā)(與AMBE一2000)的通信、幀同步、4FSK調(diào)制解調(diào)等功能。MCU是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，人機(jī)接口(鍵盤(pán)、顯示)與MCU直接相連。MSP430FG4619實(shí)現(xiàn)與射頻模塊的通信(包括基帶信號(hào)發(fā)送接收、射頻頻點(diǎn)控制、信道檢測(cè)等)，DMR協(xié)議的高層控制(信令)，人機(jī)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(jī)口，具有豐富的片內(nèi)外圍資源，有豐富的定時(shí)器、各類(lèi)串口、顯示驅(qū)動(dòng)、AD／DA等功能，通用端口也可對(duì)位進(jìn)行操作。語(yǔ)音編解碼器件為AMBE一2000，內(nèi)核其實(shí)也是DSP。它是一種采用MBE(AMBE)算法的高性能多速率語(yǔ)音編解碼芯片，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字語(yǔ)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(diǎn)，編解碼速率選擇為3．6kbps。與AMBE一2000相連的AD／DA轉(zhuǎn)換器選擇為AD73311，其兼容性非常好，廣泛用于完成語(yǔ)音信號(hào)的模擬／數(shù)字互相轉(zhuǎn)換。MSP430FG4619FG4619自帶的AD／DA與射頻接口相連，完成最終基帶信號(hào)的數(shù)字／模擬相互轉(zhuǎn)換。信令與語(yǔ)音的通信機(jī)理是不一樣的：信令發(fā)送端由人機(jī)接口發(fā)起，通過(guò)MCU組幀，送往DSP編碼，再交由MCU進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換，經(jīng)射頻模塊發(fā)送出去；接收端的信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU的A／D轉(zhuǎn)換后送往DSP進(jìn)行解碼，解碼成幀后送往MCU進(jìn)行處理。而語(yǔ)音的編解碼完全由AMBE一2000來(lái)實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)DSP中轉(zhuǎn)，由MCU進(jìn)行發(fā)送或接收。3 關(guān)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(qiáng)主機(jī)接口(EHPI)，因此可以直接將主機(jī)接口的相應(yīng)引腳與MCU相連。其中HINT為送往主機(jī)的中斷，必須為MCU中具有中斷功能的通用I／O口，設(shè)計(jì)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(hào)，始終有效。HMODE為復(fù)用／非復(fù)用選擇信號(hào)，低電平為復(fù)用模式。HlBE0和HBE1用來(lái)選擇高的字節(jié)數(shù)據(jù)有效，本設(shè)計(jì)中接地，表示高低字節(jié)均有效(16位)。HR／W確定HPI的讀／寫(xiě)模式。HCNTL0、HCNTL1聯(lián)合用來(lái)確定主機(jī)訪問(wèn)HPI的哪個(gè)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(jī)(DSP)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)。HINT用于從機(jī)(DSP)中斷主機(jī)(MCU)。MCU可以通過(guò)與HPI相連的相應(yīng)引腳直接訪問(wèn)DSP的片內(nèi)RAM，是一種DMA模式，而無(wú)需DSP參與，真正體現(xiàn)了主機(jī)一從機(jī)模式。在主機(jī)訪問(wèn)從機(jī)片內(nèi)資源時(shí)，從機(jī)可以獨(dú)立地執(zhí)行其他任務(wù)。主機(jī)需要從機(jī)響應(yīng)時(shí)(有信令發(fā)往DSP)，MCU可以通過(guò)訪問(wèn)DSP的主機(jī)控制寄存器HPIC的特定位來(lái)向DSP發(fā)送一個(gè)中斷；從機(jī)DSP需要主機(jī)響應(yīng)時(shí)(向MCU發(fā)送信令)，也可以通過(guò)HINT引腳來(lái)中斷主機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，這種連接方法方便有效，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)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(guò)多通道緩沖串口(McBSP)來(lái)連接。而AMBE一2000的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好信號(hào)EPR應(yīng)該連到DSP的一個(gè)外部中斷INT3上。這部分的電路連接如圖4所示。設(shè)計(jì)中，AMBE一2000采用主動(dòng)模式，因此AMBE一2000的發(fā)送幀同步信號(hào)(CHAN_TX_STRB)由自己提供，其他的時(shí)鐘均由DSP提供。串口時(shí)鐘頻率應(yīng)當(dāng)?shù)陀? MHz。
3．3 AD／DA功能在前期的設(shè)計(jì)中，AD／DA功能是使用專(zhuān)門(mén)的芯片來(lái)實(shí)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(lái)實(shí)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(hào)、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(gè)既方便又實(shí)用的方法。4 軟件簡(jiǎn)要總體設(shè)計(jì)由于分為信令線和語(yǔ)音線這兩條線，因此軟件設(shè)計(jì)也應(yīng)圍繞這兩條線分別設(shè)計(jì)：協(xié)議的底層部分由VC5510來(lái)完成，主要實(shí)現(xiàn)信令的編碼／解碼、4FSK調(diào)制解調(diào)、幀同步以及時(shí)隙；高層部分則完全是在MCU中實(shí)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(shí)現(xiàn)。底層模塊完全在VC5510之中完成，而高層模塊則在MSP430FG4619中實(shí)現(xiàn)。VC5510與MSP430FG4619的開(kāi)發(fā)工具分別為CCS和IAR，均可以使用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，另外IAR還可以使用C++語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，因此軟件編寫(xiě)就不會(huì)顯得陌生。結(jié) 語(yǔ)實(shí)驗(yàn)證明，本文所提供的設(shè)計(jì)方案是可行的，并且在之前的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了比較大的簡(jiǎn)化。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用新型通信協(xié)議DMR，并在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種數(shù)字對(duì)講機(jī)的整個(gè)基帶模塊。本文的DMR數(shù)字對(duì)講機(jī)基帶模塊設(shè)計(jì)為我國(guó)的數(shù)字對(duì)講機(jī)領(lǐng)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(chǔ)上的數(shù)字對(duì)講機(jī)行業(yè)必將蒸蒸日上。