2.4GHz DECT技術體系與實現方法

2.4GHz DECT技術體系與實現方法

摘要：介紹了2.4GHzDECT系統空中接口協議的分層模型及應用情況，對幾種實現方法進行分析和比較，重點介紹并討論了美國國家半導體公司的芯片組實現方案及系統軟件的設計方法，對2.4GHzDECT的實現方法給出了可行性建議。
　　關鍵詞：DECT技術體系實現方法
　　
　�。模牛茫裕ǎ模椋纾椋簦幔欤牛睿瑁幔睿悖澹洌茫铮颍洌欤澹螅螅裕澹欤澹悖铮恚恚酰睿椋悖簦椋铮睿┫到y是由歐洲電信標準協會（ＥＴＳＩ）制定的增強型數字無繩電話系統標準[１]，也是唯一入選ＩＭＴ－２０００（３Ｇ）的數字無繩通信標準（ＩＭＴ－２０００[７]稱為ＩＭＴ－ＦＴ）。
　　
　�。模牛茫允且粋�開放型的、不斷演進的標準，可為高用戶密度、小范圍通信提供話音和數據高質量服務無繩通信的框架。其主要功能是為專用交換機（ＰＡＢＸ）的便攜用戶提供區域移動性。它可以將移動用戶連接到公共交換電話網（ＰＳＴＮ）、綜合業務數據網（ＩＳＤＮ）或者數字蜂窩移動通信網（如ＧＳＭ）上去，在１００～５００ｍ范圍內，為便攜用戶和固定基站之間提供低功率的無線接入。其系統網絡結構圖如圖１所示。
　　
　　目前，ＤＥＣＴ系統在應用頻段上，除繼續使用１８８０～１９００ＭＨｚ外，現已較多地使用２４００～２４８３．５ＭＨｚＩＳＭ（工業、科學和醫學）頻段。我國國家無線電管理局于２００１年８月發布通知，從２００３年起將數字無繩電話系統工作頻段放在２４００～２４８３．５ＭＨｚＩＳＭ頻段。采用跳頻擴頻（ＦＨＳＳ）或直接系列擴頻（ＤＳＳＳ）技術，具有極強的抗多徑衰落能力和極高的保密性,極大地提高了ＤＥＣＴ系統的通話距離。世界各大ＤＥＣＴ系統設備制造商都已生產基于２．４ＧＨｚＩＳＭ頻段、采用跳頻技術的產品，如西門子公司的ＧＩＧＡＳＥＴ４０００、４２００和８８００系列產品。另外，同時支持ＧＳＭ蜂窩網和ＤＥＣＴ系統的雙模式產品，也已在歐洲投入使用，如愛立信公司的便攜手機ＴＨ６８８支持ＤＥＣＴ／ＧＳＭ雙模式應用。
　　
　　１２.４ＧＨｚＤＥＣＴ的空中接口
　　
　�。模牛茫缘目罩薪涌趨f議與綜合業務數字網相類似，是基于開放系統互連（ＯＳＩ）原則的。控制平面（Ｃ平面）和用戶平面（Ｕ平面）使用較低層（即物理層和中間接入控制層）提供的服務。ＤＥＣＴ系統能夠支持超過１００００個用戶／平方公里（商業和辦公環境）而不需要知道用戶位于哪個小區。但它不是一個完全的系統概念。這一點與其它系統，如ＧＳＭ、ＣＤＭＡ等蜂窩移動通信系統標準不同。它是為無線本地環路（ＷＬＬ）或城市區域接入而設計的，但它可用于與蜂窩移動通信系統（如ＧＳＭ）相連接。ＤＥＣＴ可根據便攜式手機所接收的信號動態地分配信道，且系統設計僅為普通移動速度的用戶提供越區切換和漫游。ＤＥＣＴ系統空中接口協議的分層模型如圖２所示。
　　
　�。玻�４ＧＨｚＤＥＣＴ在座機（無線固定部分）和手機之間采用基于多載波／時分多址／時分雙工（ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ）無線接入方式。調制方式為ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５），通過跳頻技術減少同頻干擾，保證傳輸的可靠性。ＩＳＭ頻段的分配是從２４００～２４８３．５ＭＨｚ的８３．５ＭＨｚ頻帶內大于７９個射頻載波，其中心頻率ｆｎ＝２４０２ＭＨｚ＋ｋＭＨｚ；ｋ＝０～７８，信道帶寬≤１ＭＨｚ，跳頻速率為１００跳／秒。
　　
　　ＤＥＣＴ在每個載波上，ＴＤＭＡ的１０ｍｓ幀結構規定為２４個時隙（Ｓｌｏｔ），每個時隙約占４１６．７μｓ。在各時隙中數據以分組的形式發送，時隙和幀結構如圖３所示。
　　
　　２２.４ＧＨｚＤＥＣＴ實現方法分析
　　
　�。玻�４ＧＨｚＤＥＣＴ在實現方法上，主要采用ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５）調制與ＦＨＳＳ技術相結合的方式。其技術方案主要有：美國國家半導體公司的ＳＣ１４４ｘｘ系列基帶信號處理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２；美國ＤＳＰＧｒｏｕｐ公司的ＤＲ３６Ｋ系列基帶信號處理器和ＲＦ芯片ＤＭ２４ＲＦ１７；Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司的ＰＭＢ６７ｘｘ系列基帶信號處理器和ＲＦ芯片ＰＭＢ６６１８；飛利浦公司的ＰＣＤ５０９ｘｘ系列基帶信號處理器等。
　　
　　從資料分析看，在２．４ＧＨｚＤＥＣＴ實現方法上，各大芯片公司多采用ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技術體制。因為ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技術體制結構上比較簡單，產品成本較低，適于移動，是窄帶移動通信系統普遍采用的技術體制；由于其ＲＦ芯片與Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的ＲＦ芯片技術體制基本相同可通用，其應用范圍廣闊。
　　
　　ＥＴＳＩＴＳ１０１９４８Ｖ１．１．１（２００１－０４）[２]文件中已明確指出經過試驗測試，２．４ＧＨｚＩＳＭ頻段采用ＦＨＳＳ技術在窄帶移動通信方面的抗干擾能力上，明顯優于ＤＳＳＳ技術體制。
　　
　　圖3DECT時隙和幀結構
　　
　　３ＳＣ１４４２８基帶信號處理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２實現ＤＥＣＴ
　　
　　ＳＣ１４４２８基帶信號處理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２實現ＤＥＣＴ系統的框圖如圖４所示
　　
　　
　　
　　。
　　
　　ＤＥＣＴ由無線收發信機、基帶信號處理電路、基帶控制電路、存儲電路、鍵盤、顯示器、外部接口等組成，采用ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，ＧＦＳＫ調制（ＢＴ＝０．５），３２ｋｂｐｓＡＤＰＣＭ話音編解碼。ＢＭＣ（ＢｕｒｓｔＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的主要功能在于控制數字無繩電話系統的ＴＤＤ雙工工作，形成ＴＤＭＡ幀和解幀、提供控制器與輸入輸出的ＡＤＰＣＭ話音數據接口，是構成系統的關鍵部件之一。在ＳＣ１４４２８基帶信號處理器與ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２之間的帶通濾波器３ｄＢＢＷ（帶寬）＝ＢＴ×Ｂｉｔｒａｔｅ。
　　
　　３．１ＬＭＸ３１６２ＲＦ接收／發送芯片
　　
　�。蹋停兀常保叮残酒�是座機和手機的ＩＦ／ＲＦＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，符合ＥＳＴＩ３００１７５－２（ＰＨＬ：ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ）技術標準。采用２．４ＧＨｚＦＨＳＳ技術，將從基帶信號處理器來的數字ＦＳＫ調制信號，通過高斯濾波器（ＢＴ＝０．５），加到ＶＣＯ和Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ（ＰＬＬ）上，同時基帶信號處理器產生的跳頻控制信號控制在２．４～２．４８５ＧＨｚ頻段中ＶＣＯ產生的載波頻率，形成２．４ＧＨｚＩＳＭ的ＧＦＳＫ已調ＦＨＳＳ信號，輸出到功率放大器經ＴＤＤ開關和天線發射出去。接收時，經ＴＤＤ開關和天線后，通過ＶＣＯ和ＰＬＬ，將２．４ＧＨｚＩＳＭ的ＧＦＳＫ已調ＦＨＳＳ信號下變頻后，傳輸到基帶信號處理器。
　　
　　在ＬＭＸ３１６２芯片中，為了簡化電路、降低成本，不采用ＡＧＣ和ＡＦＣ。采用限幅器，對大信號進行限幅處理，小信號則必須在允許接收信號的電平之上。至于ＡＦＣ可采用頻率穩定度在１ｐｐｍ左右的晶體振蕩器，通過提高晶體振蕩器的頻率穩定度來替代ＡＦＣ控制電路。
　　
　�。疲龋樱硬捎冒l送接收雙方事先約定的跳頻圖案，用１００Ｈｚ０．５～２．２５ＶＤＣ電壓提供給ＶＣＯ，通過電壓的變化使ＶＣＯ產生２．４０２～２．４８３５ＧＨｚ的≥７９個中心頻率；相對而言，其Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（同步器）采用ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ），由ＶＣＯ和ＰＬＬ組成，參考頻率１３．８２４ＭＨｚ。接收ＩＦ頻率為１１０．５９２ＭＨｚ（１３．８２４ＭＨｚ×８＝１１０．５９２ＭＨｚ），ＢＷ＝６５０ｋＨｚ。
　　
　　圖4DECT系統的框圖
　　
　�。常�２ＳＣ１４４２８基帶信號處理器芯片
　　
　　ＳＣ１４４２８芯片是ＢＳ和ＰＨ的基帶信號處理器，符合ＥＳＴＩ３００１７５－２，３（ＭＡＣ）技術標準，采用ＣＳＭＡ－ＣＡ接入控制協議。其內置１６位ＣＲ１６控制器和１６位ＤＳＰ以及ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ、８－ｂｉｔＡＤＣ等，完成３２ｋｂｐｓＡＤＰＣＭ編解碼、ＣＩＤ、ＤＴＭＦ、ＲＳＳＩ（接收信號強度指示）、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ幀和數字ＦＳＫ調制解調等功能，具有ＵＡＲＴ、ＳＰＩ和ＩＳＤＮ等接口，可方便地與鍵盤、ＬＣＤ、Ｓｐｅａｋｅｒ和ＭＩＣ相連，滿足人機界面（ＭＭＩ）開發和設計的要求。芯片的ＴＸＤＡＴＡ輸出為１ＶｐｐＮＲＺＦＳＫ（調制系數＝０．３２）已調數據，數據率１１５２ｋｂｐｓ／載頻。芯片的ＶＴＵＮ為１００Ｈｚ０．５～２．２５ＶＤＣ電壓提供給１．２～１．２４ＧＨｚ的ＶＣＯ，使ＶＣＯ產生所需的頻率。
　　
　　接收端ＲＸＤＡＴＡ接收０～３Ｖ的ＦＳＫ信號，ＦＳＫ解調采用常用的積分檢波技術，鑒相器的輸出電壓正比于輸入ＦＳＫ信號的瞬時頻率。這樣就完成了頻率－幅度的轉換，實現了對ＦＳＫ信號的解調。
　　
　　同步ＶＣＯ采用ＤＣ控制。從防護頻帶邊沿開始到有效時隙的４６５μｓ為同步鎖定時間。ＳＣ１４４２８芯片通過串行線將控制數據寫入ＲＦＩＣ芯片的寄存器，并讀取其狀態寄存器的內容。
　　
　�。拢停冒�括兩個主邏輯區：ＳＲＡＭ和寄存器。ＳＲＡＭ用于存儲系統參數和Ａ－ｆｉｅｌｄ（Ｄａｔａ）、Ｂ－ｆｉｅｌｄ（Ｓｐｅｅｃｈ）數據，時隙控制參數和加解密編碼；寄存器中的數據直接用于對硬件系統的控制或存放系統狀態信息。
　　
　　３．３協議軟件體系
　　
　　協議軟件結構框圖如圖５所示。Ｌ１層軟件主要完成物理層的控制以及部分ＭＡＣ層的功能：選擇和動態分配物理信道，低層設備驅動程序，包括對基帶信號處理芯片的控制等。Ｌ２層軟件主要完成ＤＬＣ層和網絡層的功能：負責在基站和手機之間的雙向數據傳輸，提供差錯控制功能，負責呼叫控制和移動管理。Ｌ３層軟件主要完成應用層功能：實現產品的各種功能及其用戶接口，如人機界面(ＭＭＩ)軟件。ＭＭＩ軟件主要提供手機的全面控制和手機與用戶之間的接口，包括用戶鍵盤輸入、手機狀態和呼叫處理過程顯示、ＣａｌｌｅｒＩＤ和電子簿的管理、ＰＩＮ碼的控制、撥號等。
　　
　　軟件流程基于消息驅動的機制，各層發出的消息由資源管理軟件管理，根據任務發送到目標層處理，同時也負責對系統資源的分配和管理。
　　
　�。常�４軟件設計方法
　　
　　軟件設計要實現的基本功能是普通電話機與手機、座機無線通信的功能。要設計好軟件應首先考慮兩個主要問題：
　　
　　·要求軟件設計者對ＤＥＣＴ系統有比較深刻的認識；
　　
　　·ＤＥＣＴ系統的許多事件需要實時處理，且要持續一段時間。不少事件在時間上有可能是重疊的，需要同時處理，例如信令碼的收與發可能是并行發生的，振鈴檢測、信令傳輸、振鈴呼叫是要并行處理的，鍵盤掃描、信令傳輸、脈沖或ＤＴＭＦ發號也需并行處理。而對諸如此類的實時并發事件，與通常的軟件設計方法不同。
　　
　　為此，軟件設計應引入實時多任務控制系統的概念。實施多任務并行處理的常用方法是分時操作。分時操作就是將整個ＭＣＵ運行期劃分為許多均勻的時隙。每個時隙由ＭＣＵ的定時中斷控制。其主要任務可
　　
　　
　　
　　分為：系統初始化、系統資源的分配和管理、建立物理鏈路和數據發送、接收等。ＤＥＣＴ軟件重要的是設計資源管理軟件，負責對系統資源的分配和管理，給每個任務分配執行時隙，安排各個任務間的轉換。一個任務可能在許多不連續的時隙里執行完成。若一個時隙相對于任務的變化來說非常短，那么不連續執行與連續執行的效果完全一樣，而其間的其它時隙可分配給其它任務，這樣就達到了多任務并行執行的效果。
　　
　　資源管理軟件對任務的處理是在消息的驅動下，觸發定時中斷后被激活，執行任務的分配和管理。但資源管理軟件對任務的處理是根據其優先級執行的，保證對任務實時處理。一般任務按類型可分為：（１）意外突發性；（２）周期性檢測或控制；（３）實時事件的后臺處理。第（１）類任務優先級最高，第（３）類任務優先級最低。因此Ｌ１層軟件、Ｌ２層軟件和Ｌ３層軟件在資源管理軟件的作用下，通過消息的驅動和對任務的目標管理將各層軟件連接起來，同步協調工作。
　　
　　綜上所述，開發基于２．４ＧＨｚＤＥＣＴ技術的數字無繩電話，ＤＥＣＴ軟件設計的技術難度較高。由于２．４ＧＨｚＤＥＣＴ系統采用ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，在設計中也要解決突發模式工作下系統供電能力和頻率穩定性、幀同步和回聲消除等比較突出的問題。
　　
　　在２．４ＧＨｚＤＥＣＴ實現方法上可對各芯片公司解決方案進行分析與研究，在硬件上采用芯片組解決方案；在軟件上，可采用先從系統方案供應商或軟件公司購買協議棧軟件，由開發用戶自己用Ｃ語言編寫ＭＭＩ軟件完成數字無繩電話技術開發；在積累一定開發經驗的基礎上，可自行開發針對某一芯片組的協議軟件。

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