基于ARM内核的民用数字对讲机系统的设计

邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新ＡＲＭ开发与应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注基于ARM 内核的民用数字对讲机系统的设计ＴｈｅＤｅｓｉｇｎｏｆＣｉｖｉｌＤｉｇｉｔａｌＷａｌｋｉｅ－ＴａｌｋｉｅＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＡＲＭＫｅｒｎｅｌ（清华大学）邱吉刚林孝康Ｑｉｕ，ＪｉｇａｎｇＬｉｎ，Ｘｉａｏｋａｎｇ摘要：民用数字对讲机逐步替代传统的民用模拟对讲机已是大势所趋。

为降低生产成本，本文提出了一项民用数字对讲机的系统解决方案。

该方案利用ＳｏＣ技术，来设计民用数字对讲机的专用ＡＳＩＣ芯片。

在分析民用数字对讲机基本结构的基础上，本文对芯片设计的总体框架及某些关键模块如ＡＲＭ微处理器和外围接口、语音编／解码模块、基带和射频模块、时钟信号设计等作了详细介绍。

关键词：民用数字对讲机；片上系统设计设计；专用集成电路；ＡＲＭ中图分类号：ＴＰ３３９文献标识码：ＡＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓａｐｐａｒｅｎｔｔｈａｔｃｉｖｉｌａｎａｌｏｇｗａｌｋｉｅ－ｔａｌｋｉｅｗｉｌｌｂｅｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｄｂｙｃｉｖｉｌｄｉｇｉｔａｌｗａｌｋｉｅ－ｔａｌｋｉｅ．Ｆｏｒｔｈｅｓａｋｅｏｆｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｃｏｓｔ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｕｔｓｆｏｒｗａｒｄａｓｃｈｅｍｅｗｈｉｃｈｕｔｉｌｉｚｅｓｔｈｅＳｏＣ（ＳｙｓｔｅｍｏｎＣｈｉｐ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅＡＳＩＣｆｏｒｃｉｖｉｌａｎａｌｏｇｗａｌｋｉｅ－ｔａｌｋｉｅ．Ｂａｓｅｄｏｎａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｃｉｖｉｌｄｉｇｉｔａｌｗａｌｋｉｅ－ｔａｌｋｉｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｓｅｖｅｒａｌｋｅｙｍｏｄｕｌｅｓｏｆｔｈｅｃｈｉｐ，ｓｕｃｈａｓｍｉｃｒｏｐｒｏｃｅｓｓｏｒａｎｄｉｎｔｅｒｆａｃｅ、ｖｏｉｃｅｃｏｄｉｎｇ／ｄｅｃｏｄｉｎｇｍｏｄｕｌｅ、ｂａｓｅｂａｎｄａｎｄＲＦｍｏｄｕｌｅ、ｔｈｅｃｌｏｃｋｓｉｇｎａｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｖｉｌａｎａｌｏｇｗａｌｋｉｅ－ｔａｌｋｉｅ，ＳｏＣｄｅｓｉｇｎ，ＡＳＩＣ，ＡＲＭ文章编号：１００８－０５７０（２００６）１０－２－００１３－０３１引言对讲机一般分为民用对讲机和集群对讲机两类。

集群对讲机为集群系统用户专用，需要基站等控制设施支持才能正常使用。

民用对讲机不需要基站等设施，具有费率低、使用方便等特点，因此在物业管理、生产制造等领域得到广泛应用。

与传统的民用模拟对讲机相比，融入了数字调频等现代通信技术的民用数字对讲机具有抗干扰能力强、语音清晰、易于加密等特点，而且还能提供短信息等附加业务。

因此，民用对讲机逐步数字化已是大势所趋。

为此，国内外众多机构投入了大量的人力、物力进行研究和开发。

国内部分高校和有关公司于２００５年１０月召开“数字对讲机产业联盟”筹备工作会议协调相关事宜，以推动国内民用数字对讲机产业的发展。

目前已有部分公司和结构推出了民用数字对讲机的样机。

但是，此类对讲机往往是在集群数字对讲机基础上改进而成，一般采用分离元件设计，结构复杂，成本较高，难以在市场上得到广泛推广。

利用先进的ＡＳＩＣ（专用集成电路）技术和ＳｏＣ（片上系统）技术，可以将众多分离元件的功能集成到一块芯片上，从而可以增强设备稳定性、减小设备体积、降低生产成本。

２民用数字对讲机的系统结构民用数字对讲机主要由控制器、语音编／解码器、信道编／解码器、调制／解调器、射频模块Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ等部分组成。

其框图如图１所示。

在相互通信之前，主／被叫双方相互交换信令信息来建立呼叫连接。

呼叫建立之后，用户输入的语音信号通过Ａ／Ｄ变换，语音编码，信道编码，交织和调制以后送到射频模块发射；接收端接收到无线电信号以后进行解调，信道解码，语音解码，Ｄ／Ａ变换后通过麦克输出。

整个通信过程完成之后，主／被叫双方再次交换信令信息来拆除呼叫连接。

其中，主控模块负责各功能模块，协调系统资源。

图１民用数字对讲机的结构框图本文研究的目的在于利用ＳＯＣ技术，将控制器、调制／解调、信道编／解码器等集成在一块芯片上；同时在芯片上提供部分外设功能，如ＲＳ２３２接口、键盘接口等，这样整个芯片就是一个完整的数字对讲机系统，示意图如图２所示。

３民用数字对讲机的ＳｏＣ设计３．１概述邱吉刚：博士研究生基金项目：国家重点基础研究发展规划（９７３）计划资助，芯片的全系统仿真，编号Ｇ１９９９０３２９０３１３－－技术创新中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第１０－２期３６０元／年邮局订阅号：８２－９４６《现场总线技术应用２００例》ＡＲＭ开发与应用综合系统性能指标、生产成本等因素，拟定以ＡＲＭ公司的ＡＲＭ９４６Ｅ－Ｓ微处理器为核心构建民用数字对讲机的ＡＳＩＣ芯片。

它的最高工作频率１８０ＭＨｚ，采用５级流水线，性能１．１ＭＰＳ／ＭＨｚ，并支持浮点操作。

图２民用数字对讲机ＳｏＣ示意图整个芯片设计过程基于集成平台进行系统级开发，从而可以缩短设计周期，提供性能更佳、成本更低廉产品。

民用数字对讲机的结构主要由三部分组成：微处理器及外设接口、音频编／解码模块、基带及射频模块。

民用数字对讲机的ＳｏＣ结构框图如图３所示，其中大方框所包含的部分为芯片内部模块。

３．２微处理器及外设接口图３民用数字对讲机的ＳｏＣ结构框图设计时，微处理器部分直接采用了ＡＲＭ公司提供的ＡＲＭ９４６Ｅ－Ｓ微处理器ＩＰ（ＩｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌＰｒｏｐｅｒｔｙ）核。

总线控制器采用直接ＡＲＭ公司提供ＡＭＢＡ总线ＩＰ模块，实际包括ＡＰＢ总线和ＡＨＢ总线两个模块。

因为ＡＲＭ公司提供的ＡＰＢ－ＡＨＢ总线桥只支持ＡＰＢ总线和ＡＨＢ总线使用一个时钟域；为降低ＡＰＢ总线的时钟频率，节省系统的功耗，自行设计了一个总线桥模块。

ＭＰＭＣ（Ｍｕｌｔｉ－ＰｏｒｔＭｅｍｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）是一种高级的存储器控制结构，通过ＡＨＢ总线来连接的外围设备。

由于ＡＲＭ公司的ＭＰＭＣ占用资源太多，门数多达５５．９ｋ。

因此，设计时采用了Ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的ＭｅｍｏｒｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ模块，支持８位、１６位和３２位数据操作，其门数只有５ｋ左右。

通过ＭＰＭＣ控制器，可以接外部ＳＲＡＭ和ＦＬＡＨ等存储设备。

ＶＩＣ（ＶｅｃｔｏｒｅｄＩｎｔｅｒｒｕｐｔＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）用于控制外围设备向系统发起的中断，设计时直接ＡＲＭ公司提供的ＩＰ，门数约为１３．４ｋ。

ＧＰＩＯ（ＧｅｎｅｒａｌＰｕｒｐｏｓｅＩｎｐｕｔ／Ｏｕｔｐｕｔ）、ＳＰＩ（ＳｅｒｉａｌＰｅ－ｒｉｐｈｅｒａｌＩｎｔｅｒｆａｃｅ）和ＵＡＲＴ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＡｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＲｅ－ｃｅｉｖｅｒＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ）是ＡＭＢＡ总线的从属模块，连接到ＡＰＢ总线上，用于和外部设备的数据交互。

其中ＵＡＲＴ带有完全的调整解调器接口，可用于与ＲＳ２３２类型的串口设备互连。

而ＧＰＩＯ提供了８个可编程输入输出接口，可用于键盘的输入输出。

ＳＰＩ用于供ＬＣＤ显示输出使用。

这三个模块都直接使用ＡＲＭ公司的ＩＰ模块，门数分别为１．６ｋ、８．９ｋ和７．５ｋ。

图４基带和射频模块结构图Ｔｉｍｅｒ和Ｗａｔｃｈｄｏｇ模块也是ＡＭＢＡ从属模块，连接到ＡＰＢ总线之上。

其中Ｗａｔｃｈｄｏｇ狗是一个３２位的１４－－邮局订阅号：８２－９４６３６０元／年技术创新ＡＲＭ开发与应用《ＰＬＣ技术应用２００例》您的论文得到两院院士关注计数器，用于避免当软件死锁时出现的系统死机。

Ｔｉｍｅｒ用于时钟计数，并产生触发Ｗａｔｃｈｄｏｇ的时钟信号。

由于该模块功能简单，自行设计了相关模块。

ＰＭＵ（ＰｏｗｅｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔＵｎｉｔ）用于实现时钟的使能、初始化、时钟分频和工作模式切换等功能。

开发时自行设计了该模块。

此外还自行设计了两个输入输出模块分别用于衔接音频模块和基带模块。

这两个模块的功能以及功能与ＧＰＩＯ等模块的功能基本相似。

３．３语音编／解码模块语音编／解码模块采用清华大学微波与数字通信国家重点实验室设计的、拥有自主知识产权的ＭＰＤ－ＡＣＥＬＰ（多重脉冲散布代数码本激励线性预测）算法。

该算法结合了声码器和波形编码器的优点，在ＣＥＬＰ上进行改进。

通过对感觉加权误差准则、自适应码本搜索、随机码本结构和搜索以及参数的量化等方面进一步研究和优化，提高了语音合成质量和降低算法延时。

ＭＰＤ－ＡＣＥＬＰ的编码速率为４ｋｂ／ｓ时，每帧长为２０ｍｓ，共８０比特。

ＭＰＤ－ＡＣＥＬＰ算法的质量已经达到４．７５ｋｂ／ｓＡＭＲ算法的水平，其ＭＯＳ得分为３．５。

该模块属于专用模块，完全自行设计。

３．４基带和射频模块基带和射频模块主要负责数据的信道编／解码、交织／去交织、调制／解调和射频调制解调等。

其结构如图４所示。

信道编码器将语音编码模块输入比特根据重要性分为３类，其中０类比特不加保护，１类比特采用ＲＣＰＣ（速率兼容的删截卷积码）进行卷积编码；２类比特最为关键，采用ＣＲＣ码和卷积码来保护。

信道解码器采用维特比译码技术。

调制技术可采用Ｃ４ＦＭ调制方式或ＧＭＳＫ调制方式。

Ｃ４ＦＭ调制方式能够支持模拟调制方式和数字调制方式，显著优势在于能够兼容现有的模拟对讲机。

ＧＭＳＫ调制方式在ＭＳＫ调制方式基础上引入一个预调滤波器（高斯滤波器）。

该调制方式能够保持恒定包络的特性，并通过改变高斯滤波器的３ｄＢ带宽对已调信号频谱进行控制，使带外辐射功率大大降低。

信道编／解码属于专用模块，完全自行设计。

Ｄｅｃｉｍａｔｏｒ（基频抽取器）将来自中频模数转换器送来的２．４ＭＳｐｓ的比特流转化为１５ＫＳｐｓ的１６位数据流。

Ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ（基频插值器）对中频数模转换器送来的数据进行插值形成Ｉ／Ｑ两通道速率为１．２ＭＳｐｓ的数据流。

以上两模块为专用模块，只能自行设计。

因为系统的通信频带范围为４０９．７５０ＭＨｚ～４１０ＭＨｚ。

并且被划分为２０个子信道，每个子信道带宽为１２．５ＫＨｚ。

为此，芯片设计时采用两级混频，频率分别为３９７．８７５ＭＨｚ和２４ＭＨｚ；３．５时钟结构设计整个ＳｏＣ芯片采用了３个主时钟，这３个时钟都是由ＰＬＬ倍频１６ＭＨｚ晶体振荡器的时钟信号经过不同逻辑产生。

其中ＡＲＭ９４６Ｅ－Ｓ的时钟由ＰＬＬ时钟信号延时直接产生；而ＡＨＢ总线的时钟由ＰＬＬ时钟分频产生；ＡＰＢ总线时钟由ＡＨＢ总线时钟反相分频产生。

其余的一些时钟信号，例如ＡＰＢ总线外设时钟（ＵＡＲＴ、ＳＰＩ、ＴＩＭＥＲ、ＧＰＩＯ）由ＡＰＢ总线时钟门控产生；而部分接口时钟信号（语音接口）直接由外部输入。

３．５芯片封装和工作温度民用数字对讲机ＳｏＣ芯片的封装采用ＬＱＦＰ１７６形式，尺寸是２４×２４×１．４０ｍｍ。

芯片的工作温度为－４０℃到＋８５℃。

４结论本文作者创新点在于：１、提出了一种民用数字对讲机的芯片解决方案，相比现有的以分离元件为基础的民用数字对讲机设计方案，具有成本低，稳定性高的特点；２、结合民用数字对讲机的特点，在ＡＳＩＣ芯片中实现了具有自主知识产权的语音编／解码和信道编／解码模块；３、提出了嵌入式ＡＲＭ微处理器应用的一条新思路；４、经过对该芯片的适当改进，可以将其应用于蓝牙、ＷＬＡＮ以及工业控制等领域，具有广阔的应用前景。