一種數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

本文提出了一種在Windows平臺(tái)上基于USRP的數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)的計(jì)方案。首先簡(jiǎn)要介紹USRP及其開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)各種對(duì)比選擇在Windows平臺(tái)上利用VC來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后描述了USRP驅(qū)動(dòng)安裝，詳細(xì)分析了UHD重組的API函數(shù)接口，最后搭建數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)，采用DMR數(shù)字通信協(xié)議，利用USRP作為收發(fā)前端，在PC上通過(guò)串口RS232連接AMBE-1000語(yǔ)音板，通過(guò)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，證明了USRP在Windows平臺(tái)上開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單方便可行。

0引言

隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，人們?nèi)找嫫惹械匾髮?duì)講機(jī)具有諸如話音加密、數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控、聯(lián)網(wǎng)調(diào)度等功能，而且要求進(jìn)一步提高無(wú)線頻譜的利用率（信道間隔由過(guò)去的25kHz到現(xiàn)在的12.5kHz以及6.25kHz），數(shù)字通信技術(shù)在對(duì)講機(jī)及轉(zhuǎn)信臺(tái)等相關(guān)產(chǎn)品中的應(yīng)用也就迫在眉睫了[1][2].

數(shù)字對(duì)講機(jī)采用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，以數(shù)字編碼形式傳播。數(shù)字對(duì)講機(jī)與模擬對(duì)講機(jī)相比，語(yǔ)音清晰、接收通話信號(hào)穩(wěn)定，數(shù)字對(duì)講機(jī)不僅能實(shí)現(xiàn)模擬對(duì)講機(jī)基本業(yè)務(wù)：?jiǎn)魏?、組呼等功能，還具有調(diào)度臺(tái)核查呼叫、區(qū)域選擇、接入優(yōu)先、優(yōu)先呼叫、遲后進(jìn)入、預(yù)占優(yōu)先呼叫、偵聽(tīng)、動(dòng)態(tài)重組、監(jiān)聽(tīng)等補(bǔ)充業(yè)務(wù)[2].數(shù)字對(duì)講機(jī)是我國(guó)的移動(dòng)通信系統(tǒng)和設(shè)備中的最后一個(gè)由模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字的設(shè)備和系統(tǒng)。

本文提出了一種基于USRP的數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案在Windows平臺(tái)上，利用USRP作為收發(fā)前端，在PC機(jī)上通過(guò)串口RS232連接語(yǔ)音板，上層采用DMR數(shù)字通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

1 USRP介紹及系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選取

1.1USRP介紹

USRP（Universal Software Radio Peripheral，通用軟件無(wú)線電外設(shè)）旨在使普通計(jì)算機(jī)能像高帶寬的軟件無(wú)線電設(shè)備一樣工作。USRP是一個(gè)非常靈活的USB設(shè)備，包含一個(gè)小的母板，母板包含4個(gè)12bit/64M抽樣率的ADC，4個(gè)14bit/128M DAC，一個(gè)百萬(wàn)門的FPGA芯片和一個(gè)可編程的USB2.0控制器。每個(gè)USRP母板支持4個(gè)子板，2個(gè)接收，2個(gè)發(fā)射[3].它的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

如圖1所示，USRP通過(guò)USB2.0與處理器相連。接收器鏈從高度敏感、可接受微小信號(hào)的模擬前端開(kāi)始，然后使用直接下變頻將它們數(shù)字化為同相（I）和正交（Q）基帶信號(hào)。下變頻后有高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)DDC，用以降低采樣率并將I和Q打包傳輸?shù)街鳈C(jī)。發(fā)射器鏈從主機(jī)開(kāi)始，生成I和Q并通過(guò)USB2.0輸?shù)経SRP硬件，DUC為DAC準(zhǔn)備信號(hào)，然后I-Q進(jìn)行混合，直接上變頻信號(hào)以產(chǎn)生一個(gè)RF頻率信號(hào)，然后進(jìn)行信號(hào)放大與傳輸。

1.2開(kāi)發(fā)平臺(tái)選取

目前開(kāi)發(fā)USRP的工具有四種，分別是Linux品臺(tái)下的GNUradio，還有Windows平臺(tái)下的VC，Simulink，Labview.

GNU Radio是Linux上一個(gè)軟件無(wú)線電軟件，通過(guò)最小程度地結(jié)合硬件USRP，用軟件來(lái)定義無(wú)線電波發(fā)射和接收的方式，搭建無(wú)線電通信系統(tǒng)的開(kāi)源軟件系統(tǒng)[3].Labview是由NI提出的一款開(kāi)發(fā)USRP的工具，用戶可以開(kāi)發(fā)自定義的無(wú)線通信協(xié)議并且實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)行的物理層數(shù)字鏈路。但是目前Labview只支持USRP-292x.MATLAB和Simulink連接Ettus Reseach公司的USRP，可以提供無(wú)線電回路設(shè)計(jì)和建模環(huán)境。它是由德國(guó)KIT大學(xué)開(kāi)發(fā)的，只支持USRP2，還不是很完善。各個(gè)平臺(tái)之間對(duì)比：

通過(guò)表1可知，相對(duì)于Linux平臺(tái)而言，Windows平臺(tái)開(kāi)發(fā)更方便有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，Linux的操作比較復(fù)雜，Windows的比較簡(jiǎn)單，快速開(kāi)發(fā)；第二，Windows可視化的界面編輯器，方便開(kāi)發(fā)對(duì)講機(jī)的界面對(duì)話框；第三，Windows是微軟的東西，VC也是，自然會(huì)比其他公司的開(kāi)發(fā)工具在兼容性等各方面要好；第四，Linux速度比較快，安全性比Windows好，但是有很多軟件只能在Windows里運(yùn)行，與Linux兼容的軟件正在開(kāi)發(fā)中，不方便調(diào)用PC里面的API和外面接口。

而用VC開(kāi)發(fā)通信協(xié)議程序比較方便，USRP的通用驅(qū)動(dòng)UHD也是用VC開(kāi)發(fā)的，相比較與Simulink和Labview，在VC上開(kāi)發(fā)，更具優(yōu)勢(shì)，更適合本項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。并且Simulink和Labview都只支持USRP2，開(kāi)發(fā)還不是很成熟，工具也不方便[4][5].本次驗(yàn)證系統(tǒng)采用的是USRP1，USRP1采用的是USB2.0接口，相對(duì)于USRP2以太網(wǎng)接口簡(jiǎn)單方便，母版上采用的是Altera的FPGA芯片，容易開(kāi)發(fā)，并且價(jià)格便宜。所以，采用USRP1在Windows上用VC進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

2 USRP在Windows上開(kāi)發(fā)接口

UHD是由Ettus Resarch開(kāi)發(fā)的，為其產(chǎn)品提供宿主驅(qū)動(dòng)（host driver）和API.本次設(shè)計(jì)在Windows平臺(tái)下，采用UHD驅(qū)動(dòng)。在安裝UHD驅(qū)動(dòng)時(shí)，需要安裝cmake，Boost，libUSB等插件，然后解壓UHD源碼，通過(guò)cmake交叉編譯實(shí)現(xiàn)，可以得到UHD下面的各個(gè)項(xiàng)目工程。Boost和libUSB這兩個(gè)庫(kù)在cmake編譯中都需要進(jìn)行配置，否則編譯過(guò)不去。這些插件主要作用就是將UHD下面的Linux源代碼通過(guò)cmake等交叉編譯生成Windows下面的C代碼。

安裝好后可以連接上USRP，通過(guò)里面的測(cè)試實(shí)例，可以看到USRP是否正確連上。正確連上會(huì)顯示如下信息：圖中的參數(shù)是可配置的。

然后，我們就可以調(diào)用UHD下面的一些API函數(shù)，在本次項(xiàng)目中主要參考的就是底層的send（）和recv（）。里面的程序全是通過(guò)類來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在Windows平臺(tái)上，USRP提供的可配參數(shù)主要如表2所示。

但是send（）和recv（）收發(fā)不滿足DMR規(guī)定的要求，并且在進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換時(shí)，時(shí)序處理不過(guò)來(lái)。為了方便上層調(diào)用，將配置分為三部分，對(duì)UHD下面的接口函數(shù)進(jìn)行了重新封裝，如表3所示。

在configure（）里面主要是創(chuàng)建了一個(gè)USRP，它花時(shí)較長(zhǎng)，需要返回一些USRP的子板和母版信息，還要導(dǎo)入一些映像文件，所以采用單獨(dú)分開(kāi)配置，在程序調(diào)用之前配置一次就可以。configure_recv（）和configure_send（）主要是配置一些收發(fā)的具體參數(shù)，就是上面介紹的主要參數(shù)。這樣將配置分開(kāi)，是為收發(fā)轉(zhuǎn)換準(zhǔn)備的，方便上層調(diào)用。Mod_send（）主要負(fù)責(zé)將上層來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)制然后調(diào)用底層send（）將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，Demod_recv（）主要負(fù)責(zé)調(diào)用底層recv（）并將接收的數(shù)據(jù)解調(diào)返回給上層。

3收發(fā)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及測(cè)試

3.1系統(tǒng)平臺(tái)搭建

系統(tǒng)平臺(tái)基于軟件無(wú)線電的架構(gòu)，基帶處理部分按照DMR協(xié)議由軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括組幀、同步、信道接入、BPTC信道編碼等，這部分主要在PC機(jī)上完成。射頻部分由硬件模塊USRP完成，采用400M的射頻子板，與PC之間通過(guò)USB2.0進(jìn)行通信。語(yǔ)音模塊由AMBE-1000來(lái)完成，本次系統(tǒng)中語(yǔ)音板是插在一個(gè)51最小系統(tǒng)上，51最小系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)AMBE-1000語(yǔ)音板的驅(qū)動(dòng)和它與PC機(jī)之間的串口通信。具體系統(tǒng)架構(gòu)如圖3。

3.2DMR協(xié)議棧收發(fā)時(shí)序

在PC上主要主要完成的就是DMR通信協(xié)議，主要分為三層，物理層主要功能是：比特與符號(hào)定義、建立頻率同步和符號(hào)同步、構(gòu)成突發(fā)、對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)、實(shí)現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換等；數(shù)據(jù)鏈路層的主要功能是：突發(fā)和參數(shù)定義、組幀和幀同步、信道編碼、確認(rèn)和重傳機(jī)制、與兩層之間的接口等；呼叫控制層的主要功能是：BS激活與去激活、語(yǔ)音業(yè)務(wù)下的呼叫建立、呼叫保持、呼叫終止、單呼和群呼的發(fā)送與接收等[6].在本文中嚴(yán)格按照DMR協(xié)議規(guī)定的幀結(jié)構(gòu)和突發(fā)時(shí)序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，突發(fā)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

每個(gè)burst長(zhǎng)30ms，包含兩個(gè)108比特有效載荷和一個(gè)48比特同步或信令域，其中27.5ms承載264比特內(nèi)容，在傳輸語(yǔ)音時(shí)，可以利用兩個(gè)有效載荷共216比特承載60ms的壓縮語(yǔ)音信息。另外2.5s分布在左右兩邊，各占1.25s，這樣兩個(gè)突發(fā)就間隔2.5ms.在上行信道上，2.5ms間隔是保護(hù)間隔，作傳播時(shí)延和功率放大器的上升時(shí)間；在下信道上，2.5ms間隔用作CACH信道，用于傳送業(yè)務(wù)信道管理信息和低速信令。TDMA frame由兩個(gè)burst構(gòu)成，語(yǔ)音采集器每60ms采集一幀數(shù)據(jù)?；鶐幚砟K進(jìn)行基帶處理和中頻調(diào)制，處理時(shí)間小于60ms，其中包括數(shù)據(jù)收集和寫(xiě)入緩存的時(shí)間。USRP每30ms時(shí)間發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，與基帶模塊和中頻調(diào)制并行進(jìn)行，接收端作類似的處理。收發(fā)的時(shí)序轉(zhuǎn)換如圖5所示。

3.3系統(tǒng)測(cè)試

本次開(kāi)發(fā)的數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，可以正常進(jìn)行單呼，組呼語(yǔ)音通話，通話質(zhì)量較好。測(cè)試中系統(tǒng)采取主要參數(shù)在表2中已經(jīng)說(shuō)明，收發(fā)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示。

本文中對(duì)發(fā)送端得波形進(jìn)行了測(cè)試，圖7是一個(gè)突發(fā)的數(shù)據(jù)波形，圖8是一個(gè)TDMA幀的數(shù)據(jù)波形。可以看出，實(shí)際的測(cè)試波形比27.5ms多一點(diǎn)，這個(gè)是由USRP不穩(wěn)定帶來(lái)的，但一幀數(shù)據(jù)在上層嚴(yán)格控制在60ms，30ms進(jìn)行一次收發(fā)轉(zhuǎn)換，滿足DMR協(xié)議規(guī)定的格式。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)USRP的研究，選取在Windows平臺(tái)上，利用軟件無(wú)線電架構(gòu)搭建數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)。通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，USRP在Windows下開(kāi)發(fā)很方便，搭建的數(shù)字對(duì)講機(jī)收發(fā)系統(tǒng)能夠進(jìn)行清晰的單呼和組呼功能。