基于DCR标准调制解调器的设计与仿真*

李玉峰,胡乃瑞,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标准调制解调器的设计与仿真*

李玉峰1,2*,胡乃瑞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:在专业无线通信领域,数字集群对讲机是最重要的通信方式。本文针对日本的数字对讲机标准DCR,研究了4FSK调制解调系统中基带信号处理的几项关键技术,主要包括均方根余弦滚降滤波器、Isinc滤波器和帧同步检测器的设计方法,给出了相应的仿真结果,分析了整个系统的误码率,仿真结果表明系统误码率接近理论值,可以满足DCR标准的要求。

关键词:DCR;4FSK;平方根升余弦滚降滤波器;Isinc滤波器;帧同步检测器

近年来,模拟对讲机技术上已经十分成熟,在很长一段时间内仍将占据对讲机一定份额,但与模拟对讲机相比,数字对讲机具有很多优势,它将是对讲机行业未来发展的趋势[1]。在欧美市场,数字对讲机已经很普及,已经出台很多相关数字对讲机标准,如DMR(Digital Mobile Radio),dPMR[2](Digital Private Mobile Radio)等标准。

国内对讲机产业一直集中在中低端市场,而且产品仍是以模拟对讲机为主。2008年9月在深圳成立的“数字对讲机联盟”(简称“DRA”)正在制定国内统一的数字对讲机标准,相信中国的数字对讲机标准不久将要问世。

与此同时本文采用的DCR[3](Digital Convenience Radio)标准,它是日本无线电工业协会2010年针对数字商业对讲机市场制定的数字对讲机标准,目前符合DCR标准的芯片大都被外国垄断,而且技术比较成熟,例如CML公司生产的CMX7141[4]。文中设计的DCR调制解调器对生产出具有自主知识产权调制解调芯片意义重大,对开发符合中国标准的数字对讲机芯片提供借鉴。

1　DCR调制解调系统

标准ARIB STD-98提出的DCR调制解调系统采用4FSK调制解调方式,载波频率是150 MHz或者400 MHz,信道间隔是6.25 kHz,信息传输速率是4.8 kbit/s,每一帧长度为80 ms。DCR标准的调制解调系统如图1所示。

图1　DCR调制解调系统

1.1DCR调制过程

语音信号首先进行组帧,然后经过零点内插,成形滤波器和Sinc函数滤波器,经过D/A,最后由射频模块发送出去。具体过程如下:

(1)组帧:将语音信号按DCR标准进行组帧,总共分为2种帧格式,同步脉冲SB0,通信用信道SC。

(2)零点内插:对每一帧数据按DCR符号化准则进行电平转换,由二进制变换为四进制。设定每个符号周期采样4个值,则在每2个原四电平信号之间等间隔插入3个零值点。

(3)成形滤波器和Sinc函数滤波器:成形滤波器[5]采用均方根升余弦滚降滤波器,其频率响应满足升余弦特性。可以滤除高频成分,限制信号的频带和降低码间串扰。

1.2DCR解调过程

从射频接收来的信号先经A/D采样,转换成数字信号,通过匹配滤波器,Isinc函数滤波器[6-7],抽样判决器,最后通过帧同步检测器[8]恢复出数字信号。

(1)匹配滤波器和Isinc函数滤波器:接收滤波器与调制过程的成形滤波器完全相同。Isinc函数滤波器采用切比雪夫等波纹滤波器[9-10]进行设计,可以有效减少码间串扰,校准波形。

(2)抽样判决器:设定合适判决阈值恢复四电平信号,然后再转换为二电平信号。

(3)帧同步检测:查找每一帧数据的帧头和帧同步字,确定帧起始位置后进行解帧,恢复出原来数据。

本文主要研究工作是在调制解调器基带信号处理部分的相关数字滤波器设计,帧同步检测器设计,最后用MATLAB对设计的4FSK调制解调系统进行误码率测试。

2　基带信号处理的关键技术

根据DCR协议,基带信号处理过程,主要包括4部分的设计,分别是调制过程的成型滤波器、解调过程的匹配滤波器、Isinc函数滤波器、帧同步检测器。

2.1成型滤波器与匹配滤波器的设计

DCR协议规定升余弦频谱特性在发送滤波器和接收滤波器之间均等的划分,则成型滤波器和匹配滤波器具有相同的频率响应如下:

(1)

其中T=416.7μs(2.4k符号/sec),滚降系数α=0.2.

根据上式滤波器的频域响应是有限的,其时域响应是无限的,这样的系统在现实中不可实现。因此,采用FIR滤波器的设计方法,对时域响应h(t)进行对称截断、抽样,得到相应的FIR数字滤波器。本设计采用窗函数截断,带来的直接后果就是过渡带变宽,码间串扰增大。以下是矩形窗设计的FIR滤波器,截止频率fc=1.2kHz,采样速率为9.6kHz,阶数N分别为11、21、31、41进行比较,冲击响应如图2所示。

由表1可以看出,阶数N越大,滤波器码间串扰越小,从其频谱来看N越大,过渡带越窄,阻带最小衰减越大。但是N越大,实现起来越困难,综合考虑后选择N=31。

表1　不同阶数滤波器的码间串扰

2.2Isinc函数滤波器的设计

由于基带传输系统的输入波形是4进制的非归零码,为了能在抽样点消除码间串扰,将多电平信号变成窄脉冲,必须使该系统滤波响应hⅢ(f)符合奈奎斯特第3准则。或者滤波响应响应为hⅠ(f)满足奈奎斯特第1准则与Isinc函数P(f)加权。其中Isinc滤波器称为网孔均衡器。hⅢ(f)和hⅠ(f)关系如式(2)、式(3)所示:

hⅢ(f)=hⅠ(f)P(f)

(2)

(3)

其中T=416.7μs(2.4k符号/sec),滚降系数α=0.2。

图2　平方根余弦滚降滤波器冲击响应

由于Isinc滤波器的时域表达式不是一个显式,窗函数不能实现,可采用最小二乘法或者等波纹线性相位FIR滤波器实现。本文采用切比雪夫等波纹滤波器。其主要运用了Parks-McClellan算法他在多项式解上吸收了Remez交换算法。首先设定滤波器通带和阻带的波纹因子δ1和δ2,通带截止频率ωp和阻带起始频率ωs,利用式(4)估算出阶数N。由于对N的近似最大误差δ可能不等于δ2,即改变N的大小,直到最大波纹系数δ≤δ2为止。然后采用Parks-McClellan算法得到滤波器单位脉冲响应h(n)。这样,切比雪夫等波纹FIR滤波器就确定了。

(4)

图3是利用MATLAB设计的Isinc函数FIR滤波器的冲击响应和频率响应阶数,其中N=31,ωp=1.44kHz,ωs=1.75kHz,δ2/δ1=40,Fs=9 600Hz。通带抖动0.3dB,阻带衰减为40dB,过渡带为0.31kHz。

图3　Isinc函数FIR滤波器的冲击响应和频率响应

2.3帧同步检测器的设计

在DCR系统下,信道中传输的帧格式分为2种,通信信道(SC),同步脉冲(SB0)。通信信道(384 bit)是指用户为了通信而使用的双方向信道,由业务信道(TCH)、低速关联控制信道(SACCH)及无线情报信道(RICH)所构成。同步脉冲(384 bit)是指在通信用频道中为了建立同步而被发送的信号。表2、表3为SC,SB0的帧格式组成。

表2　SC的帧格式组成表

表3　SB0的帧格式组成表

其中P:帧头;SW:同步字;SACCH:低速关联控制信道;RI:无线信息信道(RICH);PICH:参数信息信道;TCH1/2:业务信道。协议中规定,帧头(P)的后18 bit和帧同步字(SW)的20 bit共计38 bit,解调时进行帧同步确定。通常情况下,P=(5775 FD)16,SW=(CDF5 9)16。

本文设计的帧同步检测器,是将38 bit的帧同步字存储起来。取每一帧数据的前50个数据,与本地存储的38 bit进行滑动相乘求和运算,从而可以确定一个最大值的位置,在这个位置向后减去37就是帧同步字开始位置,如图4(a)所示。确定了同步字的起始位置,就可以进行解帧。需要注意的是,进行帧同步检测时,允许有两位同步码错误,那么在本设计中设置最大值阈值为25,如果最大值小于25,将判定没有检测到帧同步字,如图4(b)所示。

由图4可以看出,经过相关运算后,只有一个峰值出现,而且该峰值与周围值相差很大,易分辨。

图4　帧同步检测峰值的位置

4　调制解调系统性能仿真

整个4FSK系统在MATLAB下进行仿真,对接收信号的误码率(BER)进行分析。发送仿真:经过滤波器后四电平基带信号,D/A转换后采用直接调频,通过高斯白噪声的信道。解调仿真:采用相干解调,经过A/D转换和FIR滤波器之后进行抽样判决,恢复出二进制信号。

根据MFSK相干解调BER估计方法[12],理论的BER为:

(5)

相干解调的理论BER曲线如图5所示。

解调时抽样判决仿真采用最大似然检测算法,即计算出当接收信号分别是发送信号集合(+3,+1,-1,-3)的后验概率,其中后验概率最大的即为最大似然检测判决输出符号。根据发送的信号与接收信号,计算出仿真BER。仿真得到的BER与理论BER进行比较,结果如图5所示。

图5　BER仿真值和BER理论值

图5中平滑曲线是经过理论计算得到误码率,圆点直线是经过仿真恢复的信号误码率,由上图可以看出仿真的BER和理论BER比较接近,符合DCR调制解调系统基本要求。

5　结束语

本文设计了DCR调制解调系统,首先从基带信号处理滤波器入手,实现了平方根余弦滚降FIR滤波器,充分考虑了码间串扰和实现的复杂程度,用最简单的窗函数方法实现直接型FIR滤波器。同时用切比雪夫等波纹逼近法设计Isinc滤波器,有效的降低了滤波器采样点数,以及在边界频率的控制上更加准确。根据DCR标准设计的帧同步检测器,设计算法简单,分辨率高,实现容易。

整个DCR调制解调系统在MATLAB下进行了性能仿真,仿真的误码率与公式推导得出的BER接近。最后在自己搭建软件无线电平台下,将计算机中基带信号处理模块与硬件的语音编码器、射频模块、数据采集转换模块进行联调,实现了简单的DCR数字对讲机。

参考文献:

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[2]ETSITR 102 490V1.2.1(2006-08).Electromagnetic Compatibility 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].2006.

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

[5]张维良,郭新波,潘长勇,等,平方根升余弦滚降FIR数字滤波器设计[J].电讯技术,2002,42(6):51-55.

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[12]Qui P L.Digital Communication Foundation[M].Beijing:Electronics Industry Press,2007:176.

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;

胡乃瑞(1987-),男,汉族,辽宁省瓦房店市人,沈阳航空航天大学电子信息工程学院,硕士,主要研究方向为信息获取与处理,hunairu2007@126.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。

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

中图分类号:TN915

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)04-0640-05

收稿日期:2013-08-29修改日期:2013-09-26

项目来源:航空科学基金资助项目(20122654004);辽宁省自然科学基金资助项目(2013024008);江苏省博士后科学基金资助项目(1101077C)