基于USRP的DMR物理层研究和验证系统实现

摘要：DMR(Digital Mobile Radio)是ETSI在2004年提出的集群通信系统标准，作为从模拟通信到数字通信过渡的桥梁，已经得到了广泛的使用。本文基于软件无线电思想，提出了基于DMR协议的数字对讲机的解决方案，并通过验证系统的物理链路的搭建、以及语音单呼、语音组呼DMR标准业务的实现对解决方案的可行性进行了验证。系统中用到的关键技术如4CP-FSK调制解调技术、码元同步与帧同步、基带信号处理等，各模块单独封装，弱耦合，丰富了软件无线电系统的波形组件库，也可作为软核便于集成或者复用到其他系统中。

前言

DMR集群通信系统由ETSI在2004年提出^[1] 与欧洲的TETRA标准^[2]、北美的iDEN标准^[3]、国内具有自主知识产权的GoTa标准和GT800标准并列为全球主流的集群通信系统标准。DMR系统较上述几个标准系统复杂性更低，性价比更高^[4-5]。DMR支持从模拟到数字的平滑过度。DMR三层协议栈如图1所示，最底层是物理层，中间层是数据链路层，最上层是呼叫控制层，从上层应用类型开分，DMR系统可分为用户平面和控制平面。　　

 

空中接口物理层主要功能模块包括4CP-FSK调制解调，收发转换，RF特性，比特与符号定义，频率同步、符号同步和突发构成等;数据链路层被分成了两部分，在用户面负责处理没有标上地址的用户信息;在控制面负责传输信令信息。控制层主要负责控制通话，提供DMR支持的不同业务类型，包括短数据和分组数据服务等。DMR数字系统完整解决方案一直研究热点，解决方案围绕着易实现，可复用性强等特点展开。在本论文中，我们结合软件无线电的优势与DMR系统的特点，提出了DMR数字对讲机整体解决方案，包括协议栈实现，低层接收机与发射机，不同模块间接口定义，模块间解耦。在物理层中主要实现基带信息处理和中频调制解调，其中涵盖了物理层关键技术。论文^[6]对4FSK进行阐述，本解决方案使用相位连续的频移键控调制方式。

全数字DMR解决方案

系统构图

软件无线电是用现代软件来操纵、控制传统的“纯硬件电路”的无线通信^[7]。全数字DMR解决方案基于软件无线电的架构，系统框图见图2。主要由语音编解码、DMR协议处理、射频前端三部分组成。其中语音编解码采用AMBE USB-3000;DMR协议处理采用通用处理器实现;射频前端采用USRP。AMBE USB-3000语音模块，USRP射频发射机与接收机模块。　　

 

其中处理器完成DMR三层协议处理，USB-3000完成低速率的语音压缩，USRP(Universal Software Radio Peripheral)，通用软件无线电外围设备^[8]由高速信号处理的FPGA母板和可更换的覆盖不同频率的子板两个组件，负责射频终端发射与接收，USRP与处理器通过USB总线相连，处理器中自动配置和调用已封好的API函数使用USRP。处理器与USB-3000语音压缩模块通过USB总线连接。

物理层关键技术实现

中频调制解调

DMR采用的4CP-FSK调制方式属于4FSK调制方式中的一种，4FSK是采用基带信号控制载波的频率传送信息，如信号“-3”可以用频率f_0传送，信号“-1”可以用频率f_1传送，信号“1”可用频率f_2传送，信号“3”可用频率f_3传送。频移键控包括两种，一种为相位连续频移键控(CPFSK)，即传送不同的信号时，相位连续，通过连续相位调制(CPM)实现;另一种为非连续相位频移键控(DFSK)。CPM是恒包络相位连续调制方之一，本身兼具编码增益，窄主瓣、快速滚降和恒包络等特点，广泛使用于军事和专用通信领域^[9]。

一般CPM信号定义如公式(1)所示：
              (1) 

其中Ts是符号周期，E是符号能量，fs是载波频率，在本系统中中频为10kHz，上变频后为400MHz，φ(t,a)是瞬时相位，φ0是初始相位，a代表符号的进制，a∈{±1，±3.±…，±(M-1)}，φ(t,a)表达式见公式(2)。
         

其中T为脉冲周期，g(t)为脉冲函数。对公式(1)进行离散化，设定，可以得到
         

对4CP-FSK调制后信号进行相干解调，相干解调流程见图3。

两路正交信号I(nTs )，Q(nTs)求反正切可以得到φ(nTs)，然后把相位调整到间，最后进行差分运算后可得到m(n)。
              (4) 

码元同步和帧同步

码元同步

码元不同步是由于发送端时钟与接收端时钟不匹配导致的。在接收端的一个符号