李玉峰,胡乃瑞,劉曉斌,徐宏偉

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,沈陽 110136;2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110035)

?

基于DCR標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計(jì)與仿真*

李玉峰1,2*,胡乃瑞1,劉曉斌3,徐宏偉3

(1.沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,沈陽 110136;2.東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京 210096;3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽 110035)

摘要:在專業(yè)無線通信領(lǐng)域,數(shù)字集群對講機(jī)是最重要的通信方式。本文針對日本的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)DCR,研究了4FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)中基帶信號處理的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),主要包括均方根余弦滾降濾波器、Isinc濾波器和幀同步檢測器的設(shè)計(jì)方法,給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果,分析了整個(gè)系統(tǒng)的誤碼率,仿真結(jié)果表明系統(tǒng)誤碼率接近理論值,可以滿足DCR標(biāo)準(zhǔn)的要求。

關(guān)鍵詞:DCR;4FSK;平方根升余弦滾降濾波器;Isinc濾波器;幀同步檢測器

近年來,模擬對講機(jī)技術(shù)上已經(jīng)十分成熟,在很長一段時(shí)間內(nèi)仍將占據(jù)對講機(jī)一定份額,但與模擬對講機(jī)相比,數(shù)字對講機(jī)具有很多優(yōu)勢,它將是對講機(jī)行業(yè)未來發(fā)展的趨勢[1]。在歐美市場,數(shù)字對講機(jī)已經(jīng)很普及,已經(jīng)出臺很多相關(guān)數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn),如DMR(Digital Mobile Radio),dPMR[2](Digital Private Mobile Radio)等標(biāo)準(zhǔn)。

國內(nèi)對講機(jī)產(chǎn)業(yè)一直集中在中低端市場,而且產(chǎn)品仍是以模擬對講機(jī)為主。2008年9月在深圳成立的“數(shù)字對講機(jī)聯(lián)盟”(簡稱“DRA”)正在制定國內(nèi)統(tǒng)一的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn),相信中國的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn)不久將要問世。

與此同時(shí)本文采用的DCR[3](Digital Convenience Radio)標(biāo)準(zhǔn),它是日本無線電工業(yè)協(xié)會(huì)2010年針對數(shù)字商業(yè)對講機(jī)市場制定的數(shù)字對講機(jī)標(biāo)準(zhǔn),目前符合DCR標(biāo)準(zhǔn)的芯片大都被外國壟斷,而且技術(shù)比較成熟,例如CML公司生產(chǎn)的CMX7141[4]。文中設(shè)計(jì)的DCR調(diào)制解調(diào)器對生產(chǎn)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)調(diào)制解調(diào)芯片意義重大,對開發(fā)符合中國標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字對講機(jī)芯片提供借鑒。

1　DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)ARIB STD-98提出的DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)采用4FSK調(diào)制解調(diào)方式,載波頻率是150 MHz或者400 MHz,信道間隔是6.25 kHz,信息傳輸速率是4.8 kbit/s,每一幀長度為80 ms。DCR標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)

1.1DCR調(diào)制過程

語音信號首先進(jìn)行組幀,然后經(jīng)過零點(diǎn)內(nèi)插,成形濾波器和Sinc函數(shù)濾波器,經(jīng)過D/A,最后由射頻模塊發(fā)送出去。具體過程如下:

(1)組幀:將語音信號按DCR標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行組幀,總共分為2種幀格式,同步脈沖SB0,通信用信道SC。

(2)零點(diǎn)內(nèi)插:對每一幀數(shù)據(jù)按DCR符號化準(zhǔn)則進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換,由二進(jìn)制變換為四進(jìn)制。設(shè)定每個(gè)符號周期采樣4個(gè)值,則在每2個(gè)原四電平信號之間等間隔插入3個(gè)零值點(diǎn)。

(3)成形濾波器和Sinc函數(shù)濾波器:成形濾波器[5]采用均方根升余弦滾降濾波器,其頻率響應(yīng)滿足升余弦特性?？梢詾V除高頻成分,限制信號的頻帶和降低碼間串?dāng)_。

1.2DCR解調(diào)過程

從射頻接收來的信號先經(jīng)A/D采樣,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,通過匹配濾波器,Isinc函數(shù)濾波器[6-7],抽樣判決器,最后通過幀同步檢測器[8]恢復(fù)出數(shù)字信號。

(1)匹配濾波器和Isinc函數(shù)濾波器:接收濾波器與調(diào)制過程的成形濾波器完全相同。Isinc函數(shù)濾波器采用切比雪夫等波紋濾波器[9-10]進(jìn)行設(shè)計(jì),可以有效減少碼間串?dāng)_,校準(zhǔn)波形。

(2)抽樣判決器:設(shè)定合適判決閾值恢復(fù)四電平信號,然后再轉(zhuǎn)換為二電平信號。

(3)幀同步檢測:查找每一幀數(shù)據(jù)的幀頭和幀同步字,確定幀起始位置后進(jìn)行解幀,恢復(fù)出原來數(shù)據(jù)。

本文主要研究工作是在調(diào)制解調(diào)器基帶信號處理部分的相關(guān)數(shù)字濾波器設(shè)計(jì),幀同步檢測器設(shè)計(jì),最后用MATLAB對設(shè)計(jì)的4FSK調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行誤碼率測試。

2　基帶信號處理的關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)DCR協(xié)議,基帶信號處理過程,主要包括4部分的設(shè)計(jì),分別是調(diào)制過程的成型濾波器、解調(diào)過程的匹配濾波器、Isinc函數(shù)濾波器、幀同步檢測器。

2.1成型濾波器與匹配濾波器的設(shè)計(jì)

DCR協(xié)議規(guī)定升余弦頻譜特性在發(fā)送濾波器和接收濾波器之間均等的劃分,則成型濾波器和匹配濾波器具有相同的頻率響應(yīng)如下:

(1)

其中T=416.7μs(2.4k符號/sec),滾降系數(shù)α=0.2.

根據(jù)上式濾波器的頻域響應(yīng)是有限的,其時(shí)域響應(yīng)是無限的,這樣的系統(tǒng)在現(xiàn)實(shí)中不可實(shí)現(xiàn)。因此,采用FIR濾波器的設(shè)計(jì)方法,對時(shí)域響應(yīng)h(t)進(jìn)行對稱截?cái)?、抽?得到相應(yīng)的FIR數(shù)字濾波器。本設(shè)計(jì)采用窗函數(shù)截?cái)?帶來的直接后果就是過渡帶變寬,碼間串?dāng)_增大。以下是矩形窗設(shè)計(jì)的FIR濾波器,截止頻率fc=1.2kHz,采樣速率為9.6kHz,階數(shù)N分別為11、21、31、41進(jìn)行比較,沖擊響應(yīng)如圖2所示。

由表1可以看出,階數(shù)N越大,濾波器碼間串?dāng)_越小,從其頻譜來看N越大,過渡帶越窄,阻帶最小衰減越大。但是N越大,實(shí)現(xiàn)起來越困難,綜合考慮后選擇N=31。

表1　不同階數(shù)濾波器的碼間串?dāng)_

2.2Isinc函數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)

由于基帶傳輸系統(tǒng)的輸入波形是4進(jìn)制的非歸零碼,為了能在抽樣點(diǎn)消除碼間串?dāng)_,將多電平信號變成窄脈沖,必須使該系統(tǒng)濾波響應(yīng)hⅢ(f)符合奈奎斯特第3準(zhǔn)則?；蛘邽V波響應(yīng)響應(yīng)為hⅠ(f)滿足奈奎斯特第1準(zhǔn)則與Isinc函數(shù)P(f)加權(quán)。其中Isinc濾波器稱為網(wǎng)孔均衡器。hⅢ(f)和hⅠ(f)關(guān)系如式(2)、式(3)所示:

hⅢ(f)=hⅠ(f)P(f)

(2)

(3)

其中T=416.7μs(2.4k符號/sec),滾降系數(shù)α=0.2。

圖2　平方根余弦滾降濾波器沖擊響應(yīng)

由于Isinc濾波器的時(shí)域表達(dá)式不是一個(gè)顯式,窗函數(shù)不能實(shí)現(xiàn),可采用最小二乘法或者等波紋線性相位FIR濾波器實(shí)現(xiàn)。本文采用切比雪夫等波紋濾波器。其主要運(yùn)用了Parks-McClellan算法他在多項(xiàng)式解上吸收了Remez交換算法。首先設(shè)定濾波器通帶和阻帶的波紋因子δ1和δ2,通帶截止頻率ωp和阻帶起始頻率ωs,利用式(4)估算出階數(shù)N。由于對N的近似最大誤差δ可能不等于δ2,即改變N的大小,直到最大波紋系數(shù)δ≤δ2為止。然后采用Parks-McClellan算法得到濾波器單位脈沖響應(yīng)h(n)。這樣,切比雪夫等波紋FIR濾波器就確定了。

(4)

圖3是利用MATLAB設(shè)計(jì)的Isinc函數(shù)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)階數(shù),其中N=31,ωp=1.44kHz,ωs=1.75kHz,δ2/δ1=40,Fs=9 600Hz。通帶抖動(dòng)0.3dB,阻帶衰減為40dB,過渡帶為0.31kHz。

圖3　Isinc函數(shù)FIR濾波器的沖擊響應(yīng)和頻率響應(yīng)

2.3幀同步檢測器的設(shè)計(jì)

在DCR系統(tǒng)下,信道中傳輸?shù)膸袷椒譃?種,通信信道(SC),同步脈沖(SB0)。通信信道(384 bit)是指用戶為了通信而使用的雙方向信道,由業(yè)務(wù)信道(TCH)、低速關(guān)聯(lián)控制信道(SACCH)及無線情報(bào)信道(RICH)所構(gòu)成。同步脈沖(384 bit)是指在通信用頻道中為了建立同步而被發(fā)送的信號。表2、表3為SC,SB0的幀格式組成。

表2　SC的幀格式組成表

表3　SB0的幀格式組成表

其中P:幀頭;SW:同步字;SACCH:低速關(guān)聯(lián)控制信道;RI:無線信息信道(RICH);PICH:參數(shù)信息信道;TCH1/2:業(yè)務(wù)信道。協(xié)議中規(guī)定,幀頭(P)的后18 bit和幀同步字(SW)的20 bit共計(jì)38 bit,解調(diào)時(shí)進(jìn)行幀同步確定。通常情況下,P=(5775 FD)16,SW=(CDF5 9)16。

本文設(shè)計(jì)的幀同步檢測器,是將38 bit的幀同步字存儲(chǔ)起來。取每一幀數(shù)據(jù)的前50個(gè)數(shù)據(jù),與本地存儲(chǔ)的38 bit進(jìn)行滑動(dòng)相乘求和運(yùn)算,從而可以確定一個(gè)最大值的位置,在這個(gè)位置向后減去37就是幀同步字開始位置,如圖4(a)所示。確定了同步字的起始位置,就可以進(jìn)行解幀。需要注意的是,進(jìn)行幀同步檢測時(shí),允許有兩位同步碼錯(cuò)誤,那么在本設(shè)計(jì)中設(shè)置最大值閾值為25,如果最大值小于25,將判定沒有檢測到幀同步字,如圖4(b)所示。

由圖4可以看出,經(jīng)過相關(guān)運(yùn)算后,只有一個(gè)峰值出現(xiàn),而且該峰值與周圍值相差很大,易分辨。

圖4　幀同步檢測峰值的位置

4　調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)性能仿真

整個(gè)4FSK系統(tǒng)在MATLAB下進(jìn)行仿真,對接收信號的誤碼率(BER)進(jìn)行分析。發(fā)送仿真:經(jīng)過濾波器后四電平基帶信號,D/A轉(zhuǎn)換后采用直接調(diào)頻,通過高斯白噪聲的信道。解調(diào)仿真:采用相干解調(diào),經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換和FIR濾波器之后進(jìn)行抽樣判決,恢復(fù)出二進(jìn)制信號。

根據(jù)MFSK相干解調(diào)BER估計(jì)方法[12],理論的BER為:

(5)

相干解調(diào)的理論BER曲線如圖5所示。

解調(diào)時(shí)抽樣判決仿真采用最大似然檢測算法,即計(jì)算出當(dāng)接收信號分別是發(fā)送信號集合(+3,+1,-1,-3)的后驗(yàn)概率,其中后驗(yàn)概率最大的即為最大似然檢測判決輸出符號。根據(jù)發(fā)送的信號與接收信號,計(jì)算出仿真BER。仿真得到的BER與理論BER進(jìn)行比較,結(jié)果如圖5所示。

圖5　BER仿真值和BER理論值

圖5中平滑曲線是經(jīng)過理論計(jì)算得到誤碼率,圓點(diǎn)直線是經(jīng)過仿真恢復(fù)的信號誤碼率,由上圖可以看出仿真的BER和理論BER比較接近,符合DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)基本要求。

5　結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng),首先從基帶信號處理濾波器入手,實(shí)現(xiàn)了平方根余弦滾降FIR濾波器,充分考慮了碼間串?dāng)_和實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度,用最簡單的窗函數(shù)方法實(shí)現(xiàn)直接型FIR濾波器。同時(shí)用切比雪夫等波紋逼近法設(shè)計(jì)Isinc濾波器,有效的降低了濾波器采樣點(diǎn)數(shù),以及在邊界頻率的控制上更加準(zhǔn)確。根據(jù)DCR標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的幀同步檢測器,設(shè)計(jì)算法簡單,分辨率高,實(shí)現(xiàn)容易。

整個(gè)DCR調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)在MATLAB下進(jìn)行了性能仿真,仿真的誤碼率與公式推導(dǎo)得出的BER接近。最后在自己搭建軟件無線電平臺下,將計(jì)算機(jī)中基帶信號處理模塊與硬件的語音編碼器、射頻模塊、數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行聯(lián)調(diào),實(shí)現(xiàn)了簡單的DCR數(shù)字對講機(jī)。

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李玉峰(1969-),男,漢族,吉林省德惠市人,沈陽航空航天大學(xué)教授,東南大學(xué)移動(dòng)通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后,主要研究方向?yàn)闊o線通信、圖像處理與傳輸,li_yufeng@126.com;

胡乃瑞(1987-),男,漢族,遼寧省瓦房店市人,沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院,碩士,主要研究方向?yàn)樾畔@取與處理,hunairu2007@126.com;

劉曉斌(1964-),女,遼寧省北鎮(zhèn)人,中航工業(yè)電磁環(huán)境效應(yīng)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,高級工程師,主要研究方向?yàn)殡姶偶嫒菖c天線設(shè)計(jì),neemc@126.com;

徐宏偉(1975-),男,吉林農(nóng)安人,中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,高級工程師,主要研究方向?yàn)檐娪蔑w機(jī)電磁兼容性設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證,xhw607@tom.com。

DesignandSimulationofModulationandDemodulationModuleBasedonDCRStandards*

LIYufeng1,2*,HUNairui1,LIUXiaobin3,XUHongwei3

(1.College of Electronics and Information Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China; 2.National Mobile Communications Research Laboratory,Southeast University,Nanjing 210096,China;3.Aeronautic Science Key Laboratory of Electromagnetic Environment Effect,AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute,Shenyang 110035,China)

Abstract:In the special wireless communications field,digital trunking interphone is the most important means of communication.In this paper,the several key technologies of baseband signal processing are studied in 4FSK modulation and demodulation module based on the Japanese DCR standard.The work includes the design methods of square-root raised cosine FIR filter,inversed sinc(Isinc)filter and frame sync detector.The corresponding simulation results are given and the bit error rate(BER)of the entire system modules is analyzed.The simulation results show that the bit error rate of the system is close to the theoretical value,and able to meet the demand of DCR standards.

Key words:DCR;4FSK;square-root raised cosine filters;isinc filters;frame sync detector

doi:EEACC:125010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.013

中圖分類號:TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0640-05

收稿日期:2013-08-29修改日期:2013-09-26

項(xiàng)目來源:航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20122654004);遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013024008);江蘇省博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(1101077C)