基于DCR标准的数字对讲机系统设计*

李玉峰,杨　君,刘晓斌,徐宏伟

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;2.东南大学移动通信国家重点实验室,南京 210096;3.中航工业沈阳飞机设计研究所电磁环境效应航空科技重点实验室,沈阳 110035)



基于DCR标准的数字对讲机系统设计*

李玉峰1,2*,杨君1,刘晓斌3,徐宏伟3

(1.沈阳航空航天大学电子信息工程学院,沈阳 110136;2.东南大学移动通信国家重点实验室,南京 210096;3.中航工业沈阳飞机设计研究所电磁环境效应航空科技重点实验室,沈阳 110035)

摘要:研究了DCR标准的信源编码算法——AMBE算法和信道编码算法——删除卷积码,采用AMBE3000声码器和数字专网移动通信专用芯片CMX7141设计了一款遵从DCR标准的数字对讲机系统。并对所设计的DCR数字对讲机机系统进行仿真和实验验证。实验结果表明:该系统在保证通信的有效性和可靠性的基础上,具有较高的语音通信质量。

关键词:数字对讲机;DCR标准;AMBE算法;删除卷积码

随着人们对通信质量要求越来越高,在频谱资源日益紧张的今天,模拟制式越发显得力不从心,于是模拟对讲机到数字对讲机转变成为现在迫切的需求。目前,数字对讲机发展较为成熟的有美国、日本和欧洲。美国主要由美国公众安全通信官员协会(APCO)第25计划委员会和电信工业协会(TIA)共同制定的APCO_25标准。欧洲电信标准委员会(ETSI)推出DMR(Digital Mobile Radio)和dPMR(digital Private Mobile Radio)数字对讲机标准[1-2]。DCR(Digital Convenience Radio)协议是日本由ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)针对数字商业对讲机市场推出的数字对讲机标准,是在dPMR基础之制定的,其现行标准为ARIB STD-98[3]。

CMX7141[4]是CML半导体公司推出的用于数字专网移动通信的专用芯片。是一款适用于ARIB STD-T98 DCR标准的4FSK调制解调芯片。它可以实现DCR标准中数据链路层和呼叫控制层的大部分功能。AMBE-3000TM[5]是与CMX7141兼容的声码器芯片,AMBE-3000TM声码器采用DVSI公司的专利AMBE+2TM语音编码压缩算法的声码器。目前,数字对讲机、中转台及集群通信中广泛运用语音压缩技术,世界知名通信企业摩托罗拉、ICOM、KENWOOD,国内海能达等大型通信公司的数字产品中几乎都采用AMBE声码器,正在开发的数字对讲机中有不少公司也采用这种先进的语音压缩技术。

本文研究了基于AMBE3000的信源编码技术和基于CMX7141信道编码技术,设计一款遵从DCR标准的数字对讲机,并实现通信功能,获得了较好的通信质量。

1　DCR系统的信源编码

信源编码的主要目的一是将信号变换为适合于数字通信系统处理和传送的数字信号形式(A/D转换);另一个目的是提高通信的有效性,尽可能地减少原信息中的冗余度,使单位时间或单位系统频带上所传的信息量最大(压缩编码)。目前在移动通信系统中,语音信号是主要的处理对象,移动通信对语音编码的要求是:

(1)码率低、语音质量高;

(2)抗噪声和抗干扰能力强;

(3)编译码延时小,总延时在65 ms以内;

(4)编译码复杂度低,便于大规模集成化;

(5)功耗小,便于应用于手持台。

语音编码分为波形编码、参量编码、混合编码3类,波形编码在较高比特速(16 kbits/s～64 kbits/s)下可以获得相当好的话音质量,但对于低速(低于16 kbit/s)语音编码波形编码的语音质量显著下降,所以不适合频谱资源紧张的移动通信系统。参量编码可实现低速语音编码(速率可达2 kbits/s～4.8 kbit/s),但语音质量只能达到中等。而混合编码吸收了上述2种编码的优点。且DCR系统对语音编码算法不做规定,只规定编码速率规定为3.6 kbit/s,这样在设计对讲机系统时,对语音编码算法的选择更有优势。

DCR采用一种混合编码算法——AMBE算法。AMBE是基于MBE[6]技术的低比特率、高质量的改进语音压缩算法,该技术在低比特率压缩系统中能提供极优的语音质量,却对指令执行速度和存储器容量的要求大大降低,在背景噪声和信道误码方面也有极强的鲁棒性,比基于线性预测编码的CELP、RELP、VSELP、LPC-10等要优越[7-8],编译码延时小,编码和解码算法的总延时为62 ms。

如图1所示,MBE算法原理框图,多带激励(MBE)语音编码方案突破了二元激励的局限性,它将语音谱按各基因谐波频率分成若干个带,对各带信号分别判断是浊音(V),还是清音(U)。然后根据各带信号判决结果,采用不同激励信号产生其合成信号,最后将各带合成信号相加,得到全带合成语音。AMBE引入了语音分析与合成及矢量量化编码的新算法。其编码基本过程为:输入的原始语音信号是8 kHz采样,160 bit量化线性PCM语音信号,首先经过一个一阶的无线冲激响应(IIR)高通滤波器,滤除语音信号中的直流偏置,然后进行参数估计,每帧估计一套语音参数,帧长为160样点。先估计基因周期,由此可以对激励谱分带,对每带进行清/浊音判决,最后再计算各谐波带的幅度谱。

MBE模型合成语音的方法主要有频域合成法和时域合成法,频域合成法先用收到的参数构成重建语音谱,然后利用傅里叶反变换得到时域序列。这种方法比较直接但不能保证合成语音的基因周期的平滑变化,特别当帧长比较长的时候会产生基因周期跳变,使合成语音不自然。时域合成法能利用插值实现帧与帧之间的基因周期的平滑过渡,合成出更自然的语音。因此AMBE算法采用时域合成法,AMBE算法将浊音和清音成分分开合成,最后将它们相加,形成完整的合成语音。

图1　MBE算法原理框图

2　DCR系统的信道编码

信道编码是以提高信息传输的可靠性为目的的编码。与信源编码正好相反,通常信道编码通过增加信源的冗余度来实现。采用的一般方法是增大码率或带宽。DCR协议中的信道编码方案包括CRC、删除卷积码、交织技术。如图2所示,DCR标准中的信道编码方案。

2.1CRC

循环冗余校验码是数据通信领域中最常用的一种差错校验码,因其信息字段和校验字段的长度可以任意选定,使用起来较为灵活。且其编解码方式较为简单,在实际的通信系统中,一般用它来检错。在DCR系统中所使用的CRC为:

(1)CRC-6,生成多项式为:g(x)=x6+x5+x2+x+1,用于慢速随路信道(SACCH)数据的生成;

(2)CRC-12,生成多项式为:g(x)=x12+x11+x3+x2+x+1,用于业务信道(TCH)和参数信息信道(PICH)。

CRC编码过程为:

(1)用xn-k乘以消息多项式m(x);

(2)用生成多项式g(x)除xn-km(x)得到余式b(x)(校验位多项式);

(3)构成码字多项式c(x)=xn-km(x)+b(x)。

图2　DCR协议中的信道编码方案

译码过程也可分为3步:

(1)将接收码字多项式r(x)除以生成多项式g(x),得到伴随多项式s(x);

(2)由s(x)确定错误图样e(x);

(3)将r(x)与g(x)进行模2加,纠正错误。

2.2删除卷积码

删除卷积码[9-10]的构成主要是卷积码删除位置的选择,通常删除是周期、有规律地进行的。这样产生的删除卷积码序列也就成了一个周期时变序列。删除位置通常用删余图样来表示,删余图样中的“0”表示该数字对应的比特被删除,“1”则保留。删余图样不是唯一的,但对于不同的情况存在最优的删余图样。

DCR系统采用(2,1,5)卷积码的删除卷积码进行纠错,(2,1,5)卷积码的规定码率为1/2,因为码率为1/2的卷积码的编码器码率较低,会产生一倍于原数据的冗余数据。而通过删余的方法可以从该卷积码得到其他码率的编码,从而提高码率。删除卷积码通过对输出码字中某些特定位置码元予以删除,在接收端译码时再用特定的码元在这些位置上进行填充,然后再进行译码。DCR协议中对不同的业务信道规定了不同的删余图样。

其中(2,1,5)卷积码的生成多项式为:G1(D)=1+D3+D4,G2(D)=1+D+D2+D4;

删除卷积码可以实现不同的码率需求,而且在保证可靠性的前提下,可以提高传输的效率。又因其编解码较为简单,纠错性能较好,因而得到广泛的应用。

2.3交织

实际移动通信环境是极其恶劣的,多径效应造成快衰落和地形、阴影效应造成慢衰落产生了移动信道特有的“长突发”误码形式,使通信的可靠性大大降低,使误码率提高,严重影响了移动信道的质量和有效信道容量。为提高数字通信系统的性能,信道编码和交织是通常采用的方法。对于衰落信道中的随机错误,可以采用信道编码,而对于衰落信道中的突发错误,则可以采用交织。交织是在发送端,对编码器输出的符号序列进行有规律的重新排列之后,再进入信道传输;在接收端解调器输出的符号流必须进行解交织,恢复原来的编码输出的符号流顺序。通常交织有矩阵块交织、卷积交织和似随机交织等多种实施方式,在DCR系统中,采用较简单的矩阵块交织。在DCR系统中,SACCH信道采用交织深度为5的矩阵块交织,TCH/PICH采用交织深度为9的矩阵块交织。

3　基于DCR的数字对讲机设计

3.1总体设计方案

如图3所示为本文基于DCR标准所设计的数字对讲机系统,选用CML半导体公司生产的4FSK调制解调芯片和DVSI公司生产的语音压缩编码芯片AMBE3000。

图3　基于DCR标准的数字对讲机系统

DCR数字对讲机的发送过程为:由麦克风输入的语音信号经CMX7141内部的A/D转换成数字信号,然后送给AMBE3000进行语音编码和压缩,在CPU的控制下,CMX7141按照DCR标准进行调制和信道编码,然后经射频部分发射出去。

其接收过程为:接收到的射频信号,通过CMX7141进行解调和信道解码,在CPU的控制下,送给AMBE3000进行语音解压缩,再送给CMX7141进行D/A转换,最后送给Speaker发出声音。

3.2基于AMBE3000信源编码的设计

图4为AMBE-3000TM内部功能框图,AMBE-3000TM是美国DVSI公司研制的一款成熟的双工声码器芯片,该芯片采用AMBE+2TM算法,编码速率为2.0 kbit/s～9.6 kbit/s,当速率为2.0 kbit/s时,仍然具有较高的可懂度和自然度。用户可以自主的选择语音和FEC的速率,选择既可以通过硬件管脚设置,也可通过软件方式设置。AMBE3000内部集成卷积编码器和Viterbi译码器。且该芯片还能能产生和识别双音多频(DTMF)信号。此外,AMBE3000还具有语音激活检测(Voice Activity Detection)功能、回波抵消(Echo Cancelling)功能和舒适噪声(Comfortable Noise)产生功能等,其优质的性能使之广泛用于数字移动设备、安全通信、蜂窝通信、语音复用和卫星通信等领域。

AMBE-3000TM为设计集成方便提供了4种物理接口,分别为SPI Interface、UART Interface、McBSP Interface和Parallel Interface;有2种工作模式:分别为编解码模式(Codec Mode)和数据包模式(Packet Mode)。

图4　AMBE3000芯片功能框图

数据在信道中传输以20 ms为一帧的形式进行传输。当AMBE3000工作在数据包模式下,数据包格式如下:

(1)Speech packet

图5An example of speech packet

(2)Channel packet

图6An example of channel packet

如图5、图6所示,为AMBE在Packet Mode下常用的数据格式,当用到DTMF功能时,Speech Packet可能还包含CMODE、TONE;Channel Packet还包含SAMPLES、CMODE、TONE字段,但输入输出的数据应该是对应的,也就是说它们必须是相同的格式。

3.3基于CMX7141信道编码的设计

如图7所示,为CMX7141内部功能模块框图,CMX7141是一颗高集成度的数字PMR处理器。与ARIB STD-T98 DCR标准兼容的4FSK调制解调芯片,它实现DCR标准中数据链路层和呼叫控制层的大部分功能。其中,实现物理层的主要功能有:4FSK调制解调、标志位定义、同步、传输的建立和拆分。实现数据链路层的功能有:信道编码(FEC、CRC)、交织和解交织、位排序、帧的建立和同步、地址链接、语音接口的应用、数据承载业务、和呼叫控制层的数据交换、地址匹配识别等功能。目前用得最多的数字调制方式是相干的MDPSK和非相干的MFSK,相干的2DPSK主要用于高速数据传输,而非相干DFSK则用于中、低速数据传输中,特别是在衰落信道中传输数据时,它有着广泛的应用。DCR协议中规定的调制方式为4FSK调制。

DCR协议固定的2种类型的帧的组建和拆分也是通过CMX7141完成,DCR标准将物理信道按传输数据不同又分为不同的逻辑信道,分别是:服务信道SC(Service Channel)和同步脉冲信道SB0(Synchronous Burst)。同时,服务信道和同步脉冲信道又不同的逻辑信道构成。其构成和帧结构如图8所示。

P表示帧头,为特定符号的周期序列;SW为同步字。这两者都不携带信息,所以也不需要进行信道编码。而逻辑信道的数据因为携带信息,所以需要进行纠错编码。在实际的DCR系统中,通过CMX7141的数据以384 bit/帧传输,每帧80 ms,4个帧可以组成一个超帧。CMX7141可以自动帧同步检测。

图7　CMX7141内部模块图

图8　DCR标准中的2种类型的帧

4　实验结果

本系统设计的对讲机通信设置,对AMBE3000的设置为:采用的16 bit线性PCM码,语音编码速率设置为2.45 kbit/s,总线的时钟频率设置为28 800 Hz。工作模式选用Codec Mode,选择SPI总线作为未压缩的语音数据(Digital Data),选择UART总线作为压缩后的数据(Packet Data)。对CMX7141的设置:通过FI(功能镜像文件)定义了CMX7141的功能和特性,通信前先将FI下载至芯片,并通过CMX7141的内寄存器设定其工作模式。

如图9、图10所示,在语音采样频率f=8 kHz时,“快速傅里叶变换”这7个字的时域和频域波形。由图9发送语音信号和接收语音信号的时域波形可以看出,DCR系统能较好的还原语音的时间波形包络,但合成的波形与原始语音波形有一定的差别,也就是说存在一定的失真现象,同时语音在传输过程中也会受到噪声及多径衰落等的影响,从而造成一定程度的失真,虽然经过调制及纠错编码,也不可能保证传输无差错,但已经达到通信质量,人耳已经无法分辨发送语音与接收语音的差别。由图9还可以看出,接收语音在与发送语音上有一定的时延,这是由于算法延时和传输延时造成的结果,且此延时还取决于通信距离的远近。

比较图10语谱图可以看出,接收语音在共振峰和基因周期结构上与发送语音比较一致,它们反应了语音信号的主要特征,所以该系统接收语音具有比较好的可懂度。由此可以看出,本文所设计的DCR数字对讲机系统,具有较好的通信质量。

图9　发送语音信号和接收语音信号的波形

图10　发送语音信号和接收语音信号的语谱图

5　结论

数字化是对讲机技术发展的方向。目前,数字对讲机刚刚起步,面临高成本,缺少关键技术的支撑和行业标准,本文以DCR标准为研究对象给出了系统设计方案,详细讨论了AMBE3000语音编码技术和CMX7141调制解调和信道编码技术方案。实验结果表明,本文所设计的DCR系统,实现较好的通信质量,达到了预期的效果。

参考文献:

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[2]ETSITR 102 490V1.2.1(2006-08).Electromagnetic Compatibi-lity and Radio Spectrum Matters(ERM);Peer-to-Peer Digital Private Mobile Radio(DPMR)Using FDMA with a Channel Spacing of 6,25 kHz with e.r.p.of up to 500 mW.[S].[S.1.]:ETSI,2006.

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[5]AMBE-3000TMVocoder Chip Users Manual Version 2.8[Z].Digital Voice Systems,Inc.August,2011.

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[8]IMBETMand AMBE®[EB/OL].Digital Voice Systems,Inc.http://www.dvsinc.com/papers/iambe.htm.

[9]Katsiotis A,Kalouptsidis N.On(n,n-1)Punctured Convolutional Codes and Their Trellis Modules[J].IEEE Transactions on Communications,2011(59):1213-1217.

[10]刘阳美,余宁梅,宋连国.一种串行Viterbi译码器的FPGA设计与实现[J].电子器件,2007,30(5):1890-1893.

李玉峰(1969-),男,汉族,吉林省德惠市人,沈阳航空航天大学教授,东南大学移动通信国家重点实验室博士后,主要研究方向为无线通信、图像处理与传输,li_yufeng@126.com;

杨君(1988-),女,汉族,河南周口人,沈阳航空航天大学电子信息工程学院在读研究生,主要研究方向为信号与信息处理,yangjun19880520@163.com;

刘晓斌(1964-),女,辽宁省北镇人,中航工业电磁环境效应航空科技重点实验室,高级工程师,主要研究方向为电磁兼容与天线设计,neemc@126.com;

徐宏伟(1975-),男,吉林农安人,中航工业沈阳飞机设计研究所,高级工程师,主要研究方向为军用飞机电磁兼容性设计及试验验证,xhw607@tom.com。

TheDesignofDigitalIntercomSystemBasedonDCRStandard*

LIYufeng1,2*,YANGJun1,LIUXiaobin3,XUHongwei3

(1.College of Electronic 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:This article has studied the source code algorithm—AMBE algorithm and channel coding algorithm—punctured convolutional code in DCR standard.A digital intercom system complying with the DCR standard is designing using the ambe3000 vocoder and the digital private network mobile communication chip CMX7141.And the simulation and experimental validation have been made.The test result indicated that,on the premise of guarantee the validity and reliability in communication,the system has the high quality of voice communication.

Key words:digital intercom;DCR standard;AMBE algorithm;punctured convolutional code

doi:EEACC:6250F10.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.025

中图分类号:TN929.5

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0695-06

收稿日期:2013-08-07修改日期:2013-09-26

项目来源:航空科学基金项目(20122654004);辽宁省国家自然科学基金项目(2013024008);江苏省博士后基金项目(1101077C)