通信与网络中的基于USRP的数字对讲机收发系统的设计方案 通信与网络中的基于 的数字对讲机收发系统的设计方案 摘要：最新提出了一种在Windows平台上基于USRP的数字对讲机收发系统设计方案。首先简要介绍USRP及其 开发平台，通过各种对比选择在Windows平台上利用VC来实现，然后描述了USRP驱动安装，详细分析了UHD 重组的API函数接口，最后搭建数字对讲机收发系统，采用DMR数字通信协议，利用USRP作为收发前端，在 PC上通过串口RS232连接AMBE-1000语音板，通过实际测试验证了系统的各项功能，证明了USRP在Windows 平台上开发简单方便可行。 　　0 引言 　　随着信息化时代的发展，人们日益迫切地要求对讲机具有诸如话音 加密、数据传输、远程监控、联网调度等功能，而且要求进一步 　　摘要：最新提出了一种在Windows平台上基于 　　摘要：最新提出了一种在 台，通过各种对比选择在Windows平台上利用 台，通过各种对比选择在 口，最后搭建数字对讲机收发系统，采用DMR数字通信协议，利用 口，最后搭建数字对讲机收发系统，采用 1000语音板，通过实际测试验证了系统的各项功能，证明了 作为收发前端，在PC上通过串口 语音板，通过实际测试验证了系统的各项功能，证明了USRP在在Windows平台上开发简单方便可行。 平台上开发简单方便可行。 平台上基于USRP的数字对讲机收发系统设计方案。首先简要介绍 数字通信协议，利用USRP作为收发前端，在 平台上利用VC来实现，然后描述了 的数字对讲机收发系统设计方案。首先简要介绍USRP及其开发平 及其开发平 驱动安装，详细分析了UHD重组的重组的API函数接函数接 来实现，然后描述了USRP驱动安装，详细分析了 上通过串口RS232连接连接AMBE- 　　0 引言 　　随着信息化时代的发展，人们日益迫切地要求对讲机具有诸如话音加密、数据传输、远程监控、联网调度等功能，而且要 求进一步提高无线频谱的利用率（信道间隔由过去的25kHz到现在的12.5kHz以及6.25kHz），数字通信技术在对讲机及转信 台等相关产品中的应用也就迫在眉睫了。 　　数字对讲机采用数字技术进行设计，将语音信号数字化，以数字编码形式传播。数字对讲机与模拟对讲机相比，语音清 晰、接收通话信号稳定，数字对讲机不仅能实现模拟对讲机基本业务：单呼、组呼等功能，还具有调度台核查呼叫、区域选 择、接入优先、优先呼叫、迟后进入、预占优先呼叫、侦听、动态重组、监听等补充业务。数字对讲机是我国的移动通信系统 和设备中的最后一个由模拟转向数字的设备和系统。 　　本文提出了一种基于USRP的数字对讲机收发系统的设计方案。该方案在Windows平台上，利用USRP作为收发前端，在 PC机上通过串口RS232连接语音板，上层采用DMR数字通信协议，实现了数字对讲机系统的各项功能。 　　1 USRP介绍及系统开发平台选取 　　1.1 USRP介绍 　　USRP（Universal Software Radio Peripheral,通用软件无线电外设）旨在使普通计算机能像高带宽的软件无线电设备一 样工作。USRP是一个非常灵活的USB设备，包含一个小的母板，母板包含4个12bit/64M抽样率的ADC,4个14bit/128M DAC, 一个百万门的FPGA芯片和一个可编程的USB2.0控制器。每个USRP母板支持4个子板，2个接收，2个发射。它的结构框图如 图1所示。 　　 　　如图1所示，USRP通过USB2.0与处理器相连。接收器链从高度敏感、可接受微小信号的模拟前端开始，然后使用直接下 变频将它们数字化为同相（I）和正交（Q）基带信号。下变频后有高速模数转换器和一个DDC,用以降低采样率并将I和Q打包 传输到主机。发射器链从主机开始，生成I和Q并通过USB2.0输到USRP硬件，DUC为DAC准备信号，然后I-Q进行混合，直接 上变频信号以产生一个RF频率信号，然后进行信号放大与传输。 　　1.2 开发平台选取 　　目前开发USRP的工具有四种，分别是Linux品台下的GNUradio,还有Windows平台下的VC,Simulink,Labview. 　　GNU Radio是Linux上一个软件无线电软件，通过最小程度地结合硬件USRP,用软件来定义无线电波发射和接收的方式， 搭建无线电通信系统的开源软件系统.Labview是由NI提出的一款开发USRP的工具，用户可以开发自定义的无线通信协议并且 实现实时运行的物理层数字链路。但是目前Labview只支持USRP-292x.MATLAB和Simulink连接Ettus Reseach公司的USRP, 可以提供无线电回路设计和建模环境。它是由德国KIT大学开发的，只支持USRP2,还不是很完善。各个平台之间对比： 　　通过表1可知，相对于Linux平台而言，Windows平台开发更方便有以下几个优点：第一，Linux的操作比较复 杂，Windows的比较简单，快速开发；第二，Windows可视化的界面编辑器，方便开发对讲机的界面对话框；第 三，Windows是微软的东西，VC也是，自然会比其他公司的开发工具在兼容性等各方面要好；第四，Linux速度比较快，安全 

性比Windows好，但是有很多软件只能在Windows里运行，与Linux兼容的软件正在开发中，不方便调用PC里面的API和外面 接口。 　　 　　而用VC开发通信协议程序比较方便，USRP的通用驱动UHD也是用VC开发的，相比较与Simulink和Labview,在VC上开 发，更具优势，更适合本项目的开发。并且Simulink和Labview都只支持USRP2,开发还不是很成熟，工具也不方便[4][5].本次 验证系统采用的是USRP1,USRP1采用的是USB2.0接口，相对于USRP2以太网接口简单方便，母版上采用的是Altera的 FPGA芯片，容易开发，并且价格便宜。所以，采用USRP1在Windows上用VC进行开发。 　　2 USRP在Windows上开发接口 　　UHD是由Ettus Resarch开发的，为其产品提供宿主驱动（host driver）和API.本次设计在Windows平台下，采用UHD驱 动。在安装UHD驱动时，需要安装cmake,Boost,libUSB等插件，然后解压UHD源码，通过cmake交叉编译实现，可以得到 UHD下面的各个项目工程。Boost和libUSB这两个库在cmake编译中都需要进行配置，否则编译过不去。这些插件主要作用就 是将UHD下面的Linux源代码通过cmake等交叉编译生成Windows下面的C代码。 　　安装好后可以连接上USRP,通过里面的测试实例，可以看到USRP是否正确连上。正确连上会显示如下信息：图中的参数 是可配置的。 　　然后，我们就可以调用UHD下面的一些API函数，在本次项目中主要参考的就是底层的send（）和recv（）。里面的程序 全是通过类来实现的。在Windows平台上，USRP提供的可配参数主要如表2所示。 　　但是send（）和recv（）收发不满足DMR规定的要求，并且在进行收发转换时，时序处理不过来。为了方便上层调用， 将配置分为三部分，对UHD下面的接口函数进行了重新封装，如表3所示。 　　在configure（）里面主要是创建了一个USRP,它花时较长，需要返回一些USRP的子板和母版信息，还要导入一些映像文 件，所以采用单独分开配置，在程序调用之前配置一次就可以。configure_recv（）和configure_send（）主要是配置一些收 发的具体参数，就是上面介绍的主要参数。这样将配置分开，是为收发转换准备的，方便上层调用。Mod_send（）主要负责 将上层来的数据进行调制然后调用底层send（）将数据发送出去，Demod_recv（）主要负责调用底层recv（）并将接收的数 据解调返回给上层。 

　　 　　3 收发系统实现及测试 　　3.1 系统平台搭建 　　系统平台基于软件无线电的架构，基带处理部分按照DMR协议由软件模块来实现，包括组帧、同步、信道接入、BPTC信 道编码等，这部分主要在PC机上完成。射频部分由硬件模块USRP完成，采用400M的射频子板，与PC之间通过USB2.0进行 通信。语音模块由AMBE-1000来完成，本次系统中语音板是插在一个51最小系统上，51最小系统主要负责AMBE-1000语音 板的驱动和它与PC机之间的串口通信。具体系统架构如图3。 　　3.2 DMR协议栈收发时序 　　 　　在PC上主要主要完成的就是DMR通信协议，主要分为三层，物理层主要功能是：比特与符号定义、建立频率同步和符号 同步、构成突发、对基带信号进行调制解调、实现收发转换等；数据链路层的主要功能是：突发和参数定义、组帧和帧同步、 信道编码、确认和重传机制、与两层之间的接口等；呼叫控制层的主要功能是：BS激活与去激活、语音业务下的呼叫建立、 呼叫保持、呼叫终止、单呼和群呼的发送与接收等。在本文中严格按照DMR协议规定的帧结构和突发时序进行了设计，突发 结构如图4所示。 　　 　　每个burst长30ms,包含两个108比特有效载荷和一个48比特同步或信令域，其中27.5ms承载264比特内容，在传输语音 时，可以利用两个有效载荷共216比特承载60ms的压缩语音信息。另外2.5s分布在左右两边，各占1.25s,这样两个突发就间隔 2.5ms.在上行信道上，2.5ms间隔是保护间隔，作传播时延和功率放大器的上升时间；在下信道上，2.5ms间隔用作CACH信 道，用于传送业务信道管理信息和低速信令。TDMA frame由两个burst构成，语音采集器每60ms采集一帧数据。基带处理模 块进行基带处理和中频调制，处理时间小于60ms,其中包括数据收集和写入缓存的时间。USRP每30ms时间发送一帧数据，与 基带模块和中频调制并行进行，接收端作类似的处理。收发的时序转换如图5所示。 　　 　　3.3 系统测试 

　　本次开发的数字对讲机收发系统经过实际测试，可以正常进行单呼，组呼语音通话，通话质量较好。测试中系统采取主要 参数在表2中已经说明，收发系统实物图如图6所示。 　　 　　本文中对发送端得波形进行了测试，图7是一个突发的数据波形，图8是一个TDMA帧的数据波形。可以看出，实际的测试 波形比27.5ms多一点，这个是由USRP不稳定带来的，但一帧数据在上层严格控制在60ms,30ms进行一次收发转换，满足 DMR协议规定的格式。 　　4 结论 　　 　　本文通过对USRP的研究，选取在Windows平台上，利用软件无线电架构搭建数字对讲机收发系统。通过实际测试表 明，USRP在Windows下开发很方便，搭建的数字对讲机收发系统能够进行清晰的单呼和组呼功能。