基于嵌入式平台的数字对讲机设计
dmr数字对讲机方案
以我给的标题写文档，最低1503字，要求以Markdown文本格式输出，不要带图片，标题为：dmr数字对讲机方案# DMR数字对讲机方案数字对讲机（Digital Mobile Radio，简称DMR）是一种专业的无线通信设备，用于实现语音和数据传输。
DMR采用数字信号传输技术，具有更好的语音质量、更高的频谱效率和更强的抗干扰能力。
本文将介绍DMR数字对讲机方案的基本原理、技术特点以及应用场景。
## 基本原理DMR数字对讲机方案基于数码信号传输技术，在传输过程中将语音和数据转换为数字信号进行传输。
具体原理包括以下几个方面：1. 数字语音编解码（Vocoder）：DMR采用数字语音编解码算法，将模拟语音信号转换为数字语音信号进行传输。
数字语音编解码算法具有优秀的抗噪声性能和高保真度。
2. 异或运算（XOR）加密：为了保证通信安全性，DMR对语音和数据进行加密处理。
其中，异或运算是一种简单而有效的加密算法，能够提供较高的加密强度和传输效率。
3. 时隙分配多址技术（TDMA）：DMR采用时隙分配多址技术，将频率划分为时间时隙，不同用户在不同时隙进行通信。
这种技术可以实现多个用户共享同一频率资源，从而提高频谱效率。
4. 数据业务传输：除了语音通信，DMR还支持数据业务的传输。
用户可以通过DMR实现简单的短信、文件传输等功能。
## 技术特点DMR数字对讲机方案具有以下技术特点：1. 语音质量优异：DMR采用数字语音编解码算法，使得语音质量更加清晰、保真，同时能够有效抑制噪声和干扰。
2. 频谱效率高：采用时隙分配多址技术，充分利用频谱资源，提高频谱利用率。
3. 抗干扰能力强：DMR采用数字信号传输，具有较强的抗干扰能力，能够在复杂的电磁环境下稳定通信。
4. 灵活的数据业务支持：DMR数字对讲机不仅支持语音通信，还支持数据业务传输。
用户可以通过DMR实现简单的短信、文件传输等功能。
5. 扩展性强：DMR数字对讲机方案支持系统的扩展和升级，可以根据用户的需求进行定制化配置。
对讲机设计方案
对讲机设计方案1. 引言对讲机是一种用于进行双向通信的便携式设备，在现代社会的各个领域都得到了广泛的应用，如公共安全、建筑工地、物流行业等。
本文将提出一种对讲机设计方案，以满足用户的通信需求。
2. 设计目标基于对讲机广泛的应用场景，我们设定了以下设计目标：1.高音质通信：能够提供清晰、稳定的音质，以确保通信质量。
2.大范围覆盖：具备较长的通信距离，能够在较大范围内进行通信。
3.耐用可靠：耐用的外壳设计和可靠的内部电路，使对讲机在各种环境下都能正常运作。
4.简单易用：简洁的界面设计和易操作的功能，方便用户快速上手使用。
5.低功耗：优化电池管理系统，延长对讲机的使用时间。
3. 硬件设计3.1 无线模块在对讲机设计中，无线通信模块是关键组成部分。
我们将采用先进的调频技术，以保证高质量的音频传输。
同时，该模块还应该支持多频道切换，以提供更多通信选择。
3.2 天线设计天线设计主要考虑到对讲机的通信范围。
我们将选用高效的天线设计，以扩大通信范围，提供更稳定的信号传输。
3.3 电池管理系统为了满足低功耗的设计目标，我们将采用先进的电池管理系统。
该系统将监测电池电量，并根据需要自动调节功率，以延长对讲机的使用时间。
3.4 用户界面用户界面应该简洁明了，方便用户操作。
我们将设计易于操作的按钮和显示屏，以支持各种功能设置和状态显示。
4. 软件设计4.1 信号处理与编解码对讲机的信号处理与编解码是保证音频传输质量的关键。
我们将采用先进的信号处理算法，以滤除杂音和噪声，并提供清晰的通信质量。
4.2 多频道支持为了满足不同用户的需求，我们将支持多频道的功能。
用户可以根据需要进行频道切换，以实现不同通信需求。
4.3 VOX功能VOX功能是一种便利的功能，使用户无需手动按下对讲机上的按钮即可开启对讲。
我们将提供VOX功能，并支持灵敏度调节，以满足不同用户的需求。
4.4 通话加密为了保护用户的通信隐私，我们将实现通话加密功能。
基于STM32的对讲机设计
第10期2020年5月No.10May，2020对讲机是一种在不需要任何网络的情况下，仍然可实现一对多、多对一无线通话的工具。
目前我国的对讲机产品技术含量和设计，都在朝着智能化、个性化、轻巧型的方向发展，以自主研发、科技创新为主线，挖掘国内的民用对讲机市场[1]。
1 系统总体设计1.1 对讲机工作原理本设计是半双工对讲机，工作原理：话筒采集语音模拟信号，模数转换器（Analog to Digital Converter，ADC）将话筒（Microphone，MIC）采集的语音数字化，数字信号处理器将信号编码，信号被调制后由数模转换器（Digital toAnalog Converter，DAC）将其模拟化，经由射频发射器的天线发送出去；送出的信号由射频接受器接收模拟信号，经由模拟转换器数字化；然后数字信号处理器将信号进行解调和解码，获得数字信号；最后数字转换器将其模拟化，并由喇叭发出，如图1所示[2]。
图1 对讲机原理1.2 对讲机系统设计整个对讲机系统分为如下几个模块：无线语音及数据发送模块电路的设计、语音功放电路的设计、STM32的信号控制模块的设计、显示电路的设计，如图2所示。
2 硬件电路的设计系统硬件电路设计主要包括STM32芯片主控制电路、显示模块电路、电源稳压电路、功放电路等。
2.1 STM32芯片主控制电路本设计的主控模块采用的是STM32F103C8T6微控制器，作为中央处理器（Central Processing Unit，CPU）控制模块，该电路包括STM32F103C8T6芯片、时钟电路以及复位电路。
图2 对讲机电路系统2.2 显示模块电路因液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）屏不能显示中文，所以选用能显示汉字的液晶屏。
考虑到设计系统的升级和显示效果等问题，采用1.44寸薄膜晶体管（ThinFilm Transistor，TFT）液晶屏，选择以串行外设接口（SerialPeripheral Interface，SPI）通信协议作为控制。
基于LinuxQt的智能家居系统设计
基于Linux/Qt的智能家居系统设计针对智能家居的特点及应用背景,设计了一种家庭多功能控制系统。
该系统采用飞思卡尔公司arm Cortex A8系列的i.MX51处理器作为MCU,在其上移植嵌入式Linux作为软件开发平台,并利用Qt相关技术为基础设计友好的用户界面,实现了arm板的各功能模块与服务器端的交互。
系统同时具备数字可视对讲、信息收发、家电控制、安防报警、家庭娱乐等功能。
1 系统的架构和功能家庭智能控制系统主要由室内分机、单元门口机、小区围墙机、管理中心终端机、管理中心服务器以及附件组成。
系统采用分布式网络结构,可以根据住户数量对系统的容量进行扩充。
(1)室内机是用户在室内进行操作的主要平台,其功能组成为:可视对讲、信息服务、家电控制、安防报警、家庭娱乐等。
可视对讲模块主要实现双向可视通话、视频监控、留言/留影、开锁等功能;信息服务模块主要用来收发物业信息和小区广播,支持文本、图片形式,并实现与可视对讲模块的影音共享;家电控制模块包括对灯光、窗帘、空调、电梯等设施的无线控制,并预设了情境模式;安防报警模块支持对烟感、门磁、煤气泄漏检测等的自动报警,并可通过GPRS/3G技术将报警信息传送到用户手机上;家庭娱乐模块支持常见格式的音视频文件的播放(主要依靠硬件解码)以及对常见格式的图片的浏览(电子相框)。
(2)单元门口机的主要功能是完成与所在单元楼的任意住户以及管理中心机的可视通话,除了具备留言/留影功能外,还提供触摸屏校准、背光调节、密码设置等功能。
(3)围墙机的基本功能和单元门口机类似,但可视对讲、留言/留影功能是针对小区内所有住户的。
(4)中心机是整个系统的神经中枢,管理人员通过管理中心的控制设备管理各子系统的终端,其功能包括:可视对讲、视频监控、查看报警信息、排除设备故障、信息服务、系统设置、远程管理等。
2 系统的实现方案2.1 Qt的信号/槽机制Qt是一个跨平台的C++应用程序框架,完全面向对象、易于扩展且允许真正的组件编程。
一套非常详细的楼宇对讲系统设计方案
一、引言随着科技的快速发展和智能化趋势的加强，楼宇对讲系统作为现代化建筑的重要组成部分，对于提升楼宇安全性和居住体验具有重要意义。
本设计方案旨在提出一套详细、实用的楼宇对讲系统方案，以满足不同楼宇的需求，提供安全、便捷、高效的通信服务。
二、系统概述本楼宇对讲系统采用先进的数字技术和网络技术，实现楼宇内部、楼宇与楼宇之间、楼宇与外部世界的实时通信。
系统具备高清音视频通信、智能识别、远程控制等功能，同时兼容多种通信协议，确保系统的兼容性和可扩展性。
三、系统组成1. 前端设备：包括门禁控制器、室内机、室外机、音视频采集设备等。
前端设备负责实现用户与系统的交互，提供高清音视频通信、身份识别、门禁控制等功能。
2. 传输网络：采用高速、稳定的局域网或广域网，确保音视频数据的实时传输和通信质量。
3. 平台软件：具备强大的管理和控制功能，实现用户管理、设备管理、通信管理、报警管理等功能。
四、系统功能1. 高清音视频通信：支持高清音视频信号的采集、传输和显示，提供清晰、流畅的通信体验。
2. 智能识别：采用人脸识别、指纹识别等生物识别技术，实现快速、准确的身份认证。
3. 门禁控制：实现楼宇门禁的自动控制，支持多种开门方式，如密码、刷卡、生物识别等。
4. 远程控制：支持远程开锁、监控、对讲等功能，方便管理人员进行远程管理和监控。
5. 报警管理：具备报警功能，如非法入侵、火灾等异常情况发生时，系统能够自动报警并通知相关人员。
五、系统特点1. 先进性：采用先进的数字技术和网络技术，确保系统的先进性和可靠性。
2. 实用性：系统具备丰富的功能，满足不同楼宇的需求，提供安全、便捷、高效的通信服务。
3. 兼容性：系统兼容多种通信协议和设备，方便与其他系统进行集成和扩展。
4. 易用性：系统操作简单、界面友好，方便用户快速上手和使用。
六、实施步骤1. 需求分析：根据楼宇的实际情况和需求，分析系统应具备的功能和特点。
2. 设计方案：根据需求分析结果，制定详细的设计方案，包括设备选型、网络架构、软件功能等。
对讲机毕业设计
对讲机毕业设计对讲机作为一种便捷的通信工具，在许多领域都有着广泛的应用，如公安、消防、物流、建筑等。
本次毕业设计旨在设计一款功能实用、性能稳定的对讲机系统，以满足特定场景下的通信需求。
一、设计背景随着科技的不断发展，通信技术日新月异，但对讲机因其独特的优势仍然在特定领域发挥着重要作用。
它不受网络覆盖的限制，能够在没有基站信号的情况下实现短距离通信，具有即时性、可靠性和便捷性等特点。
在实际应用中，不同场景对对讲机的功能和性能有着不同的要求。
例如，在应急救援场景中，对讲机需要具备强大的抗干扰能力和远距离通信能力；在物流仓储场景中，对讲机则需要小巧轻便、操作简单，并且能够支持群组通信。
因此，设计一款满足特定需求的对讲机具有重要的现实意义。
二、设计目标本次对讲机毕业设计的主要目标是设计一款具有以下功能和性能的对讲机：1、通信距离：在开阔地带，通信距离不小于 5 公里。
2、频率范围：覆盖常见的对讲机频段，如 400-470MHz。
3、语音质量：清晰、无杂音，能够准确还原语音信息。
4、电池续航：连续工作时间不少于 8 小时。
5、操作便捷：具备简单直观的操作界面，方便用户使用。
6、抗干扰能力：能够在复杂的电磁环境中稳定工作，不受其他信号的干扰。
三、硬件设计1、主控芯片选择合适的微控制器作为主控芯片，负责整个对讲机系统的控制和管理。
要求芯片具有低功耗、高性能、丰富的接口资源等特点。
2、射频模块射频模块是实现对讲机通信的关键部分。
选用高性能的射频收发芯片，搭配合适的天线，以确保通信距离和信号质量。
3、音频处理模块包括麦克风、扬声器、音频放大器等，负责语音信号的采集、放大和播放，保证语音质量清晰、洪亮。
4、电源管理模块设计合理的电源管理电路，为整个系统提供稳定的电源供应。
同时，要考虑电池的充电管理，以延长电池使用寿命。
5、显示与操作模块配备液晶显示屏和按键，用于显示对讲机的工作状态和参数，以及进行功能操作。
四、软件设计1、通信协议制定适合本对讲机系统的通信协议，包括频率选择、信道编码、调制解调方式等，以确保通信的准确性和可靠性。
基于嵌入式的数字对讲机设计与实现
该芯片可以在 电源 电压低至１ ． ８ Ｖ 时仍 能正常工 作， 且交越失 真小 ， 静态 电流 低 ， 外 围器件 少 。电平
转换 电路 采 用 ＭＡ Ｘ ２ ３ ２芯 片 ， 该 芯 片 的 收 发 器 将 Ｒ Ｓ ２ ３ ２电平转 化为 ５ Ｖ的 Ｃ Ｍ Ｏ Ｓ ／ Ｔ Ｉ ＇ Ｌ电平 ， 发 送器 则把 Ｃ ＭＯ Ｓ ／ ＇ Ｉ ｑ ＇ Ｌ电平转 换 为 Ｒ Ｓ ２ ３ ２电平 。外 部控
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２—０ ８—１ ５ ．
音频功率放大器芯片。音频处理模块实现对讲机
收发模块输出音频信号 的放大， 加入一些外 围电 路， 可有效保 障输 出音频 的效果 。该功放 为直接 耦合 ， 因此输入信号不能带直流成分 。如果输入 信号有直流成分则必须在输人端串接一只电容隔
第３ ５ 卷 第２ 期 ２ ０ １ ３ 年４ 月
武 汉 理 工 大学 学 报 （ 信息与管 理工程版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＷＵ Ｔ （ Ｉ Ｎ Ｆ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｔ Ｉ Ｏ Ｎ＆Ｍ Ａ Ｎ Ａ Ｇ Ｅ Ｍ Ｅ Ｎ Ｔ Ｅ Ｎ Ｇ Ｉ Ｎ Ｅ Ｅ Ｒ Ｉ Ｎ Ｇ ）
作者简介 ： 魏洪涛 （ １ ９ ７ ４ 一） ， 男， 湖北 应城人 ， 武汉理工大学信息工程学 院副教授 ； 博士 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（ ５ １ １ ０ ７ ０ ９ ３ ） ．
第３ ５卷
第２ 期
魏洪涛 ， 等： 基于嵌入式 的数 字对讲 机设计与实现
１ ９ ５
２ 软件设计
２ ． １ 通信 协议
图 ２ 音频 处理模块 电路 图
１ ． ２ ． ２ 电平 转换模 块
基于 Ｈ Ｋ Ｔ一 ８ ０核心模块 ， 对讲机与上位机采 用标 准 的异步 串 口 Ｒ Ｓ ２ ３ ２ ， 通过 Ａ Ｔ （ Ａ ｔ ｔ ｅ ｎ ｔ ｉ ｏ ｎ ） 指
基于dmr标准协议的数字对讲机设计
第32卷第1期2020年3月Vol.32No.1Mar .2020宁德师范学院学报(自然科学版)Journal of Ningde Normal University (Natural Science)基于DMR 标准协议的数字对讲机设计陈石龙1,陈志明2(1.宁德师范学院信息与机电工程学院,福建宁德352100;2.福建宝峰电子有限公司,福建泉州362000)摘要:针对传统模拟对讲机存在的信道利用率低、保密性差、抗干扰能力弱等现象,提出一种数字对讲机设计方案,数字基带采用大华科技的HRC6000数字芯片,符合DMR Tier I/II/III 标准协议,主芯片采用意法半导体的STM32F405,软件系统采用ucosii 实时操作系统,整体方案集成度高,硬件开发周期短.关键词:数字对讲机;DMR ;Tier I/II/III ;HRC6000中图分类号:TN929.54文献标识码:A文章编号:2095-2481(2020)01-0027-08收稿日期:2019-07-08作者简介:陈石龙(1984-),男,工程师.E-mail:121455136@基金项目:福建省教育厅科技项目(JAT170647);宁德师范学院青年教师专项(2016Q39).国内目前主要采用传统的模拟对讲机,技术落后,缺点明显.随着用户量的增长,频谱资源日益紧张随着数字化信息时代和物联网的到来,模拟对讲机已远远不能满足用户各种场合的应用需求.2009年12月12日工业和信息化部发布〔2009〕666号文件《工业和信息化部关于150MHz 、400MHz 频段专用对讲机频率的规划和使用管理相关事宜的通知》,明确要求全面实现模拟对讲机向数字对讲机的转换,停止对模拟对讲机的型号核准.与模拟机相比,数字机有明显的优势:1)采用窄带传输,带宽为12.5kHz ,并且工作方式为TDMA ,可以将一个频率分成两个不同的时序独立控制,在同样的频谱资源内信号容量增加了一倍,提高了频谱的利用率[1];2)提高话音质量,由于数字通信技术拥有系统内错误校正功能,和模拟对讲机相比,可以在一个范围更广泛的信号环境中,抗干扰能力增强;3)数字对讲机可以提供更好的数据处理和加密功能,从而使更多的数据应用可以被集成到同一个双向无线通讯基站结构中,对语音和数据服务集成更完善、方便.这三大特点使数字对讲机成为未来对讲机技术发展的必然趋势[2].本文提出一种数字对讲机设计方案,该方案采用集成芯片将语音信号数字化,以数字编码形式传播,配合声码器实现语音信号的传输和播放,带宽为窄带的12.5kHz ,工作方式为TDMA ,将一个频率分成两个时序独立控制,这样在同样的频谱资源内,信号容量增加了一倍,提高了频谱利用率[3].采用HRC6000数字处理芯片作为数字基带,设计符合ETSI TS102361(DMR)的Tier I/II/III 标准协议,支持物理层、数据链路层和呼叫控制层独立控制;支持真双时隙同步头检测;采用TDMA 技术,支持全双工、半双工语音、数据通信及数话同传业务;支持4.8Kbit/s 和9.6Kbit/s 数据传输;支持语音加密.1数字对讲机整体设计方案本方案硬件由MCU 、数字基带芯片、声码器和外围射频电路组成.采用意法半导体的STM32F405芯片作为主控MCU ,外挂AMBE 声码器,射频电路采用射频集成处理芯片AT1846,整体硬件设计方案集成度高.硬件框图如图1.图1数字对讲机整体硬件框图宁德师范学院学报(自然科学版)2020年3月2数字对讲机通讯协议在数字对讲机中,关键技术主要包括:1)低速话音编码技术(简称为“声码器技术”);2)数字调制解调技术;3)信道编解码技术;4)无线通信协议栈相关技术.通信过程中的信息流如图2.图2中话音的加密功能是可选的,根据用户对加密强度的不同需求也可实现不同的加密方式.以下介绍DMR 协议的话音传输协议和标准数字控制协议.2.1话音传输协议在DMR 标准协议中,语音以帧为单位传输,语音数据被分成多帧,一帧完整的语音数据为360ms ,一帧数据又分割成6段(A-B-C-D-E-F ),每段60ms.语音通话时,语音以帧为单位循环传输,直到通话结束.通话时,发射机通过话音编码技术将60ms 的数据压缩为27.5ms 的数据传输,接收机再通过话音解码技术,还原成60ms.压缩后27.5ms 的数据格式如图3.图3中的数据有264位,其中话音数据216位,还有48位的数据用于话音同步或传输控制指令,可将一个60ms 的时间分割为两个独立工作互不影响的30ms.在DMR 协议中,这两个30ms 被定义成时序1和时序2.图2数字对讲机通话流程图3压缩后数据格式VS (215)VS (107)VS (0)VS (108)SYNCorsignalling (48)embeddedVoice (108)Voice (108)◀▶27.5ms28--上文已谈及,实质数据只有27.5ms ,其余2.5ms 时间可用于发射时的功率上升和停止发射时的功率下降,保证整个发射时间严格按照协议标准,不会干扰另一个时序的工作,一帧语音超帧是360ms ,由A-F 组成,如图4.每30ms 的语音数据,有48个字节的嵌入域用于存放数据控制信息,A 帧的嵌入域存放的是同步信息,用于语音通话的同步,当通话发起时,接收机只有收到同步头,才能正常接入,收到正确的话音,如果A 帧数据丢失,只能等下一个超帧,这时就会丢失360ms 的数据.2.2数据传输协议DMR 协议中,一帧数据也是27.5ms ,264位.其中数据196位,20位的Slot Type PDU ,这20位数据是用来定义这196位数据的含义,每一帧数据还有48位的同步头或者嵌入域,同步头用来指示一段数据的开始,嵌入域可存放用户自定义数据,数据结构如图5.20位的Slot Type 数据中,4位的CC 用于指示当前发射方的色码;4位的Data Type 用于指示当前数据的数据类型,DMR 的数据类型包括PI Header 、Voice LC Header 、Terminator with LC 、CSB 、Data Header 等;还有12位的奇偶校验.3硬件电路设计3.1系统硬件电路本系统主要硬件电路如图6.图4一帧语音超帧Embedded EmbeddedEmbedded EmbeddedEmbedded Voice SYNC Voice SYNC Embedded EmbeddedVoice Voice Voice Voice Voice Voice Voice Voice FABCDEFABVoice Voice superframe=360ms图5DMR 协议7.5ms 数据结构图CCData TypeFEC ParityFEC ParitySYNC of signalling (48)lnfo (98)lnfo (98)embedded R12R13R17L12L13L18L17L66R66R1827.5ms◀▶第1期陈石龙等:基于DMR 标准协议的数字对讲机设计29--宁德师范学院学报(自然科学版)2020年3月本方案数字基带采用大华科技的HRC6000芯片,芯片通过SPI 接口与单片机通信,I2S 接口与声码器连接,实现语音数据的发送和接收.HRC6000的SYS_INTER 引脚每30ms 会触发一次中断,为整个系统提供30ms 的基准时钟.3.2MCU 的选择本方案设计的MCU 采用STM32F405,该芯片为意法半导体设计生产,ARM CORTEX-M4内核芯片,其工作电压为1.8~3.6V ,多达82个可用IO 口、最大1M ROM 及192Kb RAM ;该芯片功能强大,接口丰富,I2S 接口功能使芯片可植入声码器内核,大大节约成本;USB 接口芯片可通过USB 接口与外界传输数据,传输速度快;FSMC memory controller(可变静态存储控制器)可方便用于LCD 的控制数据传输.主控MCU 的外接电路如图7[4].图6数据对讲机硬件电路图图7主控MCU 电路30--3.3HRC6000数字基带设计HRC6000芯片集成高性能的4FSK 调制解调器、MSK 调制解调器和协议处理器等,芯片与主控MCU采用SPI 接口通信方式.发送射频接口采用单端输出,支持基带IQ 、中频、两点调制;接收射频接口采用差分输入方式,支持基带IQ 、中频和AF 模式;发送两路信号偏置、幅度大小可独立调节.目前该方案采用两点调制发送,其接口电路如图8.两点调制信号经过两个运放调节其信号偏置及信号幅度得到MOD1、MOD2两路信号,分别控制晶振及VCO 实现两点调制,其中Bias1与Bias2分别为运放的偏置电压,可通过DAC 或数调电阻得到,AD5165为运放反馈电阻,用于调节信号幅度[5].接收采用中频模式,其接口参考电路如图9.接收信号经滤波、放大、混频至低中频,经低中频放大器送给HRC6000的AD 管脚ADC_IVINP ,而ADC 的负端ADC_IVINN 可接地或接收中频信号的偏置电压.3.4射频电路设计射频电路主要采用AUCTUS 的AT1846,AT1846是一款高度集成的单芯片,可节约很多外围器件,应用于无线对讲,实现了在RX 路径下从射频载波到语音的转换,在TX 路径下从语音到射频载波的转换.超宽频带范围,从400~520MHz 、136~174MHz.电路原理图如图10[6].图8两点调制接口参考电路图9中频接收接口参考电路第1期陈石龙等:基于DMR 标准协议的数字对讲机设计31--宁德师范学院学报(自然科学版)2020年3月4系统软件设计软件采用ucosii 实时操作系统,整体设计运用分层设计思想,分为物理层(底层硬件驱动层)、数据链路层、APP 层(应用层),设计符合DMR 协议标准的数字对讲机[7].HRC6000设计采一层模式主要解决基带或低中频信号的通道滤波和信号的调制解调,如上图中物理层框中所定义的功能;二层模式主要是在一层的基础上,完成信道的编解码、交织、解交织和校验等工作,如上图中白色虚线框中所定义的功能;三层模式是指根据DMR 协议定义的所有应用功能,完成信号的调制解调、编解码已标准化应该功能的协议栈设计,如上图中灰色虚线框中所定义的所有功能.4.1数字对讲机接收流程数字基带C6000的49脚是系统中断脚,当有发射或接收业务时,脚的电平会有跳变,触发单片机图10射频参考电路图11HRC6000三层开放架构C429~C434470PL41532--的外部中断,通过外部中断,软件可判断业务类型.当检测到系统中断时,通过读取C6000的系统中断源来确定中断类型,中断类型主要包括:发送结束中断、后接入中断、数据接收中断、物理层单独工作接收中断等.正常的语音接收过程是先收到语音同步帧头,同步头包含对方的ID 、色码、呼叫类型(各呼、组呼、全呼)和被呼叫方的ID ,接收方收到语音同步头后,判断对方的呼叫,是否应要接入呼叫.因为通话建立的过程中,发射方只会发送一次语音同步头,为防止接收方没有收到语音同步头而无法正常接入呼叫,DMR 协议引入了语音后接入中断.一帧语音超帧360ms ,由6帧语音数据(A-F )组成,其中A 帧是语音头,F 帧是空闲帧,语音通话的ID 、色码、呼叫类型等数据被分成小数据嵌入到A-E 帧的嵌入域中,语音后接入每360ms 触发一次,直至通话结束.软件通过语音后接入,获取完整的通话信息.当通话结束时,发射方会发送语音帧尾数据,接收方通过系统中断,获取到语音帧尾数据,执行通话结束动作,程序流程图如图12.4.2数字对讲机发射流程DMR 数字对讲机采用TDMA 时分多址技术,60ms 通话时序被划分为两个独立的时序(时序1和时序2),时序1发射时,另一个时序不发射,通话流程变成30ms 发射,30ms 接收,如此循环.C6000的48脚会每隔30ms 跳变一次电平,为并判断语音通话是否异常.在30ms 的时序中断,软件判断是否有数据要发送,若没有,则转换为接收状态.若数据为语音数据,首先发送语音头A 帧,A 帧数据包含发射方ID 、接收方ID 、呼叫类型、色码等数据;后发送B 帧,然后C-D-E ,最后是空闲帧F ,可在F 帧嵌入用户的自定义数据.语音数据发送到F 帧后,软件要判断是否有其他数据帧要发送,若没有则重新配置A 帧并发送;若有则释放当前数据帧,接入并发射新的数据,如果新的数据帧是语音帧尾,则发送完语音帧尾后结束发射动作,信号发射程序流程如图13.12语音后接入中断图13发射程序流程图应用案例部分第1期陈石龙等:基于DMR 标准协议的数字对讲机设计33--宁德师范学院学报(自然科学版)2020年3月参考文献院[1]ETSI TS 102361-1v2.4.1,2016:12[S].[2]ETSI TS 102361-2v2.3.1,2016:25[S].[3]ETSI TS 102361-3v1.2.1,2013:32[S].[4]刘火良,杨森.STM32库开发实战指南[M].北京:机械工业出版社,2017:18.[5]数字信号处理与滤波器设计[M].白文乐,王月海,胡越,译.北京:机械工业出版社,2018:20.[6]刘长军,黄卡玛,朱铧丞.射频通信电路设计[M].2版.北京:科学出版社,2018:15-23.[7]刘波文,孙岩.嵌入式实时操作系统Ucos-2经典实例:基于STM32处理器[M].北京:北京航空航天大学出版社,2014:10-36.5结语本次设计以意法半导体的STM32F405为主控MCU ,该芯片内置I2S 接口,可内置声码器内核,最大运行速度168MHz ,满足声码器正常工作时的速度要求,芯片自带USB 接口,可通过USB 与外界交互数据,还有其它丰富的接口资源,满足整个系统功能所需.射频模块和数字基带采用集成芯片,相比传统的分立器件方案,大大缩减了硬件器件,节约了成本,且方案更稳定,更易生产;DMR 数字对讲机的双时序功能和数据传输功能,可以轻松实现组网和任务调度(个呼、组呼、全呼、谁在呼叫、位置信息,GPS 定位),具有很高的推广价值.Design of digital walkie talkie based on DMR standard protocolCHEN Shi-long 1,CHEN Zhi-ming 2(1.College of Information and Mechanical &Electrical Engineering ,Ningde Normal University,Ningde,Fujian 352100,China;2.Fujian Baofeng Electronics Co.,Ltd.,Quanzhou,Fujian 36200,China)Abstract:The main disadvantages of analog walkie talkie are low channel utilization,poor security and weak anti-interference ability.In view of this phenomenon,this paper proposes a design scheme of digital walkie talkie.The digital baseband adopts the hrc6000digital chip of Dahua Technology,which conforms to the DMR Tier I /II /III standard protocol.The main chip adopts stm32f405of Italian semiconductor,and the software system adopts uCOSII real-time operating system.The overall scheme has high integration and short hardware developmentcycle.Key words:digital walkie talkies;DMR;Tier I/II/III;HRC6000[责任编辑郭涓]34--。
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文章编号:1004-9037(2012)增刊-0235-06基于嵌入式平台的数字对讲机设计及实现阮铭清 刘 夙 李耀华 张绍游 叶晓勇 张贻雄(厦门大学信息科学与技术学院,厦门,361005)摘要:与传统模拟对讲机对比,数字对讲机由于频谱利用率高、抗干扰能力强、对数据业务的良好支持等优点受到更多的关注。
本文采用T I 嵌入式芯片设计了一个数字对讲机实现方案。
该方案以T I O M A P L 138为主处理器,以欧洲的数字专用无线电对讲机(D igital pr iv ate mobile radio ,DP M R )协议为通信协议标准。
语音编解码采用软件编程的方式。
本文设计的数字对讲机具有语音质量好、业务可拓展性强等优点。
关键词:数字对讲机;数字专用无线电对讲机协议(DPM R);语音编解码中图分类号:T N 924+.2 文献标识码:A 基金项目:福建省高校产学合作科技基金(2011H6028)资助项目。
收稿日期:2012-06-10;修订日期:2012-10-13Design and Implementation of Digital Interphone Basedon Embedded PlatformRuan Mingqing ,L iu S u ,L i Yaohua ,Zhang Shaoy ou ,Ye X iao y ong ,Zhang Yix iong(Scho ol of I nfo r matio n Science and Eng ineering ,X iamen U niv ersit y,X iamen,361005,China )Abstract :Compared w ith the tr aditio nal analog inter phone,the dig ital interphone is paid m uch attention for its hig h spectrum efficiency ,strong imm unity to interference and favo rable sup-por t of data service.An implem entation scheme of dig ital interphone based o n TI embedded chips is designed .In the scheme ,T I OMAPL 138is selected as CPU ,and the European digital interphone protocol,digital private mobile radio (DPM R)as the co mmunicatio n protocol.The speech CODEC is realized through so ftw are pro gramm ing.The digital interphone by the schem e has adv antages in ex cellent speech quality and w ide expansibility .Key words :dig ital interphone;digital private mobile radio (DPM R)pr otoco l;speech CODEC引 言对讲机通信作为一种专业无线通信,在应急通信、集群调度、即时通信等方面有着独特优势,被广泛应用于公安、消防、救护、石油化工和民用的建筑施工、酒店餐厅、物业管理、学校、商场等领域,在国民经济生活中具有重要作用。
当前对讲机主要以模拟对讲机为主,随着经济社会的发展,对讲机用户不断增多以及频谱资源的日益紧张,模拟对讲机相互干扰及通信拥堵问题日益突出[1]。
数字对讲机是在其内部将语音信号进行数字化处理,并可以拓展其他数据应用业务功能的对讲机。
作为模拟对讲机的更新换代产品,数字对讲机融入了数字调频等现代通信技术,与传统的模拟对讲机相比在以下4方面具有着无法比拟的优势:(1)频率利用率高。
一路语音信号占用一个信道,信道带宽为6.25kHz 或者12.5kHz [2],而传统模拟对讲机信道带宽为25kHz,从而很好地解决了当前频谱资源日益缺乏的难题。
(2)语音质量好。
数字技术抗干扰能力强,可过滤噪音并重新构造信号,因此用户的通话将更加清晰。
数字对讲机使无线通讯的有效覆盖范围提高,拥有比模拟技术更优良的语音质量,用户可由此轻松应对现场不断变化的工作环境。
这些优点均得益于窄带编解码器的应用以及数字纠错技术。
(3)能提供数据应用等附加业务。
由于数字对讲机内部设有数字信号处理机制,因此可以增加若干有关数据应用的扩展功能,例如文本信息、视频信息、遥测数据等无线传输等。
(4)易于加密。
在模拟信道上,语音信号很容易被监听。
数第27卷增刊2012年11月数据采集与处理Jo urnal of Dat a Acquisitio n &Pr o cessing V o l.27No.S 2No v.2012字产品能够应用高等级的加密技术,相对模拟语音的扰频技术,语音加密等级更高,且还具备系统鉴权、空口加密等安全手段,因此通信安全水平更高,从而最大限度地确保用户通讯的私密性。
1 系统方案系统从下至上分为4层:硬件层,操作系统层,支持层和应用协议层,如图1所示。
硬件层以OMAPL138为主处理器,外围的主要模块有RF 模块(CC 1120)、矩阵键盘和LCD 等模块。
操作系统部分采用开源操作系统Linux,以降低成本,操作系统层开发工作主要集中在设备驱动开发,包括RF 模块驱动和声码器驱动等。
支持层主要由GUI 库、语音编解码库和支持库组成。
最上层应用协议层,调用支持层GUI 库实现对讲机界面,并对数字专用无线电对讲机协议层做软件实现,通过操作系统层操作外围设备以实现数字对讲机的各项业务流程。
图1 系统架构1.1 协 议目前,中国正处于模拟对讲机系统向数字对讲机系统转化的过程中,国内还没有成熟的数字对讲机协议标准,比较普遍应用的数字无线对讲机协议有DPMR,DM R [3]协议等。
数字专用无线电对讲机(DPM R )协议采用频分多址接入的方式,是一种窄带接入技术,能够提供多种形式的语音和数据应用,是一种采用半双工工作方式的通信技术。
相对于DM R 协议,DPM R 协议有着低成本、低复杂性的优势。
DPM R 协议参考OSI 七层协议结构,分为3层,结构模型如图2所示,由下而上分别是:物理层,数据链路层和呼叫控制层。
物理层的功能主要包括:调制与解调、发射和接收状态的切换、比特同步、帧同步、接收和发送数据。
数据链路层的功能包括:信道编解码、比特排序、确认和重传机制、媒体接入控制和信道管理、组图2 DP M R 协议栈结构帧/解帧和帧同步、链路寻址、与上层交换信令和用户数据等。
呼叫控制层的主要功能包括:建立、保持和终止呼叫、单呼和组呼的传输与接收、目的寻址、数据业务控制、延时接入、呼叫转移等。
其中通话过程包括单呼和组呼。
短消息通信包括一对一传输消息和群发短信。
1.2 语 音语音编解码模块即声码器的功能是将采集到的语音波形信息在发送端进行编码,提取语音参数并传输,接受端根据语音参数来合成出所要传输的语音。
声码器的选择上主要采用两种方案:(1)外加硬件声码器芯片,如采用AM BE1000声码器等。
优点在于应用简单,不需要进行额外的语音模块设计。
但是外加芯片会使得成本上升,且经过测试硬件芯片会使语音带入额外的底噪,本设计不考虑采用该方案。
(2)软件声码器。
拟定采用开源的Melpe [4]和G.723[5-6]声码器。
M elpe 的码率为2.4kb/s,且带有语音增强模块;G.723的码率为5.3kb/s,不带有语音增强模块。
需要考查两种算法的语音质量及所需的计算量。
语音质量用Pesq 值来进行衡量,即主观语音质量评估,其为ITU -T P.862建议书提供的客观MOS 值评价方法。
计算量用A RM 9上运行时所需的MIPS 值来衡量,M IPS 即为百万指令每秒,意义为时长1s 的语音其编解码所需要的指令数。
对两种算法分别进行语音质量参数Pesq 值及在ARM 9上的运算指令数M IPS 测试,结果如表1所示。
从测试结果中可知,M elpe 和G .723的语音质量均较好,Pesq 值大于3,可以根据射频传输速率的变化选择合适的声码器。
但两种声码器的计算量均过大,而方案所采用的OM APL138上ARM 核236数据采集与处理第27卷的主频为300M Hz ,且还需要同时运行协议与驱动,因此需要对G.723进行代码优化。
表1 Melpe 和G .723在ARM9上的运算结果语音算法指标Pesq M IP S M elpe 3.0516.8G.7233.5268.51.3 驱 动驱动主要屏蔽具体物理设备的差异为协议应用层提供相应功能接口。
采用Linux 操作系统,大部分外设内核中都有相应的驱动提供支持。
本方案中需要开发的驱动有RF 模块、键盘、显示。
1.4 界 面界面设计采用了Linux 下的DirectFB 图形库。
DirectFB 是一个轻量级的提供硬件图形加速、输入设备处理和抽象的图形库。
它是一个用软件封装当前硬件无法支持的图形算法来完成硬件加速的层,以最小的资源开销来实现最高的硬件加速性能。
2 系统硬件设计整个系统硬件上分为基带和射频两部分。
各硬件模块的连接框图如图3所示。
其中,RF 模块(CC 1120)与基带部分具体连接如图4所示。
CC 1120是单芯片无线电收发器,其信道间隔为12.5kHz,支持4FSK,2FSK 等多种调制方式,可工作于164～192M Hz,410～480M Hz 和820～960M Hz 三个频段,且支持数据包处理、数据缓冲和突图3 数字对讲机硬件系统图4 OM A P L 138与CC 1120接口图发传输、链路指示和无线电唤醒[7]。
CC 1120是当前窄带无线通信系统收发器的首选。
OMAPL138可通过SPI 接口和少量的IO 口实现对CC1120控制和数据的收发。
3 系统软件设计软件分为3层:底层驱动层,实现RF 驱动、声码器驱动;中间层协议实现控制层、语音编码解码层、定时器处理等;上层为菜单控制层。
功能菜单、协议控制、RF 接收处理、定时器处理均为独立进程,各个进程间的通信均通过消息队列实现。
从菜单层获得短息数据和相关控制信息,协议控制进程直接调用语音编解码接口完成语音的采集和输出,将要发送的RF 数据发送给RF 接收处理进程,并从RF 接收处理进程获得接收的RF 数据。