DMR數字集群關鍵技術的應用研究

摘要：DMR（Digital Mobile Radio）是歐洲電信標準協會（ETSI）于2004年提出的新型數字集群通信系統，與TETRA系統和iDEN系統相比具有技術簡單，產品成本較低的優點，并且支持從模擬到數字的過渡。DMR的發展無論是在國內還是在國外都處于起步階段。本文的主要工作是，通過發送已知數據，經E4438C調制后，通過信道機，由接收端進行信號處理，對解調后的數據進行同步定時和抽樣判決，從而對誤碼率進行優化。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/145479.htm

關鍵詞：DMR；同步定時；抽樣判決；誤碼率

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.010

引言

隨著無線電通信技術的發展、人們對無線通信質量要求的提高以及頻譜資源的日益缺乏，數字專用無線通信設備必將面臨巨大的市場需求。目前，在全球范圍內對數字專用無線通信設備的需求不斷增加，特別是公共安全部門。可以看到，數字專用無線通信系統將成為未來專用無線通信系統的發展趨勢。

數字專用無線通信系統概況

數字專用無線通信系統介紹

數字集群通信系統[1]是指數字專用無線通信系統，數字專用無線通信系統發展迅速，主要應用于集團調度指揮通信。該系統的可用信道能被系統的全體用戶共用，且具有自動選擇信道功能，是共享資源、分擔費用、共享信道設備和服務的多用途、高效能的無線調度通信系統。

與公眾蜂窩移動通信系統相比，專用無線通信系統具有呼叫接續快，組群內用戶共享前向信道、半雙工通信方式、PTT方式、支持私密呼叫和群組呼叫等特點。由于專用無線通信系統具備特有的調度功能、組呼功能和快速呼叫的特性，因此在專業通信領域發揮著不可替代的作用[2]。

數字專用無線通信系統優點[3]

1）可以更好地利用頻譜資源。與蜂窩數字技術類似，數字專用無線通信系統可以在一條指定的信道上裝載更多用戶，提高頻譜利用率；

2）可以有效提高通話質量。由于數字通信技術具有系統內錯誤校正功能，和模擬專用無線通信系統相比，可以在更廣泛的信號環境中實現更好的語音音頻質量；

3）可以提高改進語音和數據集成，改變控制信號隨通訊距離的增加而降低的弱點。

關鍵技術和實現方案

4FSK調制

DMR協議采用4FSK調制，是一種恒包絡調制。調制時每秒發送4800個符號，其中每個符號攜帶兩比特的信息，最大頻偏D定義如下：

表1列出了特定符號與頻偏的對應關系[4]。

4FSK調制器由一個平方根升余弦濾波器級聯一個頻率調制器組成[4]，如圖1所示。

可見4FSK調制模塊分為兩部分，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，產生四電平的基帶帶限信號m（n）作為調制信號；第二部分是調頻部分（FM）。基帶調制信號的產生過程如圖2所示。

成型濾波器的設計是該部分的關鍵，在實際的通信系統中，平方根升余弦濾波器可以通過在發射端和接收端使用同樣的平方根升余弦濾波器來實現，從而實現成型濾波。方案中采用E4438C來實現4FSK調制。

4FSK解調

和調制過程相逆，解調的過程也分為兩部分：第一部分是正交差分解調，由4FSK調頻信號恢復四進制的基帶信號；第二部分根據基帶信號恢復原始碼元信息，包括匹配濾波、抽樣判決、反映射等模塊。接收端基帶信號的處理如圖3所示。

其中匹配濾波器采用與發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信息，而且還要確定合適的門限。抽判位置的確定可以通過相關運算找出同步碼的起始位置后進行推算。

正交差分解調過程如圖4所示。同調制過程中的內插濾波相對應，正交解調過程中需要在滿足奈奎斯特定力的前提下對高采樣率的信號進行抽取，降低采樣率，減小運算量。

基帶成型濾波技術

成型濾波器的設計是能否正確恢復數據的關鍵，DMR系統采用的是平方根升余弦滾降濾波器，同時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]頻率響應如下：

可見平方根升余弦滾降濾波器的時域表達式是一個無窮階數系數對稱的FIR濾波器。實際應用中，需要對其進行截斷，即在理論的時域表達式上加矩形窗，可得到相應逼近的FIR數字濾波器。

用Matlab軟件進行平方根升余弦濾波器的設計非常方便，調用firrcos函數即可得到濾波器系數：h=firrcos（N，Fc，a，Fs，‘sqrt’）。其中N是濾波器階數；Fc是理想低通濾波器的截止頻率，為符號率的1/2；a為滾降系數；Fs為采樣率。根據DMR系統的要求，設定Fc=4800/2=2400Hz，a=0.2，Fs=4800*10，N的取值可以根據實際情況進行更改，這里采用了10倍的采樣速率，考慮MATLAB的計算能力及測試信號信噪比的不同，階數N也會有所不同。這里也可以用Matlab自帶的工具箱進行設計[8]，在調試過程中發現信道機的帶內平坦度不是很好，因此在信道機的接收端設計了一個具有補償作用的補償濾波器去補償信道機的信號平坦度。

幀同步技術

DMR系統采用集中插入特殊同步碼組的方法進行幀同步，接收端按幀的周期連續數次檢測該特殊碼組，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函數、漏同步概率小；便于與信息碼區別、假同步概率小；碼長適當，可以保證傳輸效率。DMR系統對采用的幀同步碼組有嚴格的規定：幀同步碼組插入在幀的中心位置，并且對于輸入輸出語音、數據或控制信息，由不用的幀同步碼組來區分。

抽樣判決

抽樣判決是在同步之后，屬于解調的一部分。抽樣判決需要找到合適的抽樣判決位置并建立位定時信息，而且還要確定合適的門限。抽樣判決位置的確定可以通過相關運算找出同步碼的起始位置進行推算，具體方法如下：在本地存儲48bit同步碼對應的波形，然后將存儲的數據和接收波形進行滑動相關運算，即將對應點相乘累加。當本地波形與接收波形的同步碼對應上時能獲得最大相關值，返回出現該相關峰的位置，然后將該位置減去同步碼之前的符號數與每符號采樣點數M的乘積即可得到第一個判決位置，之后每隔M點就是一個抽判點。門限的確定則可以根據接受眼圖來劃分，判決點之間的間隔是10，門限電平可根據需要自己進行調整。

在解調抽樣判決時，同樣是+3的采樣值，由于前后數據不同，信號在經過濾波器濾波之后，對應的幅度信息就會產生一定程度的改變，例如前后都是+3，那么當前這個+3的幅度就會比較高，如果前后都是-3，那么當前這個-3的幅度就會被拉低。因此在對信號進行抽樣判決的時候，本方案對信號幅度進行了相應的調整，采用一種動態調整判決門限的判決方法，使采樣值前后的幅度對該幅度的影響降到最低，從而有效地優化了誤碼率，提高了通信質量。這是本方案在解調抽樣判決上做的改進，下面的測試結果會進一步驗證改進的可行性。

誤碼率測試結果

接收端在進行誤碼性能測試中，測試信號的長度均為50幀，將接收端解調出的信號和發送端的測試信號進行對比，不同的則定義為誤碼，從而得出誤碼率。圖10是MATLAB的誤碼率性能測試曲線的對比圖。

結論

通過測試結果可以得出該方案中的同步算法具有準確性和通用性，在調試中對抽樣判決進行了調整，從而使得系統誤碼率得到了進一步的優化，驗證了該方案的可行性，在工程實踐中具有很好的實用價值。

參考文獻：

[1] 鄭祖輝，陸錦華，鄭嵐.數字集群移動通信系統[M].電子工業出版社，2005：1-121

[2] 丁婧.DMR數字端機物理層傳輸技術的研究.西安電子科技大學碩士論文，2009

[3] 徐貴森，劉鑫，譚學治.淺談無線電對講機模擬轉數字.移動通信，2009（3）：22-24

[4] ETSI TS 102 361-1：Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters（ERM）；Digital Mobile Radio（DMR） Systems； Part 1：DMR Air Interface （AI） Protocol

[5] 張維良，郭興波，潘長勇，等.平方根升余弦滾降FIR數字濾波器的設計[J].電訊技術，2002 （6）：53

[6] 凌志云.基于DSP實現根升余弦濾波器的研究[j].國外電子測量技術，2006，25（1）：8-9

[7] 文安平.平方根升余弦滾降數字濾波器的設計與實現[J].信息技術，2005（9）：58

[8] 馮天雨，楊家瑋.8PSK調制解調技術實現的研究[J].重慶郵電學院學報，2005，17（4）：440-44