基于DCR標準調制解調器的設計與仿真*

李玉峰,胡乃瑞,劉曉斌,徐宏偉

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院,沈陽 110136;2.東南大學移動通信國家重點實驗室,南京 210096;3.中航工業沈陽飛機設計研究所電磁環境效應航空科技重點實驗室,沈陽 110035)

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基于DCR標準調制解調器的設計與仿真*

李玉峰1,2*,胡乃瑞1,劉曉斌3,徐宏偉3

(1.沈陽航空航天大學電子信息工程學院,沈陽 110136;2.東南大學移動通信國家重點實驗室,南京 210096;3.中航工業沈陽飛機設計研究所電磁環境效應航空科技重點實驗室,沈陽 110035)

摘要:在專業無線通信領域,數字集群對講機是最重要的通信方式。本文針對日本的數字對講機標準DCR,研究了4FSK調制解調系統中基帶信號處理的幾項關鍵技術,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計方法,給出了相應的仿真結果,分析了整個系統的誤碼率,仿真結果表明系統誤碼率接近理論值,可以滿足DCR標準的要求。

關鍵詞: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,模擬對講機技術上已經十分成熟,在很長一段時間內仍將占據對講機一定份額,但與模擬對講機相比,數字對講機具有很多優勢,它將是對講機行業未來發展的趨勢[1]。在歐美市場,數字對講機已經很普及,已經出臺很多相關數字對講機標準,如DMR(Digital Mobile Radio),dPMR[2](Digital Private Mobile Radio)等標準。

國內對講機產業一直集中在中低端市場,而且產品仍是以模擬對講機為主。2008年9月在深圳成立的“數字對講機聯盟”(簡稱“DRA”)正在制定國內統一的數字對講機標準,相信中國的數字對講機標準不久將要問世。

與此同時本文采用的DCR[3](Digital Convenience Radio)標準,它是日本無線電工業協會2010年針對數字商業對講機市場制定的數字對講機標準,目前符合DCR標準的芯片大都被外國壟斷,而且技術比較成熟,例如CML公司生產的CMX7141[4]。文中設計的DCR調制解調器對生產出具有自主知識產權調制解調芯片意義重大,對開發符合中國標準的數字對講機芯片提供借鑒。

1　DCR調制解調系統

標準ARIB STD-98提出的DCR調制解調系統采用4FSK調制解調方式,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標準的調制解調系統如圖1所示。

圖1　DCR調制解調系統

1.1DCR調制過程

語音信號首先進行組幀,然后經過零點內插,成形濾波器和Sinc函數濾波器,經過D/A,最后由射頻模塊發送出去。具體過程如下:

(1)組幀:將語音信號按DCR標準進行組幀,總共分為2種幀格式,同步脈沖SB0,通信用信道SC。

(2)零點內插:對每一幀數據按DCR符號化準則進行電平轉換,由二進制變換為四進制。設定每個符號周期采樣4個值,則在每2個原四電平信號之間等間隔插入3個零值點。

(3)成形濾波器和Sinc函數濾波器:成形濾波器[5]采用均方根升余弦滾降濾波器,其頻率響應滿足升余弦特性。可以濾除高頻成分,限制信號的頻帶和降低碼間串擾。

1.2DCR解調過程

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

(1)匹配濾波器和Isinc函數濾波器:接收濾波器與調制過程的成形濾波器完全相同。Isinc函數濾波器采用切比雪夫等波紋濾波器[9-10]進行設計,可以有效減少碼間串擾,校準波形。

(2)抽樣判決器:設定合適判決閾值恢復四電平信號,然后再轉換為二電平信號。

(3)幀同步檢測:查找每一幀數據的幀頭和幀同步字,確定幀起始位置后進行解幀,恢復出原來數據。

本文主要研究工作是在調制解調器基帶信號處理部分的相關數字濾波器設計,幀同步檢測器設計,最后用MATLAB對設計的4FSK調制解調系統進行誤碼率測試。

2　基帶信號處理的關鍵技術

根據DCR協議,基帶信號處理過程,主要包括4部分的設計,分別是調制過程的成型濾波器、解調過程的匹配濾波器、Isinc函數濾波器、幀同步檢測器。

2.1成型濾波器與匹配濾波器的設計

DCR協議規定升余弦頻譜特性在發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如下:

(1)

其中T=416.7μs(2.4k符號/sec),滾降系數α=0.2.

根據上式濾波器的頻域響應是有限的,其時域響應是無限的,這樣的系統在現實中不可實現。因此,采用FIR濾波器的設計方法,對時域響應h(t)進行對稱截斷、抽樣,得到相應的FIR數字濾波器。本設計采用窗函數截斷,帶來的直接后果就是過渡帶變寬,碼間串擾增大。以下是矩形窗設計的FIR濾波器,截止頻率fc=1.2kHz,采樣速率為9.6kHz,階數N分別為11、21、31、41進行比較,沖擊響應如圖2所示。

由表1可以看出,階數N越大,濾波器碼間串擾越小,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,實現起來越困難,綜合考慮后選擇N=31。

表1　不同階數濾波器的碼間串擾

2.2Isinc函數濾波器的設計

由于基帶傳輸系統的輸入波形是4進制的非歸零碼,為了能在抽樣點消除碼間串擾,將多電平信號變成窄脈沖,必須使該系統濾波響應hⅢ(f)符合奈奎斯特第3準則。或者濾波響應響應為hⅠ(f)滿足奈奎斯特第1準則與Isinc函數P(f)加權。其中Isinc濾波器稱為網孔均衡器。hⅢ(f)和hⅠ(f)關系如式(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α=0.2。

圖2　平方根余弦滾降濾波器沖擊響應

由于Isinc濾波器的時域表達式不是一個顯式,窗函數不能實現,可采用最小二乘法或者等波紋線性相位FIR濾波器實現。本文采用切比雪夫等波紋濾波器。其主要運用了Parks-McClellan算法他在多項式解上吸收了Remez交換算法。首先設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δ≤δ2為止。然后采用Parks-McClellan算法得到濾波器單位脈沖響應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設計的Isinc函數FIR濾波器的沖擊響應和頻率響應階數,其中N=31,ωp=1.44kHz,ωs=1.75kHz,δ2/δ1=40,Fs=9 600Hz。通帶抖動0.3dB,阻帶衰減為40dB,過渡帶為0.31kHz。

圖3　Isinc函數FIR濾波器的沖擊響應和頻率響應

2.3幀同步檢測器的設計

在DCR系統下,信道中傳輸的幀格式分為2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,由業務信道(TCH)、低速關聯控制信道(SACCH)及無線情報信道(RICH)所構成。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:低速關聯控制信道;RI:無線信息信道(RICH);PICH:參數信息信道;TCH1/2:業務信道。協議中規定,幀頭(P)的后18 bit和幀同步字(SW)的20 bit共計38 bit,解調時進行幀同步確定。通常情況下,P=(5775 FD)16,SW=(CDF5 9)16。

本文設計的幀同步檢測器,是將38 bit的幀同步字存儲起來。取每一幀數據的前50個數據,與本地存儲的38 bit進行滑動相乘求和運算,從而可以確定一個最大值的位置,在這個位置向后減去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,就可以進行解幀。需要注意的是,進行幀同步檢測時,允許有兩位同步碼錯誤,那么在本設計中設置最大值閾值為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,經過相關運算后,只有一個峰值出現,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　調制解調系統性能仿真

整個4FSK系統在MATLAB下進行仿真,對接收信號的誤碼率(BER)進行分析。發送仿真:經過濾波器后四電平基帶信號,D/A轉換后采用直接調頻,通過高斯白噪聲的信道。解調仿真:采用相干解調,經過A/D轉換和FIR濾波器之后進行抽樣判決,恢復出二進制信號。

根據MFSK相干解調BER估計方法[12],理論的BER為:

(5)

相干解調的理論BER曲線如圖5所示。

解調時抽樣判決仿真采用最大似然檢測算法,即計算出當接收信號分別是發送信號集合(+3,+1,-1,-3)的后驗概率,其中后驗概率最大的即為最大似然檢測判決輸出符號。根據發送的信號與接收信號,計算出仿真BER。仿真得到的BER與理論BER進行比較,結果如圖5所示。

圖5　BER仿真值和BER理論值

圖5中平滑曲線是經過理論計算得到誤碼率,圓點直線是經過仿真恢復的信號誤碼率,由上圖可以看出仿真的BER和理論BER比較接近,符合DCR調制解調系統基本要求。

5　結束語

本文設計了DCR調制解調系統,首先從基帶信號處理濾波器入手,實現了平方根余弦滾降FIR濾波器,充分考慮了碼間串擾和實現的復雜程度,用最簡單的窗函數方法實現直接型FIR濾波器。同時用切比雪夫等波紋逼近法設計Isinc濾波器,有效的降低了濾波器采樣點數,以及在邊界頻率的控制上更加準確。根據DCR標準設計的幀同步檢測器,設計算法簡單,分辨率高,實現容易。

整個DCR調制解調系統在MATLAB下進行了性能仿真,仿真的誤碼率與公式推導得出的BER接近。最后在自己搭建軟件無線電平臺下,將計算機中基帶信號處理模塊與硬件的語音編碼器、射頻模塊、數據采集轉換模塊進行聯調,實現了簡單的DCR數字對講機。

參考文獻:

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李玉峰(1969-),男,漢族,吉林省德惠市人,沈陽航空航天大學教授,東南大學移動通信國家重點實驗室博士后,主要研究方向為無線通信、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,沈陽航空航天大學電子信息工程學院,碩士,主要研究方向為信息獲取與處理,hunairu2007@126.com;

劉曉斌(1964-),女,遼寧省北鎮人,中航工業電磁環境效應航空科技重點實驗室,高級工程師,主要研究方向為電磁兼容與天線設計,neemc@126.com;

徐宏偉(1975-),男,吉林農安人,中航工業沈陽飛機設計研究所,高級工程師,主要研究方向為軍用飛機電磁兼容性設計及試驗驗證,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

文獻標識碼: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

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