主頁(yè)（http://www.www.jjxinkai.com）：DMR數(shù)字集群關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究 摘要：DMR(Digital Mobile Radio)是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)于2004年提出的新型數(shù)字集群通信系統(tǒng)，與TETRA系統(tǒng)和iDEN系統(tǒng)相比具有技術(shù)簡(jiǎn)單，產(chǎn)品成本較低的優(yōu)點(diǎn)，并且支持從模擬到數(shù)字的過(guò)渡。DMR的發(fā)展無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外都處于起步階段。本文的主要工作是，通過(guò)發(fā)送已知數(shù)據(jù)，經(jīng)E4438C調(diào)制后，通過(guò)信道機(jī)，由接收端進(jìn)行信號(hào)處理，對(duì)解調(diào)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步定時(shí)和抽樣判決，從而對(duì)誤碼率進(jìn)行優(yōu)化。 引言 隨著無(wú)線電通信技術(shù)的發(fā)展、人們對(duì)無(wú)線通信質(zhì)量要求的提高以及頻譜資源的日益缺乏，數(shù)字專用無(wú)線通信設(shè)備必將面臨巨大的市場(chǎng)需求。目前，在全球范圍內(nèi)對(duì)數(shù)字專用無(wú)線通信設(shè)備的需求不斷增加，特別是公共安全部門(mén)。可以看到，數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)將成為未來(lái)專用無(wú)線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。 數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)概況 數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)介紹 數(shù)字集群通信系統(tǒng)[1]是指數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)，數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)發(fā)展迅速，主要應(yīng)用于集團(tuán)調(diào)度指揮通信。該系統(tǒng)的可用信道能被系統(tǒng)的全體用戶共用，且具有自動(dòng)選擇信道功能，是共享資源、分擔(dān)費(fèi)用、共享信道設(shè)備和服務(wù)的多用途、高效能的無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)。 與公眾蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)相比，專用無(wú)線通信系統(tǒng)具有呼叫接續(xù)快，組群內(nèi)用戶共享前向信道、半雙工通信方式、PTT方式、支持私密呼叫和群組呼叫等特點(diǎn)。由于專用無(wú)線通信系統(tǒng)具備特有的調(diào)度功能、組呼功能和快速呼叫的特性，因此在專業(yè)通信領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用[2]。 數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)[3]
1)可以更好地利用頻譜資源。與蜂窩數(shù)字技術(shù)類(lèi)似，數(shù)字專用無(wú)線通信系統(tǒng)可以在一條指定的信道上裝載更多用戶，提高頻譜利用率; 關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案 4FSK調(diào)制
DMR協(xié)議采用4FSK調(diào)制，是一種恒包絡(luò)調(diào)制。調(diào)制時(shí)每秒發(fā)送4800個(gè)符號(hào)，其中每個(gè)符號(hào)攜帶兩比特的信息，最大頻偏D定義如下： h代表每個(gè)特殊調(diào)制的頻偏系數(shù)，定義為0.27;T代表符號(hào)周期,為(1/4800)s。根據(jù)公式可計(jì)算出最大頻偏D為1.944kHz。 表1列出了特定符號(hào)與頻偏的對(duì)應(yīng)關(guān)系[4]。  4FSK調(diào)制器由一個(gè)平方根升余弦濾波器級(jí)聯(lián)一個(gè)頻率調(diào)制器組成[4]，如圖1所示。  可見(jiàn)4FSK調(diào)制模塊分為兩部分，第一部分是成型濾波模塊，該模塊包括映射、插值以及成型濾波，產(chǎn)生四電平的基帶帶限信號(hào)m(n)作為調(diào)制信號(hào);第二部分是調(diào)頻部分(FM)。基帶調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程如圖2所示。  成型濾波器的設(shè)計(jì)是該部分的關(guān)鍵，在實(shí)際的通信系統(tǒng)中，平方根升余弦濾波器可以通過(guò)在發(fā)射端和接收端使用同樣的平方根升余弦濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)成型濾波。方案中采用E4438C來(lái)實(shí)現(xiàn)4FSK調(diào)制。 4FSK解調(diào) 和調(diào)制過(guò)程相逆，解調(diào)的過(guò)程也分為兩部分：第一部分是正交差分解調(diào)，由4FSK調(diào)頻信號(hào)恢復(fù)四進(jìn)制的基帶信號(hào);第二部分根據(jù)基帶信號(hào)恢復(fù)原始碼元信息，包括匹配濾波、抽樣判決、反映射等模塊。接收端基帶信號(hào)的處理如圖3所示。  其中匹配濾波器采用與發(fā)端相同的平方根升余弦滾降濾波器;抽樣判決需要找到合適的抽判位置并建立位定時(shí)信息，而且還要確定合適的門(mén)限。抽判位置的確定可以通過(guò)相關(guān)運(yùn)算找出同步碼的起始位置后進(jìn)行推算。 正交差分解調(diào)過(guò)程如圖4所示。同調(diào)制過(guò)程中的內(nèi)插濾波相對(duì)應(yīng)，正交解調(diào)過(guò)程中需要在滿足奈奎斯特定力的前提下對(duì)高采樣率的信號(hào)進(jìn)行抽取，降低采樣率，減小運(yùn)算量。 基帶成型濾波技術(shù)
成型濾波器的設(shè)計(jì)是能否正確恢復(fù)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，DMR系統(tǒng)采用的是平方根升余弦滾降濾波器，同時(shí)也采用相同的濾波器作為接收端的匹配濾波器。平方根升余弦滾降濾波器[5-7]頻率響應(yīng)如下：
由式可以得到平方根升余弦滾降濾波器時(shí)域表達(dá)式： 可見(jiàn)平方根升余弦滾降濾波器的時(shí)域表達(dá)式是一個(gè)無(wú)窮階數(shù)系數(shù)對(duì)稱的FIR濾波器。實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)其進(jìn)行截?cái)啵丛诶碚摰臅r(shí)域表達(dá)式上加矩形窗，可得到相應(yīng)逼近的FIR數(shù)字濾波器。 用Matlab軟件進(jìn)行平方根升余弦濾波器的設(shè)計(jì)非常方便，調(diào)用firrcos函數(shù)即可得到濾波器系數(shù)：h=firrcos(N，F(xiàn)c，a，F(xiàn)s，‘sqrt’)。其中N是濾波器階數(shù);Fc是理想低通濾波器的截止頻率，為符號(hào)率的1/2;a為滾降系數(shù);Fs為采樣率。根據(jù)DMR系統(tǒng)的要求，設(shè)定Fc=4800/2=2400Hz，a=0.2，F(xiàn)s=4800*10，N的取值可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更改，這里采用了10倍的采樣速率，考慮MATLAB的計(jì)算能力及測(cè)試信號(hào)信噪比的不同，階數(shù)N也會(huì)有所不同。這里也可以用Matlab自帶的工具箱進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)信道機(jī)的帶內(nèi)平坦度不是很好，因此在信道機(jī)的接收端設(shè)計(jì)了一個(gè)具有補(bǔ)償作用的補(bǔ)償濾波器去補(bǔ)償信道機(jī)的信號(hào)平坦度。 幀同步技術(shù) 在數(shù)字通信中，信號(hào)流是用若干碼元組成一個(gè)幀。在接收這些數(shù)字信息時(shí)，必須知道這些幀的起止時(shí)刻，否則接收端無(wú)法正確恢復(fù)信息。為了使接收端能正確分離各路信號(hào)，在發(fā)送端必須提供每幀的起止標(biāo)記，在接收端檢測(cè)并獲取這一標(biāo)志的過(guò)程，稱為幀同步[2]。接收時(shí)還需要知道每個(gè)碼元的起止時(shí)刻，以便在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)刻進(jìn)行抽樣判決。 DMR系統(tǒng)采用集中插入特殊同步碼組的方法進(jìn)行幀同步，接收端按幀的周期連續(xù)數(shù)次檢測(cè)該特殊碼組，便可獲得幀同步信息。方案中所使用的是已知的特殊同步碼組：7F 7D 5D D5 7D FD，該碼組具有尖銳單峰的自相關(guān)函數(shù)、漏同步概率小;便于與信息碼區(qū)別、假同步概率小;碼長(zhǎng)適當(dāng)，可以保證傳輸效率。DMR系統(tǒng)對(duì)采用的幀同步碼組有嚴(yán)格的規(guī)定：幀同步碼組插入在幀的中心位置，并且對(duì)于輸入輸出語(yǔ)音、數(shù)據(jù)或控制信息，由不用的幀同步碼組來(lái)區(qū)分。 抽樣判決 抽樣判決是在同步之后，屬于解調(diào)的一部分。抽樣判決需要找到合適的抽樣判決位置并建立位定時(shí)信息，而且還要確定合適的門(mén)限。抽樣判決位置的確定可以通過(guò)相關(guān)運(yùn)算找出同步碼的起始位置進(jìn)行推算，具體方法如下：在本地存儲(chǔ)48bit同步碼對(duì)應(yīng)的波形，然后將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)和接收波形進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運(yùn)算，即將對(duì)應(yīng)點(diǎn)相乘累加。當(dāng)本地波形與接收波形的同步碼對(duì)應(yīng)上時(shí)能獲得最大相關(guān)值，返回出現(xiàn)該相關(guān)峰的位置，然后將該位置減去同步碼之前的符號(hào)數(shù)與每符號(hào)采樣點(diǎn)數(shù)M的乘積即可得到第一個(gè)判決位置，之后每隔M點(diǎn)就是一個(gè)抽判點(diǎn)。門(mén)限的確定則可以根據(jù)接受眼圖來(lái)劃分，判決點(diǎn)之間的間隔是10，門(mén)限電平可根據(jù)需要自己進(jìn)行調(diào)整。 在解調(diào)抽樣判決時(shí)，同樣是+3的采樣值，由于前后數(shù)據(jù)不同，信號(hào)在經(jīng)過(guò)濾波器濾波之后，對(duì)應(yīng)的幅度信息就會(huì)產(chǎn)生一定程度的改變，例如前后都是+3，那么當(dāng)前這個(gè)+3的幅度就會(huì)比較高，如果前后都是-3，那么當(dāng)前這個(gè)-3的幅度就會(huì)被拉低。因此在對(duì)信號(hào)進(jìn)行抽樣判決的時(shí)候，本方案對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整，采用一種動(dòng)態(tài)調(diào)整判決門(mén)限的判決方法，使采樣值前后的幅度對(duì)該幅度的影響降到最低，從而有效地優(yōu)化了誤碼率，提高了通信質(zhì)量。這是本方案在解調(diào)抽樣判決上做的改進(jìn)，下面的測(cè)試結(jié)果會(huì)進(jìn)一步驗(yàn)證改進(jìn)的可行性。 測(cè)試結(jié)果分析 同步測(cè)試結(jié)果 本方案分別對(duì)功率為-20dbm、-50dbm、-80dbm、-100dbm、-105dbm的信號(hào)進(jìn)行了誤碼率測(cè)試，一般情況下，功率越小，信噪比越小，誤碼率越高。圖5~9是不同功率信號(hào)的同步相關(guān)性，由圖可以看出同步相關(guān)性較高，這是定位同步位置和抽樣判決的基礎(chǔ)。    誤碼率測(cè)試結(jié)果 接收端在進(jìn)行誤碼性能測(cè)試中，測(cè)試信號(hào)的長(zhǎng)度均為50幀，將接收端解調(diào)出的信號(hào)和發(fā)送端的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，不同的則定義為誤碼，從而得出誤碼率。圖10是MATLAB的誤碼率性能測(cè)試曲線的對(duì)比圖。  結(jié)論 通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以得出該方案中的同步算法具有準(zhǔn)確性和通用性，在調(diào)試中對(duì)抽樣判決進(jìn)行了調(diào)整，從而使得系統(tǒng)誤碼率得到了進(jìn)一步的優(yōu)化，驗(yàn)證了該方案的可行性，在工程實(shí)踐中具有很好的實(shí)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)：
[1] 鄭祖輝,陸錦華,鄭嵐.數(shù)字集群移動(dòng)通信系統(tǒng)[M].電子工業(yè)出版社,2005:1-121 (中國(guó)集群通信網(wǎng) | 責(zé)任編輯：陳曉亮) |
