主页（http://www.pttcn.net）：基于USRP的DMR物理层研究和验证系统实现 摘要：DMR(Digital Mobile Radio)是ETSI在2004年提出的集群通信系统标准，作为从模拟通信到数字通信过渡的桥梁，已经得到了广泛的使用。本文基于软件无线电思想，提出了基于DMR协议的数字对讲机的解决方案，并通过验证系统的物理链路的搭建、以及语音单呼、语音组呼DMR标准业务的实现对解决方案的可行性进行了验证。系统中用到的关键技术如4CP-FSK调制解调技术、码元同步与帧同步、基带信号处理等，各模块单独封装，弱耦合，丰富了软件无线电系统的波形组件库，也可作为软核便于集成或者复用到其他系统中。 本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/145480.htm前言 DMR集群通信系统由ETSI在2004年提出[1] 与欧洲的TETRA标准[2]、北美的iDEN标准[3]、国内具有自主知识产权的GoTa标准和GT800标准并列为全球主流的集群通信系统标准。DMR系统较上述几个标准系统复杂性更低，性价比更高[4-5]。DMR支持从模拟到数字的平滑过度。DMR三层协议栈如图1所示，最底层是物理层，中间层是数据链路层，最上层是呼叫控制层，从上层应用类型开分，DMR系统可分为用户平面和控制平面。  空中接口物理层主要功能模块包括4CP-FSK调制解调，收发转换，RF特性，比特与符号定义，频率同步、符号同步和突发构成等;数据链路层被分成了两部分，在用户面负责处理没有标上地址的用户信息;在控制面负责传输信令信息。控制层主要负责控制通话，提供DMR支持的不同业务类型，包括短数据和分组数据服务等。DMR数字系统完整解决方案一直研究热点，解决方案围绕着易实现，可复用性强等特点展开。在本论文中，我们结合软件无线电的优势与DMR系统的特点，提出了DMR数字对讲机整体解决方案，包括协议栈实现，低层接收机与发射机，不同模块间接口定义，模块间解耦。在物理层中主要实现基带信息处理和中频调制解调，其中涵盖了物理层关键技术。论文[6]对4FSK进行阐述，本解决方案使用相位连续的频移键控调制方式。 全数字DMR解决方案 系统构图 软件无线电是用现代软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信[7]。全数字DMR解决方案基于软件无线电的架构，系统框图见图2。主要由语音编解码、DMR协议处理、射频前端三部分组成。其中语音编解码采用AMBE USB-3000;DMR协议处理采用通用处理器实现;射频前端采用USRP。AMBE USB-3000语音模块，USRP射频发射机与接收机模块。  其中处理器完成DMR三层协议处理，USB-3000完成低速率的语音压缩，USRP(Universal Software Radio Peripheral)，通用软件无线电外围设备[8]由高速信号处理的FPGA母板和可更换的覆盖不同频率的子板两个组件，负责射频终端发射与接收，USRP与处理器通过USB总线相连，处理器中自动配置和调用已封好的API函数使用USRP。处理器与USB-3000语音压缩模块通过USB总线连接。 物理层关键技术实现 本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/145480.htm中频调制解调 DMR采用的4CP-FSK调制方式属于4FSK调制方式中的一种，4FSK是采用基带信号控制载波的频率传送信息，如信号“-3”可以用频率f_0传送，信号“-1”可以用频率f_1传送，信号“1”可用频率f_2传送，信号“3”可用频率f_3传送。频移键控包括两种，一种为相位连续频移键控(CPFSK)，即传送不同的信号时，相位连续，通过连续相位调制(CPM)实现;另一种为非连续相位频移键控(DFSK)。CPM是恒包络相位连续调制方之一，本身兼具编码增益，窄主瓣、快速滚降和恒包络等特点，广泛使用于军事和专用通信领域[9]。
一般CPM信号定义如公式(1)所示：
其中Ts是符号周期，E是符号能量，fs是载波频率，在本系统中中频为10kHz，上变频后为400MHz，φ(t,a)是瞬时相位，φ0是初始相位，a代表符号的进制，a∈{±1，±3.±…，±(M-1)}，φ(t,a)表达式见公式(2)。
其中T为脉冲周期，g(t)为脉冲函数。对公式(1)进行离散化，设定 对4CP-FSK调制后信号进行相干解调，相干解调流程见图3。
两路正交信号I(nTs )，Q(nTs)求反正切可以得到φ(nTs)，然后把相位调整到 码元同步和帧同步 码元同步 码元不同步是由于发送端时钟与接收端时钟不匹配导致的。在接收端的一个符号周期中不易确定最佳采样时刻，如果随机取一个采样点的数据，往往会导致采样点为非最佳采样点，即与最佳采样点偏离。图3黑色曲线为匹配滤波后数据，蓝点为在一个符号周期的随机采样点，可以看出随机采样往往偏离最佳采样点。 对于发端8倍插值，收端进行匹配滤波后每个符号周期有8个采样点，符号同步结果只有8种可能。假设在一个符号周期中采样点的位置为ψε{1，2，3，4，5，6，7，8}。发端与收端频偏较小，且一帧数据持续时间为30ms，假设一帧中的所有符号周期内的同步位置相对不变。同步算法在不同帧之间一直处于运行状态，具体的同步过程如图4所示。 
在同步开始时，本地时钟对数据进行采样，然后送到同步算法模块，计算同步时钟。一帧数据总共有132个符号周期(发端进行了8倍插值)越多的符号周期考虑在内结果越精确，但若把132个符号周期都考虑在内会导致计算复杂度过高，只每一帧随机选其中N个(在本仿真中N=5)符号周期，以保证算法准确性，对这8*N个采样点的值，总共同步的情况为8种，对于每一种可能性，对采样点的值通过硬判决算法进行判决。对N个符号周期中每个符号周期同一采样点位置的采样值与硬判决值求差值，这代表着该采样点位置与判决符号值偏差，差值图样最小的那个采样点位置的值，取为本帧同步采样点位置。具体偏差值图样的计算见公式(5)，假设随机算法得到的符号周期集合为Ω。
其中s(k+i*8)指一个符号周期中第k点采样值，kεψ，i∈{0,1,2,……,131}指一帧中符号周期的下标。其中硬判决函数的计算方式如下： 通过求得偏差图样的最小值，来确定准同步位置，产生本地采样时钟，在一帧内都采取这个同步时钟。 取一帧数据，随机取其中的5个符号周期的数进行同步算法运算，得到的错误图样如图5所示，从错误图样可以得看出在符号采样点位置为4的位置为最佳同步位置。 帧同步 DMR帧同步通过同步突发中的同步码实现。语音帧、数据帧、信令帧都包含各自的同步码，不同类型突发所包括的同步码见表4.1，表中只以下行的语音与数据同步码为例。同步码总长为48bit，处在突发的中间位置。在进行MS到BS或MS到MS通信时，终端会先找到对方发来的同步码，以确保信道的建立。  语音信号以超帧形式传输，超帧的组帧由数据链路层完成，一个语音超帧由A~F六帧(360ms)组成，见图6，在语音超帧传输开始有LC(LC Header)头突发标志语音传输的开始，如果传输的语音数据需要加密则在LC头后有一个PI(PI Header)头突发用于标示语音传输加密，对于直通或单/双频BS转发模式在超帧传输结束有一个语音结束LC terminator标示，而一般超帧则由最后一个突发的数据表示该语音帧的结束。 
对于检测同步码的具体做法是，在收端用本地同步序列与收到的序列逐次进行相关，然后检测相关系数是否大于某阈值。假设本地数据同步码为x(n)，在收到数据流之中，取与同步码长度相等的数据，即48比特数据，记为y(n)。求两者的相关系数如下式： 当相关系数的值大于某阈值时，表示检测到某同步码。对于阈值，则需要通过实验值来设定，可以随机产生大量数据，然后与本地的同步码计算出相关系数的值，得到不同相关系数时的分布图，实验的数据结果见图7所示，随机产生了100万个数据，对这100万数据依次取48bit与本地的语音同步码组做相关系数运算，存储所有的相关系数，然后画出CDF曲线。从图中可以看出，基本上相关系数为0.85的时候，概率就基本上为零了，所以可以设置同步上时相关系数阈值为0.85，为了增加冗余，设置阈值为0.90。  从系统的误码率中也可以知道，这个阈值设置也是合理的。 验证系统 DMR全数字验证系统实物图见图8，左右两侧均为具有收发功能的终端。此系统经过测试，能够实现DMR规定的单呼、组呼、广播业务，且通话清晰，具体通话范围和USRP的发射功率有关。在处理器中实现的DMR基带处理各个模块可以作为软件模块的方式进行封闭，以供其它系统进行调用。系统的参数见表2。  结论 本文主要针对物理层的研究和DMR验证系统的实现，物理层中也只是对关键部分进行具体的研究，如中频调制解调，码元同步和帧同步等。在码元同步中提出新算法，通过接收到的符号周期信息中的采样数据信息进行同步，而不是通过增加前导码进行同步。给出了搭建全数字DMR验证系统，能够进行完整的单呼和组呼业务演示。本论文验证系统以软模块构成，调制解调、码元同步、信道编码等都实现了模块封装，可以软核形式复用到其它系统中，本文系统架构是一个通用的软件无线电架构，可推广到其它无线通信相关协议的验证。
参考文献： (中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮) |
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，可以得到
间，最后进行差分运算后可得到m(n)。
(4) 
(6) 
