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基于ARM内核的民用数字对讲机系统的设计
信息起源:   发布时间:2013-9-27   浏览:

The Design of Civil Digital Walkie-Talkie System Based on ARM Kernel

(清华大学)邱吉刚林孝康 Qiu,Jigang Lin,Xiaokang

摘要:民用数字对讲机逐步替代传统的民用模仿对讲机巳是大势所趋??。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技巧,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础结构的基础 上,本文对芯片设计的总体框架及某些要害模块如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??。

要害词: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:A

Abstract:It is apparent that civil analog walkie-talkie will be substituted by civil digital walkie-talkie. For the sake of reducing the production cost, this paper puts forward a scheme which utilizes the SoC (System on Chip) technology to design the ASIC for civil analog walkie- talkie. Based on analyzing the structure of civil digital walkie- talkie, this paper particularly introduces several key modules of the chip,such as microprocessor and interface???⊿voice coding/decoding module???⊿base band and RF module???⊿the clock signal. Key words:civil analog walkie-talkie,SoC design,ASIC,ARM
中文核心期刊微盘算机信息》(嵌入式与SOC)2006年第22卷第10-2期
ARM开发与利用
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,并支撑

浮点操作??。
图2民用数字对讲机SoC示意图 全部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,供给性能更佳???⊿成本更低 廉产品??。民用数字对讲机的结构重要由三部分组成: 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, 其中慷慨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
IP模块,实际包含APB总线和AHB总线两个模块??。因 为ARM公司供给的APB- AHB总线桥只支撑APB总

线和AHB总线应用一个时钟域;为降低APB总线的 时钟频率,节俭系统的功耗,自行设计了一个总线桥 模块??。

MPMC( Multi- Port Memory Controller)是一种高级

的存储器把持结构,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Memory Controller模块,支撑8位???⊿16位和32位数据操作,其 门数只有5k左右??。通过MPMC把持器,可以接外部 SRAM和FLAH等存储设备??。

VIC(Vectored Interrupt Controller)用于把持外围 设备向系统发起的中断,设计时直接ARM公司供给 的IP,门数约为13.4k??。

GPIO(General Purpose Input/Output)???⊿SPI(Serial Peripheral Interface)和 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)是AMBA总线的附属模块,连接到 APB总线上,用于和外部设备的数据交互??。其中UART 带有完整的调剂解调器接口,可用于与RS232类型的 串口设备互连??。而GPIO供给了 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 出应用??。这三个模块都直接应用ARM公司的IP模块, 门数分辨为1.6k,8.9k和7.5k??。
技巧创新
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公司供给 的 ARM946E- S 微处理器 IP( Intellectual Property)核??。

总线把持器采用直接ARM公司供给AMBA总线
图4基带和射频模块结构图 Timer和Watchdog模块也是AMBA附属模块,连 接到APB总线之上??。其中Watchdog狗是一个32位的
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计数器,用于避免当软件逝世锁时涌现的系统逝世机??。 Timer用于时钟计数,并产生触发Watchdog的时钟信 号??。由于该模块功效简略,自行设计了相干模块??。

PMU( Power Management Unit)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效??。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辨用于 连接音频模块和基带模块??。这两个模块的功效以及功 能与GPIO等模块的功效基础类似??。

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勉励线性预测)算法??。 该算法联合了声码器和波形编码器的优点,在CELP 上进行改良??。通过对感到加权误差准则???⊿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,进步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算法的质量巳经达到 4.75kb/s AMR算法的程度,其MOS得分为3.5??。

该模块属于专用模块,完整自行设计??。

3.4基带和射频模块

基带和射频模块重要负责数据的信道编/解码???⊿交 织/去交错???⊿调制/解协调射频调制解调等??。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类比特不加掩护,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 特最为要害,采用CRC码和卷积码来掩护??。信道解码 器采用维特比译码技巧??。

调制技巧可采用C4FM调制方法或GMSK调制 方法??。C4FM调制方法能够支撑模仿调制方法和数字 调制方法,明显优势在于能够兼容现有的模仿对讲 机??。GMSK调制方法在MSK调制方法基础上引入一个 预调滤波器(高斯滤波器)??。该调制方法能够保持恒定 包络的特征,并通过转变高斯滤波器的3dB带宽对已 调信号频谱进行把持,使带外辐射功率大大降低??。

信道编/解码属于专用模块,完整自行设计??。

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领域为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;
_ARM开发与利用

3.5 时钟结构设计

全部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 情势,尺寸是24>24X1.40mm??。芯片的工作温度为-40°C 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,相比现有的以分别元件为基础 的民用数字对讲机设计方案,具有成本低,稳固性高 的特点;2???⊿联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微处理器利用的一 条新思路;4???⊿经过对该芯片的适当改良,可以将其应 用于蓝牙???⊿WLAN以及工业把持等领域,具有广阔的 利用远景??。

参考文献:

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[3]楚红雨等.基于ARM的嵌入式通信把持器的设计与利用[J]. 微机算计信息,2005,9:79

[4]郑祖辉等编著.数字集群移动通信系统第2版)》.国民邮电 出版社,2005-01.

[5]陈勇编著.集群移动通信机和对讲机原理???⊿应用及维修手册. 电子工业出版,1997

[6]夏晶.DWT SoC芯片数字部分的前端设计和验证.清华大学 硕士论文.北京.2005

作者简介:邱吉刚,男,汉族,1976年06月生,四川,博士研 究生,清华大学微波与数字国家重点实验室,研究方向: 网络路由技巧和信令技巧,嵌入式系统;林孝康,男,汉族, 教授,博导,清华大学微波与数字国家重点实验室??。 (100084北京清华大学微波与数字国家重点实验室) 邱吉刚林孝康

(State Key Laboratory on Microwave & Digital Communica-tion,Tsinghua University,Beijing,China)Qiu,Jigang Lin,Xi-aokang

通信地址:(100084北京清华大学微波与数字国家重点 实验室)邱吉刚

 

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,需要基站等把持设 施支撑才干正常应用??。民用对讲机不需要基站等设 施,具有费率低???⊿应用方便等特点,因此在物业管理???⊿ 生产制作等领域得到广泛利用??。与传统的民用模仿对 讲机相比,融入了数字调频等现代通信技巧的民用数 字对讲机具有抗干扰能力强???⊿语音清楚???⊿易于加密等 特点,而且还能供给短信息等附加业务??。因此,民用对 讲机逐步数字化巳是大势所趋??。为此,国内外众多机 构投入了大批的人力???⊿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”筹备工作会议和谐相干事宜,以推动国内 民用数字对讲机产业的发展??。

目前巳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 机基础上改良而成,一般采用分别元件设计,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)技巧和SoC(片上系统)技巧,可 以将众多分别元件的功效集成到一块芯片上,从而可 以加强设备稳固性???⊿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

民用数字对讲机重要由把持器???⊿语音编/解码器???⊿ 邱吉刚:博士研究生

基金项目:国家重点基础研究发展方案(973)打算资 助,芯片的全系统仿真,编号G1999032903
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,交错和调制以后送到射频模块发射;吸收 端吸收到无线电信号以落后行解调,信道解码,语音 解码,D/A变换后通过麦克输出??。全部通信过程完成之 后,主/被叫双方再次交换信令信息来拆除呼叫连接??。 其中,主控模块负责各功效模块,和谐系统资源??。
图1民用数字对讲机的结构框图 本文研究的目标在于利用SOC技巧,将把持器???⊿ 调制/解调???⊿信道编/解码器等集成在一块芯片上;同时 在芯片上供给部分外设功效,如RS232接口???⊿键盘接 口等,这样全部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


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