主頁（http://www.www.jjxinkai.com）：基于USRP的DMR物理層研究和驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 摘要：DMR(Digital Mobile Radio)是ETSI在2004年提出的集群通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，作為從模擬通信到數(shù)字通信過渡的橋梁，已經(jīng)得到了廣泛的使用。本文基于軟件無線電思想，提出了基于DMR協(xié)議的數(shù)字對(duì)講機(jī)的解決方案，并通過驗(yàn)證系統(tǒng)的物理鏈路的搭建、以及語音單呼、語音組呼DMR標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)對(duì)解決方案的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。系統(tǒng)中用到的關(guān)鍵技術(shù)如4CP-FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)、碼元同步與幀同步、基帶信號(hào)處理等，各模塊單獨(dú)封裝，弱耦合，豐富了軟件無線電系統(tǒng)的波形組件庫，也可作為軟核便于集成或者復(fù)用到其他系統(tǒng)中。 本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/145480.htm前言 DMR集群通信系統(tǒng)由ETSI在2004年提出[1] 與歐洲的TETRA標(biāo)準(zhǔn)[2]、北美的iDEN標(biāo)準(zhǔn)[3]、國內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的GoTa標(biāo)準(zhǔn)和GT800標(biāo)準(zhǔn)并列為全球主流的集群通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。DMR系統(tǒng)較上述幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)復(fù)雜性更低，性價(jià)比更高[4-5]。DMR支持從模擬到數(shù)字的平滑過度。DMR三層協(xié)議棧如圖1所示，最底層是物理層，中間層是數(shù)據(jù)鏈路層，最上層是呼叫控制層，從上層應(yīng)用類型開分，DMR系統(tǒng)可分為用戶平面和控制平面。  空中接口物理層主要功能模塊包括4CP-FSK調(diào)制解調(diào)，收發(fā)轉(zhuǎn)換，RF特性，比特與符號(hào)定義，頻率同步、符號(hào)同步和突發(fā)構(gòu)成等;數(shù)據(jù)鏈路層被分成了兩部分，在用戶面負(fù)責(zé)處理沒有標(biāo)上地址的用戶信息;在控制面負(fù)責(zé)傳輸信令信息。控制層主要負(fù)責(zé)控制通話，提供DMR支持的不同業(yè)務(wù)類型，包括短數(shù)據(jù)和分組數(shù)據(jù)服務(wù)等。DMR數(shù)字系統(tǒng)完整解決方案一直研究熱點(diǎn)，解決方案圍繞著易實(shí)現(xiàn)，可復(fù)用性強(qiáng)等特點(diǎn)展開。在本論文中，我們結(jié)合軟件無線電的優(yōu)勢(shì)與DMR系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了DMR數(shù)字對(duì)講機(jī)整體解決方案，包括協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)，低層接收機(jī)與發(fā)射機(jī)，不同模塊間接口定義，模塊間解耦。在物理層中主要實(shí)現(xiàn)基帶信息處理和中頻調(diào)制解調(diào)，其中涵蓋了物理層關(guān)鍵技術(shù)。論文[6]對(duì)4FSK進(jìn)行闡述，本解決方案使用相位連續(xù)的頻移鍵控調(diào)制方式。 全數(shù)字DMR解決方案 系統(tǒng)構(gòu)圖 軟件無線電是用現(xiàn)代軟件來操縱、控制傳統(tǒng)的“純硬件電路”的無線通信[7]。全數(shù)字DMR解決方案基于軟件無線電的架構(gòu)，系統(tǒng)框圖見圖2。主要由語音編解碼、DMR協(xié)議處理、射頻前端三部分組成。其中語音編解碼采用AMBE USB-3000;DMR協(xié)議處理采用通用處理器實(shí)現(xiàn);射頻前端采用USRP。AMBE USB-3000語音模塊，USRP射頻發(fā)射機(jī)與接收機(jī)模塊。  其中處理器完成DMR三層協(xié)議處理，USB-3000完成低速率的語音壓縮，USRP(Universal Software Radio Peripheral)，通用軟件無線電外圍設(shè)備[8]由高速信號(hào)處理的FPGA母板和可更換的覆蓋不同頻率的子板兩個(gè)組件，負(fù)責(zé)射頻終端發(fā)射與接收，USRP與處理器通過USB總線相連，處理器中自動(dòng)配置和調(diào)用已封好的API函數(shù)使用USRP。處理器與USB-3000語音壓縮模塊通過USB總線連接。 物理層關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn) 本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/145480.htm中頻調(diào)制解調(diào) DMR采用的4CP-FSK調(diào)制方式屬于4FSK調(diào)制方式中的一種，4FSK是采用基帶信號(hào)控制載波的頻率傳送信息，如信號(hào)“-3”可以用頻率f_0傳送，信號(hào)“-1”可以用頻率f_1傳送，信號(hào)“1”可用頻率f_2傳送，信號(hào)“3”可用頻率f_3傳送。頻移鍵控包括兩種，一種為相位連續(xù)頻移鍵控(CPFSK)，即傳送不同的信號(hào)時(shí)，相位連續(xù)，通過連續(xù)相位調(diào)制(CPM)實(shí)現(xiàn);另一種為非連續(xù)相位頻移鍵控(DFSK)。CPM是恒包絡(luò)相位連續(xù)調(diào)制方之一，本身兼具編碼增益，窄主瓣、快速滾降和恒包絡(luò)等特點(diǎn)，廣泛使用于軍事和專用通信領(lǐng)域[9]。
一般CPM信號(hào)定義如公式(1)所示：
其中Ts是符號(hào)周期，E是符號(hào)能量，fs是載波頻率，在本系統(tǒng)中中頻為10kHz，上變頻后為400MHz，φ(t,a)是瞬時(shí)相位，φ0是初始相位，a代表符號(hào)的進(jìn)制，a∈{±1，±3.±…，±(M-1)}，φ(t,a)表達(dá)式見公式(2)。
其中T為脈沖周期，g(t)為脈沖函數(shù)。對(duì)公式(1)進(jìn)行離散化，設(shè)定 對(duì)4CP-FSK調(diào)制后信號(hào)進(jìn)行相干解調(diào)，相干解調(diào)流程見圖3。
兩路正交信號(hào)I(nTs )，Q(nTs)求反正切可以得到φ(nTs)，然后把相位調(diào)整到 碼元同步和幀同步 碼元同步 碼元不同步是由于發(fā)送端時(shí)鐘與接收端時(shí)鐘不匹配導(dǎo)致的。在接收端的一個(gè)符號(hào)周期中不易確定最佳采樣時(shí)刻，如果隨機(jī)取一個(gè)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)，往往會(huì)導(dǎo)致采樣點(diǎn)為非最佳采樣點(diǎn)，即與最佳采樣點(diǎn)偏離。圖3黑色曲線為匹配濾波后數(shù)據(jù)，藍(lán)點(diǎn)為在一個(gè)符號(hào)周期的隨機(jī)采樣點(diǎn)，可以看出隨機(jī)采樣往往偏離最佳采樣點(diǎn)。 對(duì)于發(fā)端8倍插值，收端進(jìn)行匹配濾波后每個(gè)符號(hào)周期有8個(gè)采樣點(diǎn)，符號(hào)同步結(jié)果只有8種可能。假設(shè)在一個(gè)符號(hào)周期中采樣點(diǎn)的位置為ψε{1，2，3，4，5，6，7，8}。發(fā)端與收端頻偏較小，且一幀數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間為30ms，假設(shè)一幀中的所有符號(hào)周期內(nèi)的同步位置相對(duì)不變。同步算法在不同幀之間一直處于運(yùn)行狀態(tài)，具體的同步過程如圖4所示。 
在同步開始時(shí)，本地時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后送到同步算法模塊，計(jì)算同步時(shí)鐘。一幀數(shù)據(jù)總共有132個(gè)符號(hào)周期(發(fā)端進(jìn)行了8倍插值)越多的符號(hào)周期考慮在內(nèi)結(jié)果越精確，但若把132個(gè)符號(hào)周期都考慮在內(nèi)會(huì)導(dǎo)致計(jì)算復(fù)雜度過高，只每一幀隨機(jī)選其中N個(gè)(在本仿真中N=5)符號(hào)周期，以保證算法準(zhǔn)確性，對(duì)這8*N個(gè)采樣點(diǎn)的值，總共同步的情況為8種，對(duì)于每一種可能性，對(duì)采樣點(diǎn)的值通過硬判決算法進(jìn)行判決。對(duì)N個(gè)符號(hào)周期中每個(gè)符號(hào)周期同一采樣點(diǎn)位置的采樣值與硬判決值求差值，這代表著該采樣點(diǎn)位置與判決符號(hào)值偏差，差值圖樣最小的那個(gè)采樣點(diǎn)位置的值，取為本幀同步采樣點(diǎn)位置。具體偏差值圖樣的計(jì)算見公式(5)，假設(shè)隨機(jī)算法得到的符號(hào)周期集合為Ω。
其中s(k+i*8)指一個(gè)符號(hào)周期中第k點(diǎn)采樣值，kεψ，i∈{0,1,2,……,131}指一幀中符號(hào)周期的下標(biāo)。其中硬判決函數(shù)的計(jì)算方式如下： 通過求得偏差圖樣的最小值，來確定準(zhǔn)同步位置，產(chǎn)生本地采樣時(shí)鐘，在一幀內(nèi)都采取這個(gè)同步時(shí)鐘。 取一幀數(shù)據(jù)，隨機(jī)取其中的5個(gè)符號(hào)周期的數(shù)進(jìn)行同步算法運(yùn)算，得到的錯(cuò)誤圖樣如圖5所示，從錯(cuò)誤圖樣可以得看出在符號(hào)采樣點(diǎn)位置為4的位置為最佳同步位置。 幀同步 DMR幀同步通過同步突發(fā)中的同步碼實(shí)現(xiàn)。語音幀、數(shù)據(jù)幀、信令幀都包含各自的同步碼，不同類型突發(fā)所包括的同步碼見表4.1，表中只以下行的語音與數(shù)據(jù)同步碼為例。同步碼總長(zhǎng)為48bit，處在突發(fā)的中間位置。在進(jìn)行MS到BS或MS到MS通信時(shí)，終端會(huì)先找到對(duì)方發(fā)來的同步碼，以確保信道的建立。  語音信號(hào)以超幀形式傳輸，超幀的組幀由數(shù)據(jù)鏈路層完成，一個(gè)語音超幀由A~F六幀(360ms)組成，見圖6，在語音超幀傳輸開始有LC(LC Header)頭突發(fā)標(biāo)志語音傳輸?shù)拈_始，如果傳輸?shù)恼Z音數(shù)據(jù)需要加密則在LC頭后有一個(gè)PI(PI Header)頭突發(fā)用于標(biāo)示語音傳輸加密，對(duì)于直通或單/雙頻BS轉(zhuǎn)發(fā)模式在超幀傳輸結(jié)束有一個(gè)語音結(jié)束LC terminator標(biāo)示，而一般超幀則由最后一個(gè)突發(fā)的數(shù)據(jù)表示該語音幀的結(jié)束。 
對(duì)于檢測(cè)同步碼的具體做法是，在收端用本地同步序列與收到的序列逐次進(jìn)行相關(guān)，然后檢測(cè)相關(guān)系數(shù)是否大于某閾值。假設(shè)本地?cái)?shù)據(jù)同步碼為x(n)，在收到數(shù)據(jù)流之中，取與同步碼長(zhǎng)度相等的數(shù)據(jù)，即48比特?cái)?shù)據(jù)，記為y(n)。求兩者的相關(guān)系數(shù)如下式： 當(dāng)相關(guān)系數(shù)的值大于某閾值時(shí)，表示檢測(cè)到某同步碼。對(duì)于閾值，則需要通過實(shí)驗(yàn)值來設(shè)定，可以隨機(jī)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，然后與本地的同步碼計(jì)算出相關(guān)系數(shù)的值，得到不同相關(guān)系數(shù)時(shí)的分布圖，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果見圖7所示，隨機(jī)產(chǎn)生了100萬個(gè)數(shù)據(jù)，對(duì)這100萬數(shù)據(jù)依次取48bit與本地的語音同步碼組做相關(guān)系數(shù)運(yùn)算，存儲(chǔ)所有的相關(guān)系數(shù)，然后畫出CDF曲線。從圖中可以看出，基本上相關(guān)系數(shù)為0.85的時(shí)候，概率就基本上為零了，所以可以設(shè)置同步上時(shí)相關(guān)系數(shù)閾值為0.85，為了增加冗余，設(shè)置閾值為0.90。  從系統(tǒng)的誤碼率中也可以知道，這個(gè)閾值設(shè)置也是合理的。 驗(yàn)證系統(tǒng) DMR全數(shù)字驗(yàn)證系統(tǒng)實(shí)物圖見圖8，左右兩側(cè)均為具有收發(fā)功能的終端。此系統(tǒng)經(jīng)過測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)DMR規(guī)定的單呼、組呼、廣播業(yè)務(wù)，且通話清晰，具體通話范圍和USRP的發(fā)射功率有關(guān)。在處理器中實(shí)現(xiàn)的DMR基帶處理各個(gè)模塊可以作為軟件模塊的方式進(jìn)行封閉，以供其它系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。系統(tǒng)的參數(shù)見表2。  結(jié)論 本文主要針對(duì)物理層的研究和DMR驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，物理層中也只是對(duì)關(guān)鍵部分進(jìn)行具體的研究，如中頻調(diào)制解調(diào)，碼元同步和幀同步等。在碼元同步中提出新算法，通過接收到的符號(hào)周期信息中的采樣數(shù)據(jù)信息進(jìn)行同步，而不是通過增加前導(dǎo)碼進(jìn)行同步。給出了搭建全數(shù)字DMR驗(yàn)證系統(tǒng)，能夠進(jìn)行完整的單呼和組呼業(yè)務(wù)演示。本論文驗(yàn)證系統(tǒng)以軟模塊構(gòu)成，調(diào)制解調(diào)、碼元同步、信道編碼等都實(shí)現(xiàn)了模塊封裝，可以軟核形式復(fù)用到其它系統(tǒng)中，本文系統(tǒng)架構(gòu)是一個(gè)通用的軟件無線電架構(gòu)，可推廣到其它無線通信相關(guān)協(xié)議的驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)： (中國集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮) |
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，可以得到
間，最后進(jìn)行差分運(yùn)算后可得到m(n)。
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