基于DCR標準的數字對講機系統設計*

李玉峰,楊　君,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)

?

基于DCR標準的數字對講機系統設計*

李玉峰1,2*,楊君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:研究了DCR標準的信源編碼算法——AMBE算法和信道編碼算法——刪除卷積碼,采用AMBE3000聲碼器和數字專網移動通信專用芯片CMX7141設計了一款遵從DCR標準的數字對講機系統。并對所設計的DCR數字對講機機系統進行仿真和實驗驗證。實驗結果表明:該系統在保證通信的有效性和可靠性的基礎上,具有較高的語音通信質量。

關鍵詞:數字對講機;DCR標準;AMBE算法;刪除卷積碼

隨著人們對通信質量要求越來越高,在頻譜資源日益緊張的今天,模擬制式越發顯得力不從心,于是模擬對講機到數字對講機轉變成為現在迫切的需求。目前,數字對講機發展較為成熟的有美國、日本和歐洲。美國主要由美國公眾安全通信官員協會(APCO)第25計劃委員會和電信工業協會(TIA)共同制定的APCO_25標準。歐洲電信標準委員會(ETSI)推出DMR(Digital Mobile Radio)和dPMR(digital Private Mobile Radio)數字對講機標準[1-2]。DCR(Digital Convenience Radio)協議是日本由ARIB(Association of Radio Industries and Businesses)針對數字商業對講機市場推出的數字對講機標準,是在dPMR基礎之制定的,其現行標準為ARIB STD-98[3]。

CMX7141[4]是CML半導體公司推出的用于數字專網移動通信的專用芯片。是一款適用于ARIB STD-T98 DCR標準的4FSK調制解調芯片。它可以實現DCR標準中數據鏈路層和呼叫控制層的大部分功能。AMBE-3000TM[5]是與CMX7141兼容的聲碼器芯片,AMBE-3000TM聲碼器采用DVSI公司的專利AMBE+2TM語音編碼壓縮算法的聲碼器。目前,數字對講機、中轉臺及集群通信中廣泛運用語音壓縮技術,世界知名通信企業摩托羅拉、ICOM、KENWOOD,國內海能達等大型通信公司的數字產品中幾乎都采用AMBE聲碼器,正在開發的數字對講機中有不少公司也采用這種先進的語音壓縮技術。

本文研究了基于AMBE3000的信源編碼技術和基于CMX7141信道編碼技術,設計一款遵從DCR標準的數字對講機,并實現通信功能,獲得了較好的通信質量。

1　DCR系統的信源編碼

信源編碼的主要目的一是將信號變換為適合于數字通信系統處理和傳送的數字信號形式(A/D轉換);另一個目的是提高通信的有效性,盡可能地減少原信息中的冗余度,使單位時間或單位系統頻帶上所傳的信息量最大(壓縮編碼)。目前在移動通信系統中,語音信號是主要的處理對象,移動通信對語音編碼的要求是:

(1)碼率低、語音質量高;

(2)抗噪聲和抗干擾能力強;

(3)編譯碼延時小,總延時在65 ms以內;

(4)編譯碼復雜度低,便于大規模集成化;

(5)功耗小,便于應用于手持臺。

語音編碼分為波形編碼、參量編碼、混合編碼3類,波形編碼在較高比特速(16 kbits/s～64 kbits/s)下可以獲得相當好的話音質量,但對于低速(低于16 kbit/s)語音編碼波形編碼的語音質量顯著下降,所以不適合頻譜資源緊張的移動通信系統。參量編碼可實現低速語音編碼(速率可達2 kbits/s～4.8 kbit/s),但語音質量只能達到中等。而混合編碼吸收了上述2種編碼的優點。且DCR系統對語音編碼算法不做規定,只規定編碼速率規定為3.6 kbit/s,這樣在設計對講機系統時,對語音編碼算法的選擇更有優勢。

DCR采用一種混合編碼算法——AMBE算法。AMBE是基于MBE[6]技術的低比特率、高質量的改進語音壓縮算法,該技術在低比特率壓縮系統中能提供極優的語音質量,卻對指令執行速度和存儲器容量的要求大大降低,在背景噪聲和信道誤碼方面也有極強的魯棒性,比基于線性預測編碼的CELP、RELP、VSELP、LPC-10等要優越[7-8],編譯碼延時小,編碼和解碼算法的總延時為62 ms。

如圖1所示,MBE算法原理框圖,多帶激勵(MBE)語音編碼方案突破了二元激勵的局限性,它將語音譜按各基因諧波頻率分成若干個帶,對各帶信號分別判斷是濁音(V),還是清音(U)。然后根據各帶信號判決結果,采用不同激勵信號產生其合成信號,最后將各帶合成信號相加,得到全帶合成語音。AMBE引入了語音分析與合成及矢量量化編碼的新算法。其編碼基本過程為:輸入的原始語音信號是8 kHz采樣,160 bit量化線性PCM語音信號,首先經過一個一階的無線沖激響應(IIR)高通濾波器,濾除語音信號中的直流偏置,然后進行參數估計,每幀估計一套語音參數,幀長為160樣點。先估計基因周期,由此可以對激勵譜分帶,對每帶進行清/濁音判決,最后再計算各諧波帶的幅度譜。

MBE模型合成語音的方法主要有頻域合成法和時域合成法,頻域合成法先用收到的參數構成重建語音譜,然后利用傅里葉反變換得到時域序列。這種方法比較直接但不能保證合成語音的基因周期的平滑變化,特別當幀長比較長的時候會產生基因周期跳變,使合成語音不自然。時域合成法能利用插值實現幀與幀之間的基因周期的平滑過渡,合成出更自然的語音。因此AMBE算法采用時域合成法,AMBE算法將濁音和清音成分分開合成,最后將它們相加,形成完整的合成語音。

圖1　MBE算法原理框圖

2　DCR系統的信道編碼

信道編碼是以提高信息傳輸的可靠性為目的的編碼。與信源編碼正好相反,通常信道編碼通過增加信源的冗余度來實現。采用的一般方法是增大碼率或帶寬。DCR協議中的信道編碼方案包括CRC、刪除卷積碼、交織技術。如圖2所示,DCR標準中的信道編碼方案。

2.1CRC

循環冗余校驗碼是數據通信領域中最常用的一種差錯校驗碼,因其信息字段和校驗字段的長度可以任意選定,使用起來較為靈活。且其編解碼方式較為簡單,在實際的通信系統中,一般用它來檢錯。在DCR系統中所使用的CRC為:

(1)CRC-6,生成多項式為:g(x)=x6+x5+x2+x+1,用于慢速隨路信道(SACCH)數據的生成;

(2)CRC-12,生成多項式為:g(x)=x12+x11+x3+x2+x+1,用于業務信道(TCH)和參數信息信道(PICH)。

CRC編碼過程為:

(1)用xn-k乘以消息多項式m(x);

(2)用生成多項式g(x)除xn-km(x)得到余式b(x)(校驗位多項式);

(3)構成碼字多項式c(x)=xn-km(x)+b(x)。

圖2　DCR協議中的信道編碼方案

譯碼過程也可分為3步:

(1)將接收碼字多項式r(x)除以生成多項式g(x),得到伴隨多項式s(x);

(2)由s(x)確定錯誤圖樣e(x);

(3)將r(x)與g(x)進行模2加,糾正錯誤。

2.2刪除卷積碼

刪除卷積碼[9-10]的構成主要是卷積碼刪除位置的選擇,通常刪除是周期、有規律地進行的。這樣產生的刪除卷積碼序列也就成了一個周期時變序列。刪除位置通常用刪余圖樣來表示,刪余圖樣中的“0”表示該數字對應的比特被刪除,“1”則保留。刪余圖樣不是唯一的,但對于不同的情況存在最優的刪余圖樣。

DCR系統采用(2,1,5)卷積碼的刪除卷積碼進行糾錯,(2,1,5)卷積碼的規定碼率為1/2,因為碼率為1/2的卷積碼的編碼器碼率較低,會產生一倍于原數據的冗余數據。而通過刪余的方法可以從該卷積碼得到其他碼率的編碼,從而提高碼率。刪除卷積碼通過對輸出碼字中某些特定位置碼元予以刪除,在接收端譯碼時再用特定的碼元在這些位置上進行填充,然后再進行譯碼。DCR協議中對不同的業務信道規定了不同的刪余圖樣。

其中(2,1,5)卷積碼的生成多項式為:G1(D)=1+D3+D4,G2(D)=1+D+D2+D4;

刪除卷積碼可以實現不同的碼率需求,而且在保證可靠性的前提下,可以提高傳輸的效率。又因其編解碼較為簡單,糾錯性能較好,因而得到廣泛的應用。

2.3交織

實際移動通信環境是極其惡劣的,多徑效應造成快衰落和地形、陰影效應造成慢衰落產生了移動信道特有的“長突發”誤碼形式,使通信的可靠性大大降低,使誤碼率提高,嚴重影響了移動信道的質量和有效信道容量。為提高數字通信系統的性能,信道編碼和交織是通常采用的方法。對于衰落信道中的隨機錯誤,可以采用信道編碼,而對于衰落信道中的突發錯誤,則可以采用交織。交織是在發送端,對編碼器輸出的符號序列進行有規律的重新排列之后,再進入信道傳輸;在接收端解調器輸出的符號流必須進行解交織,恢復原來的編碼輸出的符號流順序。通常交織有矩陣塊交織、卷積交織和似隨機交織等多種實施方式,在DCR系統中,采用較簡單的矩陣塊交織。在DCR系統中,SACCH信道采用交織深度為5的矩陣塊交織,TCH/PICH采用交織深度為9的矩陣塊交織。

3　基于DCR的數字對講機設計

3.1總體設計方案

如圖3所示為本文基于DCR標準所設計的數字對講機系統,選用CML半導體公司生產的4FSK調制解調芯片和DVSI公司生產的語音壓縮編碼芯片AMBE3000。

圖3　基于DCR標準的數字對講機系統

DCR數字對講機的發送過程為:由麥克風輸入的語音信號經CMX7141內部的A/D轉換成數字信號,然后送給AMBE3000進行語音編碼和壓縮,在CPU的控制下,CMX7141按照DCR標準進行調制和信道編碼,然后經射頻部分發射出去。

其接收過程為:接收到的射頻信號,通過CMX7141進行解調和信道解碼,在CPU的控制下,送給AMBE3000進行語音解壓縮,再送給CMX7141進行D/A轉換,最后送給Speaker發出聲音。

3.2基于AMBE3000信源編碼的設計

圖4為AMBE-3000TM內部功能框圖,AMBE-3000TM是美國DVSI公司研制的一款成熟的雙工聲碼器芯片,該芯片采用AMBE+2TM算法,編碼速率為2.0 kbit/s～9.6 kbit/s,當速率為2.0 kbit/s時,仍然具有較高的可懂度和自然度。用戶可以自主的選擇語音和FEC的速率,選擇既可以通過硬件管腳設置,也可通過軟件方式設置。AMBE3000內部集成卷積編碼器和Viterbi譯碼器。且該芯片還能能產生和識別雙音多頻(DTMF)信號。此外,AMBE3000還具有語音激活檢測(Voice Activity Detection)功能、回波抵消(Echo Cancelling)功能和舒適噪聲(Comfortable Noise)產生功能等,其優質的性能使之廣泛用于數字移動設備、安全通信、蜂窩通信、語音復用和衛星通信等領域。

AMBE-3000TM為設計集成方便提供了4種物理接口,分別為SPI Interface、UART Interface、McBSP Interface和Parallel Interface;有2種工作模式:分別為編解碼模式(Codec Mode)和數據包模式(Packet Mode)。

圖4　AMBE3000芯片功能框圖

數據在信道中傳輸以20 ms為一幀的形式進行傳輸。當AMBE3000工作在數據包模式下,數據包格式如下:

(1)Speech packet

圖5An example of speech packet

(2)Channel packet

圖6An example of channel packet

如圖5、圖6所示,為AMBE在Packet Mode下常用的數據格式,當用到DTMF功能時,Speech Packet可能還包含CMODE、TONE;Channel Packet還包含SAMPLES、CMODE、TONE字段,但輸入輸出的數據應該是對應的,也就是說它們必須是相同的格式。

3.3基于CMX7141信道編碼的設計

如圖7所示,為CMX7141內部功能模塊框圖,CMX7141是一顆高集成度的數字PMR處理器。與ARIB STD-T98 DCR標準兼容的4FSK調制解調芯片,它實現DCR標準中數據鏈路層和呼叫控制層的大部分功能。其中,實現物理層的主要功能有:4FSK調制解調、標志位定義、同步、傳輸的建立和拆分。實現數據鏈路層的功能有:信道編碼(FEC、CRC)、交織和解交織、位排序、幀的建立和同步、地址鏈接、語音接口的應用、數據承載業務、和呼叫控制層的數據交換、地址匹配識別等功能。目前用得最多的數字調制方式是相干的MDPSK和非相干的MFSK,相干的2DPSK主要用于高速數據傳輸,而非相干DFSK則用于中、低速數據傳輸中,特別是在衰落信道中傳輸數據時,它有著廣泛的應用。DCR協議中規定的調制方式為4FSK調制。

DCR協議固定的2種類型的幀的組建和拆分也是通過CMX7141完成,DCR標準將物理信道按傳輸數據不同又分為不同的邏輯信道,分別是:服務信道SC(Service Channel)和同步脈沖信道SB0(Synchronous Burst)。同時,服務信道和同步脈沖信道又不同的邏輯信道構成。其構成和幀結構如圖8所示。

P表示幀頭,為特定符號的周期序列;SW為同步字。這兩者都不攜帶信息,所以也不需要進行信道編碼。而邏輯信道的數據因為攜帶信息,所以需要進行糾錯編碼。在實際的DCR系統中,通過CMX7141的數據以384 bit/幀傳輸,每幀80 ms,4個幀可以組成一個超幀。CMX7141可以自動幀同步檢測。

圖7　CMX7141內部模塊圖

圖8　DCR標準中的2種類型的幀

4　實驗結果

本系統設計的對講機通信設置,對AMBE3000的設置為:采用的16 bit線性PCM碼,語音編碼速率設置為2.45 kbit/s,總線的時鐘頻率設置為28 800 Hz。工作模式選用Codec Mode,選擇SPI總線作為未壓縮的語音數據(Digital Data),選擇UART總線作為壓縮后的數據(Packet Data)。對CMX7141的設置:通過FI(功能鏡像文件)定義了CMX7141的功能和特性,通信前先將FI下載至芯片,并通過CMX7141的內寄存器設定其工作模式。

如圖9、圖10所示,在語音采樣頻率f=8 kHz時,“快速傅里葉變換”這7個字的時域和頻域波形。由圖9發送語音信號和接收語音信號的時域波形可以看出,DCR系統能較好的還原語音的時間波形包絡,但合成的波形與原始語音波形有一定的差別,也就是說存在一定的失真現象,同時語音在傳輸過程中也會受到噪聲及多徑衰落等的影響,從而造成一定程度的失真,雖然經過調制及糾錯編碼,也不可能保證傳輸無差錯,但已經達到通信質量,人耳已經無法分辨發送語音與接收語音的差別。由圖9還可以看出,接收語音在與發送語音上有一定的時延,這是由于算法延時和傳輸延時造成的結果,且此延時還取決于通信距離的遠近。

比較圖10語譜圖可以看出,接收語音在共振峰和基因周期結構上與發送語音比較一致,它們反應了語音信號的主要特征,所以該系統接收語音具有比較好的可懂度。由此可以看出,本文所設計的DCR數字對講機系統,具有較好的通信質量。

圖9　發送語音信號和接收語音信號的波形

圖10　發送語音信號和接收語音信號的語譜圖

5　結論

數字化是對講機技術發展的方向。目前,數字對講機剛剛起步,面臨高成本,缺少關鍵技術的支撐和行業標準,本文以DCR標準為研究對象給出了系統設計方案,詳細討論了AMBE3000語音編碼技術和CMX7141調制解調和信道編碼技術方案。實驗結果表明,本文所設計的DCR系統,實現較好的通信質量,達到了預期的效果。

參考文獻:

[1]ETSITR 102 398V1.1.2(2008-05).Electromagnetic Compatibility and Radio Spectrum Matters(ERM);Digital Mobile Radio(DMR)General System Design[S][S.1.]:ETSI,2008.

[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.

[3]Digital Convenience Radio Equipment for Simplified Service V.1.3[EB/OL]Association of Radio Industries and Businesses.2012.12.18.http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/1-STD-T98v1_3.pdf.

[4]CML Microcircuits.Datasheet of CMX7131/CMX7141 Digital PMR Processor DCR Operation[Z].CML Microcircuits,2011.

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

[6]李曄,崔慧娟,唐昆.數字語音編碼技術[M].北京:電子工業出版社,2013:209-219.

[7]Speech Samples[EB/OL].Digital Voice Systems,Inc.http://www.dvsinc.com/samples/samples.htm#AMBE+2.

[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]劉陽美,余寧梅,宋連國.一種串行Viterbi譯碼器的FPGA設計與實現[J].電子器件,2007,30(5):1890-1893.

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;

楊君(1988-),女,漢族,河南周口人,沈陽航空航天大學電子信息工程學院在讀研究生,主要研究方向為信號與信息處理,yangjun19880520@163.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。

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

中圖分類號:TN929.5

文獻標識碼:A

文章編號:1005-9490(2014)04-0695-06

收稿日期:2013-08-07修改日期:2013-09-26

項目來源:航空科學基金項目(20122654004);遼寧省國家自然科學基金項目(2013024008);江蘇省博士后基金項目(1101077C)