2.4GHz DECT数字无绳电话机技术体系与实现方法

缘份

<span class="bold">2.4GHz DECT数字无绳电话机技术体系与实现方法</span><br/><br/><div style="FONT-SIZE: 12px;">ＤＥＣＴ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｏｒｄｌｅｓｓ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃｔｉｏｎ）系统是由欧洲电信标准协会（ＥＴＳＩ）制定的增强型数字无绳电话系统标准[１]，也是唯一入选ＩＭＴ－２０００（３Ｇ）的数字无绳通信标准（ＩＭＴ－２０００[７]称为ＩＭＴ－ＦＴ）。<br/><br/>ＤＥＣＴ是一个开放型的、不断演进的标准，可为高用户密度、小范围通信提供话音和数据高质量服务无绳通信的框架。其主要功能是为专用交换机（ＰＡＢＸ）的便携用户提供区域移动性。它可以将移动用户连接到公共交换电话网（ＰＳＴＮ）、综合业务数据网（ＩＳＤＮ）或者数字蜂窝移动通信网（如ＧＳＭ）上去，在１００～５００ｍ范围内，为便携用户和固定基站之间提供低功率的无线接入。其系统网络结构图如图１所示。<br/><br/>目前，ＤＥＣＴ系统在应用频段上，除继续使用１８８０～１９００ＭＨｚ外，现已较多地使用２４００～２４８３．５ＭＨｚ ＩＳＭ（工业、科学和医学）频段。我国国家无线电管理局于２００１年８月发布通知，从２００３年起将数字无绳电话系统工作频段放在２４００～２４８３．５ＭＨｚ ＩＳＭ频段。采用跳频扩频（ＦＨＳＳ）或直接系列扩频（ＤＳＳＳ）技术，具有极强的抗多径衰落能力和极高的保密性,极大地提高了ＤＥＣＴ系统的通话距离。世界各大ＤＥＣＴ系统设备制造商都已生产基于２．４ＧＨｚ ＩＳＭ频段、采用跳频技术的产品，如西门子公司的ＧＩＧＡＳＥＴ４０００、４２００和８８００系列产品。另外，同时支持ＧＳＭ蜂窝网和ＤＥＣＴ系统的双模式产品，也已在欧洲投入使用，如爱立信公司的便携手机ＴＨ６８８支持ＤＥＣＴ／ＧＳＭ双模式应用。<br/><br/>１ ２.４ＧＨｚ ＤＥＣＴ的空中接口<br/><br/>ＤＥＣＴ的空中接口协议与综合业务数字网相类似，是基于开放系统互连（ＯＳＩ）原则的。控制平面（Ｃ平面）和用户平面（Ｕ平面）使用较低层（即物理层和中间接入控制层）提供的服务。ＤＥＣＴ系统能够支持超过１００００个用户／平方公里（商业和办公环境）而不需要知道用户位于哪个小区。但它不是一个完全的系统概念。这一点与其它系统，如ＧＳＭ、ＣＤＭＡ等蜂窝移动通信系统标准不同。它是为无线本地环路（ＷＬＬ）或城市区域接入而设计的，但它可用于与蜂窝移动通信系统（如ＧＳＭ）相连接。ＤＥＣＴ可根据便携式手机所接收的信号动态地分配信道，且系统设计仅为普通移动速度的用户提供越区切换和漫游。ＤＥＣＴ系统空中接口协议的分层模型如图２所示。<br/><br/>２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ在座机（无线固定部分）和手机之间采用基于多载波／时分多址／时分双工（ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ）无线接入方式。调制方式为ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５），通过跳频技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。ＩＳＭ频段的分配是从２４００～２４８３．５ＭＨｚ的８３．５ＭＨｚ频带内大于７９个射频载波，其中心频率ｆｎ＝２４０２ＭＨｚ＋ｋＭＨｚ；ｋ＝０～７８，信道带宽≤１ＭＨｚ，跳频速率为１００跳／秒。<br/><br/>ＤＥＣＴ在每个载波上，ＴＤＭＡ的１０ｍｓ帧结构规定为２４个时隙（Ｓｌｏｔ），每个时隙约占４１６．７μｓ。在各时隙中数据以分组的形式发送，时隙和帧结构如图３所示。<br/><br/>２ ２.４ＧＨｚ ＤＥＣＴ实现方法分析<br/><br/>２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ在实现方法上，主要采用ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５）调制与ＦＨＳＳ技术相结合的方式。其技术方案主要有：美国国家半导体公司的ＳＣ１４４ｘｘ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２；美国ＤＳＰ Ｇｒｏｕｐ公司的ＤＲ３６Ｋ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＤＭ２４ＲＦ１７；Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司的ＰＭＢ６７ｘｘ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＰＭＢ６６１８；飞利浦公司的ＰＣＤ５０９ｘｘ系列基带信号处理器等。<br/><br/>从资料分析看，在２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ实现方法上，各大芯片公司多采用ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技术体制。因为ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技术体制结构上比较简单，产品成本较低，适于移动，是窄带移动通信系统普遍采用的技术体制；由于其ＲＦ芯片与Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的ＲＦ芯片技术体制基本相同可通用，其应用范围广阔。<br/><br/>ＥＴＳＩ ＴＳ １０１ ９４８ Ｖ１．１．１（２００１－０４）[２]文件中已明确指出经过试验测试，２．４ＧＨｚ ＩＳＭ频段采用ＦＨＳＳ技术在窄带移动通信方面的抗干扰能力上，明显优于ＤＳＳＳ技术体制。<br/><br/><br/><br/>３ ＳＣ１４４２８基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２实现ＤＥＣＴ<br/><br/>ＳＣ１４４２８基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２实现ＤＥＣＴ系统的框图如图４所示。<br/><br/>ＤＥＣＴ由无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、键盘、显示器、外部接口等组成，采用ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，ＧＦＳＫ调制（ＢＴ＝０．５），３２ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ话音编解码。ＢＭＣ（Ｂｕｒｓｔ Ｍｏｄｅ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的主要功能在于控制数字无绳电话系统的ＴＤＤ双工工作，形成ＴＤＭＡ帧和解帧、提供控制器与输入输出的ＡＤＰＣＭ话音数据接口，是构成系统的关键部件之一。在ＳＣ１４４２８基带信号处理器与ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２之间的带通滤波器３ｄＢ ＢＷ（带宽）＝ＢＴ×Ｂｉｔ ｒａｔｅ。<br/><br/>３．１ ＬＭＸ３１６２ ＲＦ接收／发送芯片<br/><br/>ＬＭＸ３１６２芯片是座机和手机的ＩＦ／ＲＦ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，符合ＥＳＴＩ ３００ １７５－２（ＰＨＬ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｌａｙｅｒ）技术标准。采用２．４ＧＨｚ ＦＨＳＳ技术，将从基带信号处理器来的数字ＦＳＫ调制信号，通过高斯滤波器（ＢＴ＝０．５），加到ＶＣＯ和Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ（ＰＬＬ）上，同时基带信号处理器产生的跳频控制信号控制在２．４～２．４８５ＧＨｚ频段中ＶＣＯ产生的载波频率，形成２．４ＧＨｚ ＩＳＭ的ＧＦＳＫ已调ＦＨＳＳ信号，输出到功率放大器经ＴＤＤ开关和天线发射出去。接收时，经ＴＤＤ开关和天线后，通过ＶＣＯ和ＰＬＬ，将２．４ＧＨｚ ＩＳＭ的ＧＦＳＫ已调ＦＨＳＳ信号下变频后，传输到基带信号处理器。<br/><br/>在ＬＭＸ３１６２芯片中，为了简化电路、降低成本，不采用ＡＧＣ和ＡＦＣ。采用限幅器，对大信号进行限幅处理，小信号则必须在允许接收信号的电平之上。至于ＡＦＣ可采用频率稳定度在１ｐｐｍ左右的晶体振荡器，通过提高晶体振荡器的频率稳定度来替代ＡＦＣ控制电路。<br/><br/>ＦＨＳＳ采用发送接收双方事先约定的跳频图案，用１００Ｈｚ ０．５～２．２５ＶＤＣ电压提供给ＶＣＯ，通过电压的变化使ＶＣＯ产生２．４０２～２．４８３５ＧＨｚ的≥７９个中心频率；相对而言，其Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（同步器）采用Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ），由ＶＣＯ和ＰＬＬ组成，参考频率１３．８２４ＭＨｚ。接收ＩＦ频率为１１０．５９２ＭＨｚ（１３．８２４ＭＨｚ×８＝１１０．５９２ＭＨｚ），ＢＷ＝６５０ｋＨｚ。<br/><br/>图4 DECT系统的框图<br/><br/>３．２ ＳＣ１４４２８基带信号处理器芯片<br/><br/>ＳＣ１４４２８芯片是ＢＳ和ＰＨ的基带信号处理器，符合ＥＳＴＩ ３００ １７５－２，３（ＭＡＣ）技术标准，采用ＣＳＭＡ－ＣＡ接入控制协议。其内置１６位ＣＲ１６控制器和１６位ＤＳＰ以及ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、Ｆｌａｓｈ Ｍｅｍｏｒｙ、８－ｂｉｔ ＡＤＣ等，完成３２ｋｂｐｓ ＡＤＰＣＭ编解码、ＣＩＤ、ＤＴＭＦ、ＲＳＳＩ（接收信号强度指示）、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ帧和数字ＦＳＫ调制解调等功能，具有ＵＡＲＴ、ＳＰＩ和ＩＳＤＮ等接口，可方便地与键盘、ＬＣＤ、Ｓｐｅａｋｅｒ和ＭＩＣ相连，满足人机界面（ＭＭＩ）开发和设计的要求。芯片的ＴＸＤＡＴＡ输出为１Ｖｐｐ ＮＲＺ ＦＳＫ（调制系数＝０．３２）已调数据，数据率１１５２ｋｂｐｓ／载频。芯片的ＶＴＵＮ为１００Ｈｚ ０．５～２．２５ＶＤＣ电压提供给１．２～１．２４ＧＨｚ的ＶＣＯ，使ＶＣＯ产生所需的频率。<br/><br/>接收端ＲＸＤＡＴＡ接收０～３Ｖ的ＦＳＫ信号，ＦＳＫ解调采用常用的积分检波技术，鉴相器的输出电压正比于输入ＦＳＫ信号的瞬时频率。这样就完成了频率－幅度的转换，实现了对ＦＳＫ信号的解调。<br/><br/>同步ＶＣＯ采用ＤＣ控制。从防护频带边沿开始到有效时隙的４６５μｓ为同步锁定时间。ＳＣ１４４２８芯片通过串行线将控制数据写入ＲＦＩＣ芯片的寄存器，并读取其状态寄存器的内容。<br/><br/>ＢＭＣ包括两个主逻辑区：ＳＲＡＭ和寄存器。ＳＲＡＭ用于存储系统参数和Ａ－ｆｉｅｌｄ（Ｄａｔａ）、Ｂ－ｆｉｅｌｄ（Ｓｐｅｅｃｈ）数据，时隙控制参数和加解密编码；寄存器中的数据直接用于对硬件系统的控制或存放系统状态信息。<br/><br/>３．３ 协议软件体系<br/><br/>协议软件结构框图如图５所示。Ｌ１层软件主要完成物理层的控制以及部分ＭＡＣ层的功能：选择和动态分配物理信道，低层设备驱动程序，包括对基带信号处理芯片的控制等。Ｌ２层软件主要完成ＤＬＣ层和网络层的功能：负责在基站和手机之间的双向数据传输，提供差错控制功能，负责呼叫控制和移动管理。Ｌ３层软件主要完成应用层功能：实现产品的各种功能及其用户接口，如人机界面(ＭＭＩ)软件。ＭＭＩ软件主要提供手机的全面控制和手机与用户之间的接口，包括用户键盘输入、手机状态和呼叫处理过程显示、Ｃａｌｌｅｒ ＩＤ和电子簿的管理、ＰＩＮ码的控制、拨号等。<br/><br/>软件流程基于消息驱动的机制，各层发出的消息由资源管理软件管理，根据任务发送到目标层处理，同时也负责对系统资源的分配和管理。<br/><br/>３．４ 软件设计方法<br/><br/>软件设计要实现的基本功能是普通电话机与手机、座机无线通信的功能。要设计好软件应首先考虑两个主要问题：<br/><br/>·要求软件设计者对ＤＥＣＴ系统有比较深刻的认识；<br/><br/>·ＤＥＣＴ系统的许多事件需要实时处理，且要持续一段时间。不少事件在时间上有可能是重叠的，需要同时处理，例如信令码的收与发可能是并行发生的，振铃检测、信令传输、振铃呼叫是要并行处理的，键盘扫描、信令传输、脉冲或ＤＴＭＦ发号也需并行处理。而对诸如此类的实时并发事件，与通常的软件设计方法不同。<br/><br/>为此，软件设计应引入实时多任务控制系统的概念。实施多任务并行处理的常用方法是分时操作。分时操作就是将整个ＭＣＵ运行期划分为许多均匀的时隙。每个时隙由ＭＣＵ的定时中断控制。其主要任务可分为：系统初始化、系统资源的分配和管理、建立物理链路和数据发送、接收等。ＤＥＣＴ软件重要的是设计资源管理软件，负责对系统资源的分配和管理，给每个任务分配执行时隙，安排各个任务间的转换。一个任务可能在许多不连续的时隙里执行完成。若一个时隙相对于任务的变化来说非常短，那么不连续执行与连续执行的效果完全一样，而其间的其它时隙可分配给其它任务，这样就达到了多任务并行执行的效果。<br/><br/>资源管理软件对任务的处理是在消息的驱动下，触发定时中断后被激活，执行任务的分配和管理。但资源管理软件对任务的处理是根据其优先级执行的，保证对任务实时处理。一般任务按类型可分为：（１）意外突发性；（２）周期性检测或控制；（３）实时事件的后台处理。第（１）类任务优先级最高，第（３）类任务优先级最低。因此Ｌ１层软件、Ｌ２层软件和Ｌ３层软件在资源管理软件的作用下，通过消息的驱动和对任务的目标管理将各层软件连接起来，同步协调工作。<br/><br/>综上所述，开发基于２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ技术的数字无绳电话，ＤＥＣＴ软件设计的技术难度较高。由于２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ系统采用ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，在设计中也要解决突发模式工作下系统供电能力和频率稳定性、帧同步和回声消除等比较突出的问题。<br/><br/>在２．４ＧＨｚ ＤＥＣＴ实现方法上可对各芯片公司解决方案进行分析与研究，在硬件上采用芯片组解决方案；在软件上，可采用先从系统方案供应商或软件公司购买协议栈软件，由开发用户自己用Ｃ语言编写ＭＭＩ软件完成数字无绳电话技术开发；在积累一定开发经验的基础上，可自行开发针对某一芯片组的协议软件。</div>