郭衡澤，汪鐳

基于dPMR標準的數(shù)傳電臺設計

郭衡澤，汪鐳

運用嵌入式產(chǎn)品開發(fā)方法，從硬件設計和軟件開發(fā)兩方面闡述了采用數(shù)字信號的無線數(shù)傳電臺的開發(fā)方案。相對于目前國內(nèi)市場占有率較大的模擬數(shù)傳電臺，數(shù)字數(shù)傳電臺頻譜利用率更高，具有更好的傳輸質(zhì)量和更為可靠的安全性能，未來必將會有良好的應用前景和市場價值。重點介紹了基于dPMR標準數(shù)傳電臺的系統(tǒng)架構(gòu)與實現(xiàn)、OS任務模塊設計以及相關通信協(xié)議制定等內(nèi)容，在諸多方面都有創(chuàng)新的設計應用和實現(xiàn)方法。

數(shù)傳電臺；dPMR；硬件設計；軟件開發(fā)

0 引言

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

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

1 工作原理及系統(tǒng)架構(gòu)

由于數(shù)據(jù)信號是一種脈沖信號，而脈沖信號所占用的頻譜十分豐富。如果脈沖信號像語音信號一樣直接送去窄帶超短波電臺的發(fā)射機調(diào)制，那么由于電臺發(fā)射機及接收機的帶寬的限制，脈沖信號在傳輸過程中頻譜會大量丟失，產(chǎn)生很大的失真、衰落，從而導致數(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，這種直接調(diào)制的方式就完全不可取了。為了實現(xiàn)在無線信道上的可靠、高速的數(shù)據(jù)傳輸，就必須在常規(guī)的超短波調(diào)頻電臺內(nèi)部植入一個調(diào)制解調(diào)器（MODEM）[3]，發(fā)送數(shù)據(jù)時通過該MODEM的調(diào)制器把脈沖信號（即數(shù)據(jù)信號）轉(zhuǎn)換成模擬信號，接收時則正好經(jīng)歷一個相反的過程，通過MODEM的解調(diào)器把接收到的模擬信號還原成脈沖信號。數(shù)傳電臺系統(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，專為嵌入式應用開發(fā)設計。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、語音編解碼器接口控制等功能，并提供了CMX816芯片接口用于語音編解碼，方便數(shù)傳電臺功能的升級和拓展。無線通信射頻收發(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[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。鑒于設計需求以及功能實現(xiàn)等條件，運行環(huán)境選取uc/os-II。uc/os-II是一種小巧的實時操作系統(tǒng)，具有搶占式的資源分配機制、體積小、資源占用少等特點，特別適合在資源有限的微控制器上使用[5]。

3 硬件模塊設計

硬件的功能實現(xiàn)主要可分為數(shù)據(jù)、信號的接收與發(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將每一時段接收到的射頻信號進行解調(diào)，發(fā)送至CMX7141。CMX7141將打包好的dPMR數(shù)據(jù)進行解析，之后發(fā)送給MCU，然后通過串口與基板進行通信，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實現(xiàn)了dPMR標準的編/解碼、組幀、4FSK調(diào)制等工作，減少了CPU的負荷。在收到幀同步信號后，CMX7141從幀中提取與dPMR標準相關的協(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、封裝面積最小的對講機RF射頻芯片，通過低中頻接收機和直接上變頻發(fā)射機架構(gòu)，以單芯片集成替代了傳統(tǒng)方案中數(shù)百個分立器件和集成電路，大幅簡化了電路設計、降低了BOM成本。

在電臺工作工程中，RDA1846實現(xiàn)了將基帶信號調(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解調(diào)為CMX7141可讀取信號的功能。

4 軟件模塊設計

4.1模塊匯總

數(shù)傳電臺中繼系統(tǒng)模塊名稱功能簡述串口通信模塊 接收時解析串口通信協(xié)議幀格式、發(fā)送時按照協(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)動層，OS層，應用層如圖4所示：

圖4 軟件分層結(jié)構(gòu)圖

驅(qū)動層：主要完成外設硬件驅(qū)動功能，包括MCU片內(nèi)外設和片外外設。

OS層：即實時操作系統(tǒng)uC/OS-II。

應用層：定義了上層的應用，分別使用相應的線程來完成。主要包括：串口通信，空口通信及DEBUG。

4.3 OS模塊設計

OS模塊的設計中使用的任務有三個：Air Interface Task， Serial Task，Debug Task，如圖5所示：

圖5 OS系統(tǒng)任務狀態(tài)圖

4.3.1 Air Interface Task模塊設計

Air Interface Task主要用來完成空口發(fā)送和接收?？湛诘慕邮胀ㄟ^外部中斷來觸發(fā)。發(fā)送是由串口任務觸發(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模塊設計

Serial Task主要用來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模塊設計

Debug Task主要用完成其他Task的啟動和事件掃描。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個起始位，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位構(gòu)成，無奇偶校驗。

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，處理時去掉一個DLE字符。

3）基本幀格式如圖6所示：

圖6 基本幀格式

注：

A. “信息長度”表示從“源端口”開始到“CRC”結(jié)束的字節(jié)數(shù)。B. “CRC校驗”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，主機端口代碼為01H。D.命令數(shù)據(jù)分為“主機至數(shù)傳模塊”和“數(shù)傳模塊至主機”兩部分。E. “數(shù)據(jù)”的內(nèi)容由各承載業(yè)務類型單獨規(guī)定，最大不超過250個字節(jié)。F. “CRC校驗”內(nèi)容從“信息長度”到“數(shù)據(jù)”結(jié)束的全部內(nèi)容。

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

6 應用效果及優(yōu)勢分析

綜上所述，基于dPMR標準的數(shù)傳電臺的開發(fā)方法和功能實現(xiàn)都已基本完成，其實物電路板請參見附錄。從實際應用效果上來看，采用本文論述的數(shù)字通信的數(shù)傳電臺通信質(zhì)量更好、電臺自身的頻率穩(wěn)定度更高、信道占有帶寬更窄、傳輸數(shù)據(jù)能力更強等，相比市面上采用模擬通信的數(shù)傳電臺在諸多方面都有著明顯的優(yōu)勢。

7 總結(jié)

結(jié)合目前的形勢來看，數(shù)字通信的數(shù)傳電臺目前雖然應用范圍遠不及模擬通信電臺，但無論從安全角度還是通信性能來看，數(shù)字通信在國內(nèi)都將具有廣闊的發(fā)展空間及市場需求。因此，本文提出的開發(fā)方案在多個環(huán)節(jié)都有創(chuàng)新的設計思維，具有較大的實際意義和研究價值，為將來類似的、可以推向市場進行全面應用的實際產(chǎn)品做了理論上、實踐上和技術上的鋪墊和準備。

[1] 陳海飛,陳曦,林孝康. dPMR標準調(diào)制解調(diào)器設計[J].《電聲技術》2013.2 P30-P32.

[2] 陳湛. 數(shù)傳電臺的頻率合成技術及應用[M].《中國高新技術企業(yè)》2011.12

[3] 劉彩東,潘寶東,梁成松. 對私設數(shù)傳電臺的查處與思考[M].《中國無線電》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）

國家自然科學基金項目（61075064，61034004，61005090康琦）；教育部新世紀人才計劃項目（NCET-10-0633）；上海市金融信息技術研究重點實驗室開放課題支持

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

汪 鐳（1970-），男，同濟大學，教授，博士生導師，研究方向：智能控制，上海，201804

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