??? 摘? 要:介紹了2.4GHz DECT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" title="實現方法">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2.4GHz DECT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
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??? DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommuniction)系統是由歐洲電信標準協會(ETSI)制定的增強型數字無繩電話" title="數字無繩電話">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)。?
??? DECT是一個開放型的、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(qū)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(yè)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。?
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??? 目前,DECT系統在應用頻段上,除繼續(xù)使用1880～1900MHz外,現已較多地使用2400～2483.5MHz ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)學)頻段。我國國家無線電管理局于2001年8月發(fā)布通知,從2003年起將數字無繩電話系統工作頻段放在2400～2483.5MHz ISM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2.4GHz ISM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。?
1 2.4GHz DECT的空中接口?
??? DECT的空中接口協議與綜合業(yè)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(yè)和辦公環(huán)境)而不需要知道用戶位于哪個小區(qū)。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(huán)路(WLL)或城市區(qū)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(tài)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(qū)切換和漫游。DECT系統空中接口協議的分層模型如圖2所示。?
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??? 2.4GHz DECT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(guī)定為24個時隙" title="時隙">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(fā)送,時隙和幀結構如圖3所示。
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2 2.4GHz DECT實現方法分析?
??? 2.4GHz DECT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" title="信號處理器">信號處理器和RF芯片LMX3162;美國DSP Group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2.4GHz DECT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。?
??? ETSI TS 101 948 V1.1.1(2001-04)[2]文件中已明確指出經過試驗測試,2.4GHz ISM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(yōu)于DSSS技術體制。?
3 SC14428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。?
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??? DECT由無線收發(fā)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),32kbps ADPCM話音編解碼。BMC(Burst Mode Controller)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3dB BW(帶寬)=BT×Bit rate。?
3.1 LMX3162 RF接收/發(fā)送芯片?
??? LMX3162芯片是座機和手機的IF/RF Transceiver,符合ESTI 300 175-2(PHL:Physical Layer)技術標準。采用2.4GHz FHSS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2.4GHz ISM的GFSK已調FHSS信號,輸出到功率放大器經TDD開關和天線發(fā)射出去。接收時,經TDD開關和天線后,通過VCO和PLL,將2.4GHz ISM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(wěn)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(wěn)定度來替代AFC控制電路。?
??? FHSS采用發(fā)送接收雙方事先約定的跳頻圖案,用100Hz 0.5～2.25VDC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Direct Digital Synthesis(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。?
3.2 SC14428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ESTI 300 175-2,3(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、Flash Memory、8-bit ADC等,完成32kbps ADPCM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(fā)和設計的要求。芯片的TXDATA輸出為1Vpp NRZ FSK(調制系數=0.32)已調數據,數據率1152kbps/載頻。芯片的VTUN為100Hz? 0.5～2.25VDC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(tài)寄存器的內容。?
??? BMC包括兩個主邏輯區(qū):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(tài)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(tài)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(tài)和呼叫處理過程顯示、Caller ID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(fā)出的消息由資源管理軟件管理,根據任務發(fā)送到目標層處理,同時也負責對系統資源的分配和管理。?
3.4 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(xù)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(fā)可能是并行發(fā)生的,振鈴檢測、信令傳輸、振鈴呼叫是要并行處理" title="并行處理">并行處理的,鍵盤掃描、信令傳輸、脈沖或DTMF發(fā)號也需并行處理。而對諸如此類的實時并發(fā)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(fā)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(zhí)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(xù)的時隙里執(zhí)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(xù)執(zhí)行與連續(xù)執(zhí)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(zhí)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(fā)定時中斷后被激活,執(zhí)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(yōu)先級執(zhí)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(fā)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(yōu)先級最高,第(3)類任務優(yōu)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(fā)基于2.4GHz DECT技術的數字無繩電話,DECT軟件設計的技術難度較高。由于2.4GHz DECT系統采用TDMA/TDD接入方式,在設計中也要解決突發(fā)模式工作下系統供電能力和頻率穩(wěn)定性、幀同步和回聲消除等比較突出的問題。?
??? 在2.4GHz DECT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(fā)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(fā);在積累一定開發(fā)經驗的基礎上,可自行開發(fā)針對某一芯片組的協議軟件。?
參考文獻?
1 ESTI EN 300 175 V1.6.1? 2002-01(DECT技術標準).?
2 ETSI TS 101 948 V1.1.1(2001-04)?
3 美國National Semiconductor公司.SC14428芯片和LMX3162芯片Data Sheet.?
4 孫龍杰,劉立康.移動通信與終端設備. 北京:電子工業(yè)出版社,2003?
5 朱洪波,傅海陽.無線接入網. 北京:人民郵電出版社,2000