《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于CMX618與CMX7041的數(shù)字對講機基帶系統(tǒng)的設(shè)計

2009-07-08
作者：崔 振，謝曉明

??? 摘? 要： CMX618與CMX7041是CML半導(dǎo)體公司推出的用于數(shù)字專網(wǎng)移動通信的專用芯片，本文介紹了基于CMX618[1]與CMX7041[2]的數(shù)字對講機基帶系統(tǒng)的設(shè)計，敘述了系統(tǒng)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，并闡述了芯片使用中的問題與經(jīng)驗。?

??? 關(guān)鍵詞： CMX618；CMX7041；數(shù)字對講機；基帶；數(shù)字專網(wǎng)移動通信

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??? 數(shù)字對講機擁有全新的技術(shù)，是一個新時代的產(chǎn)物，是模擬對講機的更新?lián)Q代產(chǎn)品。所謂數(shù)字對講機，就是在其內(nèi)部將語音信號進(jìn)行數(shù)字化處理，并可以擴展其他數(shù)據(jù)應(yīng)用功能的對講機。它在以下三個方面有著模擬對講機無法比擬的優(yōu)勢：(1)窄帶通信，一路語音信號占用一個信道，信道帶寬是12.5 kHz或者6.25 kHz，從而能很好地應(yīng)對當(dāng)今社會頻譜資源日益缺乏的難題。(2)由于對語音信號的數(shù)字化處理使得在接收端對接收信號進(jìn)行判決時消除了一定的噪聲積累影響，而且在發(fā)送端對語音數(shù)字信號還可以進(jìn)行信道編碼的處理，這就使得數(shù)字對講機的話音質(zhì)量得到了進(jìn)一步的改善。(3)由于內(nèi)部設(shè)有數(shù)字信號處理機制，因此可以增加若干有關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用的擴展功能，例如短信息、視頻信息等。歐美市場調(diào)查的數(shù)據(jù)顯示：2003年數(shù)字對講機與模擬對講機的比例是2：8，在2004年上升為5：5，且預(yù)計2007年將達(dá)到8：2。我國目前市場上并沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字對講機產(chǎn)品出售，國外公司例如摩托羅拉、艾可慕等，其研制的數(shù)字對講機產(chǎn)品價格昂貴，使得一般的中小型企業(yè)無法接受。今年汶川地震時GSM網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，使得通信、救援等工作都受到影響，也使得對數(shù)字對講機的需求變得異常強烈，還有我國公安、消防、建筑等行業(yè)部門對數(shù)字對講機的強烈需求，所以擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字對講機亟待研發(fā)并被投入市場。?

1 所選芯片介紹?

??? 筆者所設(shè)計的數(shù)字對講機基帶系統(tǒng)基于英國CML半導(dǎo)體公司的語音編解碼芯片CMX618和4FSK調(diào)制解調(diào)芯片CMX7041。參照的通信協(xié)議是ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)發(fā)布的公用數(shù)字對講機標(biāo)準(zhǔn)DPMR[3]。?

??? CML公司研制的這兩款芯片目的是應(yīng)用于窄帶的數(shù)字專網(wǎng)移動通信。CMX618是語音編解碼芯片，內(nèi)部集成A/D、D/A，采用RALCWI(魯棒的先進(jìn)的低復(fù)雜性波形插入)技術(shù)，可以將模擬語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字語音信號后，再壓縮編碼為位速率是3.6 kb/s的碼流，其中的2.4 kb/s是純語音數(shù)據(jù)，另外的1.2 kb/s是信道編碼數(shù)據(jù)，壓縮率很高，并且聲音效果也不錯。CMX618解碼時可以將語音外帶信道編碼的數(shù)據(jù)先解碼,再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，送入耳機或擴音器。芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。CMX7041是4FSK方式的調(diào)制解調(diào)芯片。調(diào)制時，它可以將輸入的數(shù)字信號進(jìn)行4FSK調(diào)制，并且輸出數(shù)字碼流的速率可以是4.8 kb/s或者9.6 kb/s，可以應(yīng)對信道帶寬是6.25 kHz和12.5 kHz兩種情況。在解調(diào)端，它可以將4FSK已調(diào)信號解調(diào)，得到原調(diào)制信號。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。?

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??? 基帶系統(tǒng)的CPU選擇的是ARM7TDMI-S內(nèi)核的NXP的LPC2138[4]，筆者使用外接12 MHz晶振，處理器時鐘設(shè)置為48 MHz，這樣高的時鐘頻率足以應(yīng)對對講機的工作，LPC2138的內(nèi)部Flash為512 KB，其中大約256 KB的Flash用來存儲字庫，用于短信息的功能。總體來說這款A(yù)RM芯片是很合適的。?

2 系統(tǒng)總體介紹?

??? 系統(tǒng)的總體框圖如3所示。本設(shè)計中CMX618語音編碼后的碼流速率是3.6 kb/s，CMX7041將信號調(diào)制后碼流速率是9.6 kb/s，所以一路話音占用的信道帶寬是12.5 kHz。?

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??? 在發(fā)送路徑上，麥克將人的模擬語音轉(zhuǎn)換為差分的電信號。將差分的電信號送入CMX618,在其內(nèi)部將電信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，之后將數(shù)字信號進(jìn)行壓縮編碼，輸出3.6 kb/s的數(shù)字碼流，其中含有1.2 kb/s的信道編碼數(shù)據(jù)。LPC2138通過SPI總線將CMX618輸出的已編碼數(shù)據(jù)讀入到MCU內(nèi)部開辟的數(shù)據(jù)緩存區(qū)中，之后將這些讀入的數(shù)據(jù)與按照DPMR協(xié)議填充的協(xié)議數(shù)據(jù)一起再通過SPI總線送給CMX7041，CMX7041將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行4fsk調(diào)制并發(fā)送至射頻模塊，再經(jīng)天線發(fā)射出去。接收路徑上，CMX7041將接收到的4fsk已調(diào)信號進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)得到的信號經(jīng)過SPI總線存儲到MCU的緩沖區(qū)中，MCU再將緩沖區(qū)中的語音數(shù)據(jù)通過SPI總線送入CMX618待其解碼，解碼之后的差分語音信號送入揚聲器即可還原出語音。?

3 硬件電路設(shè)計?

??? 電路原理簡圖如圖4所示，僅列出了與接口相關(guān)的引腳。?

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??? 畫PCB圖時需注意以下幾點：?

??? (1)麥克輸出的信號是差分的電信號，所以麥克的輸出與CMX618的輸入之間的導(dǎo)線應(yīng)布成等長、等距離且距離盡可能近的差分線。從CMX618輸出的信號到擴音器之間的導(dǎo)線同樣應(yīng)是差分線。?

??? (2)為了獲得可調(diào)節(jié)大小且分貝較高的聲音，可以在CMX618與擴音器之間加一個音頻功放芯片。芯片在較大功率時的聲音完全可以滿足對講機的要求。大功率時，電流相應(yīng)也較大，可以達(dá)到1.5 A左右，所以導(dǎo)線的寬度最好在1～1.27 mm之間。?

??? (3)板子最好做成4層板。除了內(nèi)層有電源層和地層以外，最好在頂層和底層也都鋪銅，鋪成地網(wǎng)絡(luò)。為了使地平面充分相通，可以在頂層與地層、底層與地層之間多打一些過孔，這樣也可提高散熱性能。?

4 軟件設(shè)計?

??? 先介紹數(shù)字對講機工作時參照的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。筆者所使用的標(biāo)準(zhǔn)是ETSI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)發(fā)布的公用數(shù)字對講機標(biāo)準(zhǔn)——DPMR，考慮到所使用芯片CMX7041的特性，在幀的結(jié)構(gòu)上有所修改，如圖5所示。為了保證語音數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在MCU的RAM中開辟了兩個緩沖區(qū)，每個緩沖區(qū)的大小都是1 896 bit，即237 B。對講機工作時，輪流對這兩個緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)的操作。

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??? 數(shù)字對講機工作時發(fā)送端CMX618的工作流程圖見圖6，CMX7041工作流程圖見圖7。?

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??? 數(shù)字對講機最初處于檢測PTT鍵是否被按下的狀態(tài)。當(dāng)PTT鍵被按下時，就啟動CMX618開始編碼。CMX618處于編碼狀態(tài)時，每80 ms會產(chǎn)生36 B即288 bit的已編碼話音數(shù)據(jù)，并以中斷方式通知MCU，MCU收到中斷信號后就會啟動其SPI外設(shè)從CMX618的內(nèi)部寄存器中將這36 B的語音數(shù)據(jù)讀到MCU的RAM緩沖區(qū)中。與此同時要根據(jù)DPMR協(xié)議填充相應(yīng)的協(xié)議數(shù)據(jù)，這些協(xié)議數(shù)據(jù)用于得知呼叫與被呼叫者的ID，用于判斷呼叫類型是單呼、組呼、短信息通信、還是圖像通信等通信類型，因此關(guān)于協(xié)議的處理也是很重要的。每當(dāng)產(chǎn)生4次中斷，即320 ms時，就啟動CMX7041，使其由IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)換為發(fā)送狀態(tài)，將緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)即語音數(shù)據(jù)與協(xié)議數(shù)據(jù)一起經(jīng)調(diào)制后發(fā)送出去。?

??? CMX7041的發(fā)送機制如下。會涉及到5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，1個數(shù)百字節(jié)的緩沖器，1個調(diào)制解調(diào)模塊；5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，寬度都是16 bit，其中的四個半寄存器用于裝載待發(fā)送數(shù)據(jù)，剩余的8 bit用于裝載控制字節(jié)。CMX7041通過SPI總線將MCU緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀入到這5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，之后自動將這5個寄存器中的數(shù)據(jù)送入芯片內(nèi)緩沖器中，每當(dāng)一次送入緩沖器的操作完成，CMX7041就會產(chǎn)生一個DataReady中斷，此時，MCU就將緩沖區(qū)中后面的數(shù)據(jù)再放到5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中。一直這樣持續(xù)下去，直到MCU中前一半或者后一半緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)都被送入CMX7041中。之后MCU所做的就是等待Txdone中斷的發(fā)生。Txdone中斷的發(fā)生就意味著MCU中緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)都被CMX7041調(diào)制完成并發(fā)送完畢。值得注意的是CMX7041內(nèi)的緩沖器。它既時刻接收由5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器送過來的數(shù)據(jù)，同時也在按照9.6 kb/s或者4.8 kb/s的速率向調(diào)制解調(diào)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，以供調(diào)制解調(diào)模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行4fsk的調(diào)制。也就是說緩沖器在接收數(shù)據(jù)的同時，也在送出數(shù)據(jù)，是一個動態(tài)的平衡過程。有一點很重要，就是一定不能讓這個緩沖器里面為空，這樣就會發(fā)生并不希望的Txdone中斷。在不希望的Txdone中斷之后，如果CMX7041再沒有得到來自MCU的使其從IDLE狀態(tài)轉(zhuǎn)換成發(fā)送狀態(tài)的命令，則其不會再調(diào)制任何數(shù)據(jù)和發(fā)送任何數(shù)據(jù)。這樣必然導(dǎo)致接收端無法正確解調(diào)數(shù)據(jù)，最終導(dǎo)致雙方通信的失敗。所以，必須在CMX7041發(fā)生DataReady中斷的時刻立即向5個發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器寫數(shù)據(jù)，既不可以在中斷發(fā)生之前寫（寫數(shù)據(jù)過快，CMX7041來不及處理，緩沖器會溢出），同樣也不能在中斷過后很久再寫（芯片內(nèi)的緩沖器會空，隨之產(chǎn)生Txdone中斷）。還有一個非常容易出問題的地方，就是DataReady中斷發(fā)生的時間間隔問題。CMX7041這款芯片在這個問題上很智能，它會針對內(nèi)部緩沖器的填滿程度而自動改變DataReady中斷發(fā)生的時間間隔。例如：筆者設(shè)計的這個基帶系統(tǒng)，CMX7041工作于9.6 kb/s的模式，即每秒發(fā)送9600 bit位，每產(chǎn)生一次DataReady中斷，相當(dāng)于發(fā)送了72 bit，則可推算出DataReady中斷間隔應(yīng)該是7.5 ms，然而事實上并不是這樣。調(diào)試程序時發(fā)現(xiàn)，中斷產(chǎn)生的間隔不到1 ms。之所以這樣，是因為在MCU中開辟的緩沖區(qū)是237 B，即每次CMX7041會調(diào)制并發(fā)送237 B的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的數(shù)量相對于CMX7041內(nèi)部數(shù)百字節(jié)的緩沖器來說并不多，緩沖器不會填得太滿，所以就出現(xiàn)了這種中斷產(chǎn)生速度要快于之前計算時間的情況。筆者又用一個例子來驗證，使CMX7041以死循環(huán)的發(fā)送方式發(fā)送數(shù)據(jù)，此時，要發(fā)送數(shù)據(jù)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于芯片內(nèi)部緩沖器的大小，再觀察產(chǎn)生中斷的時間間隔，確實變成了7.5 ms，驗證了推測。?

??? CMX618產(chǎn)生的已編碼數(shù)據(jù)的速率是3.6 kb/s，CMX618產(chǎn)生4次中斷即320 ms會產(chǎn)生144 B數(shù)據(jù)，再加上協(xié)議數(shù)據(jù)共有237 B，此時啟動CMX7041進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)，CMX7041以9.6 kb/s的速率調(diào)制并發(fā)送這些數(shù)據(jù)需要197.5 ms。CMX7041發(fā)送數(shù)據(jù)時有個特性，會自動在要發(fā)送的數(shù)據(jù)前面添加72 bit的前導(dǎo)碼與48 bit的幀同步碼，這又會消耗12.5 ms，因此CMX7041僅需要210 ms就可以將CMX618在320 ms內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。發(fā)送完畢之后，CMX7041要進(jìn)入IDLE狀態(tài)等待，在下一個320 ms到來的時刻再啟動新一輪的調(diào)制與發(fā)送。?

??? 數(shù)字對講機工作時接收端CMX7041的工作流程見圖8，CMX618工作流程圖見圖9。?

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??? 最初使CMX7041進(jìn)入接收狀態(tài)，芯片會自動檢測幀同步，若檢測到，會產(chǎn)生中斷來告知MCU，之后MCU等待DataReady中斷，DataReady中斷發(fā)生就意味著調(diào)制解調(diào)模塊已經(jīng)解調(diào)好9 B的數(shù)據(jù)。此時，MCU將這9 B數(shù)據(jù)通過SPI總線從5個接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出放入MCU開辟的緩沖區(qū)中。當(dāng)CMX7041接收并解調(diào)完一整幀數(shù)據(jù)，即243 B時，CMX7041進(jìn)入IDLE狀態(tài)，并置位使能CMX618解碼的標(biāo)志位，在經(jīng)過一個時間長于1 ms的延時之后CMX7041進(jìn)入接收狀態(tài)，以便檢測下一幀數(shù)據(jù)的到來。值得注意的是，此處必須加延時，否則，CMX7041會工作不正常。?

??? 在CMX7041接收到最后一幀數(shù)據(jù)之后，要將CMX618停止解碼的標(biāo)志位置位，MCU在檢測到此標(biāo)志位后使CMX618由解碼狀態(tài)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。MCU根據(jù)緩沖區(qū)中的協(xié)議信息得知這一幀是否為最后一幀，有關(guān)協(xié)議信息的處理，此處不再贅述。?

??? 當(dāng)使能CMX618解碼的標(biāo)志位置位之后，立即啟動其進(jìn)入解碼狀態(tài)。CMX618每隔80 ms產(chǎn)生一次中斷，來表明其需要接收新的數(shù)據(jù)以供其內(nèi)部的解碼器進(jìn)行解碼，所以在CMX618產(chǎn)生中斷之時，MCU通過SPI總線將緩沖區(qū)中存儲的語音數(shù)據(jù)送入CMX618對應(yīng)的寄存器。CMX618解碼時，MCU每隔一定時間要檢測停止解碼的標(biāo)志位，如果檢測到標(biāo)志位已經(jīng)置位，則CMX618必須由解碼狀態(tài)轉(zhuǎn)換為IDLE狀態(tài)。以上的通信流程在理想的通話環(huán)境可以很好地工作。?

??? 為了使系統(tǒng)可以很好地應(yīng)用在隨機的、惡劣的無線信道的環(huán)境中，需要以下措施：?

??? (1)在無線信道中丟幀是很正常的，可以設(shè)置一個計數(shù)器，CMX7041收到幀時遞增，CMX618每解碼一幀數(shù)據(jù)將計數(shù)器遞減。實際應(yīng)用中，如果丟幀太多，計數(shù)器會遞減到0，也就表明收到的語音數(shù)據(jù)都被解碼，沒有新的數(shù)據(jù)可供解碼，此時使CMX618由解碼狀態(tài)進(jìn)入IDLE狀態(tài)。當(dāng)CMX7041又接收到新的數(shù)據(jù)后，再啟動CMX618解碼。在信道條件不好時，CMX618就會頻繁地切換狀態(tài)，這是很正常的。?

??? (2)考慮到無線信道丟幀的頻繁性，將幀的長度設(shè)計得比較短，本設(shè)計中的長度是243 B。每丟一次幀帶來的影響是丟掉320? ms的語音數(shù)據(jù)。如果幀長度較長，丟失的語音數(shù)據(jù)也會較多。?

??? 本文設(shè)計的基帶系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在數(shù)字對講機的樣機研發(fā)當(dāng)中，測試效果不錯，有很好的應(yīng)用前景。?

參考文獻(xiàn)?

[1] CML Microcircuits Inc.CMX608/CMX618/CMX638 RALCWI?vocoders datasheet.http://www.cm1micro.com，2008，3.?

[2] CML Microcircuits Inc.CMX7031/CMX7041 the two-way?radio processor 4FSK data modem datasheet.http://www.cm1micro.com，2007，4.?

[3] ETSI.ETSI TS 102 490.http://www.etsi.org，2005，12.?

[4] NXP Inc.LPC2131/2132/2134/2136/2138 datasheet.http://www.nxp.com，2005，4.

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