2.4GHz DECT技术体系与实现方法

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:介绍了2.4GHz DECT系统空中接口协议的分层模型及应用情况,对几种实现方法进行分析和比较,重点介绍并讨论了美国国家半导体公司的芯片组实现方案及系统软件的设计方法,对2.4GHz DECT的实现方法给出了可行性建议。 关键词:DECT 技术体系 实现方法 DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommuniction)系统是由欧洲电信标准协会(ETSI)制定的增强型数字无绳电话系统标准[1],也是唯一入选IMT-2000(3G)的数字无绳通信标准(IMT-2000[7]称为IMT-FT)。 DECT是一个开放型的、不断演进的标准,可为高用户密度、小范围通信提供话音和数据高质量服务无绳通信的框架。其主要功能是为专用交换机(PABX)的便携用户提供区域移动性。它可以将移动用户连接到公共交换电话网(PSTN)、综合业务数据网(ISDN)或者数字蜂窝移动通信网(如GSM)上去,在100~500m范围内,为便携用户和固定基站之间提供低功率的无线接入。其系统网络结构图如图1所示。 目前,DECT系统在应用频段上,除继续使用1880~1900MHz外,现已较多地使用2400~2483.5MHz ISM(工业、科学和医学)频段。我国国家无线电管理局于2001年8月发布通知,从2003年起将数字无绳电话系统工作频段放在2400~2483.5MHz ISM频段。采用跳频扩频(FHSS)或直接系列扩频(DSSS)技术,具有极强的抗多径衰落能力和极高的保密性,极大地提高了DECT系统的通话距离。世界各大DECT系统设备制造商都已生产基于2.4GHz ISM频段、采用跳频技术的产品,如西门子公司的GIGASET4000、4200和8800系列产品。另外,同时支持GSM蜂窝网和DECT系统的双模式产品,也已在欧洲投入使用,如爱立信公司的便携手机TH688支持DECT/GSM双模式应用。 1 2.4GHz DECT的空中接口 DECT的空中接口协议与综合业务数字网相类似,是基于开放系统互连(OSI)原则的。控制平面(C平面)和用户平面(U平面)使用较低层(即物理层和中间接入控制层)提供的服务。DECT系统能够支持超过10000个用户/平方公里(商业和办公环境)而不需要知道用户位于哪个小区。但它不是一个完全的系统概念。这一点与其它系统,如GSM、CDMA等蜂窝移动通信系统标准不同。它是为无线本地环路(WLL)或城市区域接入而设计的,但它可用于与蜂窝移动通信系统(如GSM)相连接。DECT可根据便携式手机所接收的信号动态地分配信道,且系统设计仅为普通移动速度的用户提供越区切换和漫游。DECT系统空中接口协议的分层模型如图2所示。 2.4GHz DECT在座机(无线固定部分)和手机之间采用基于多载波/时分多址/时分双工(MC/TDMA/TDD)无线接入方式。调制方式为GFSK(BT=0.5),通过跳频技术减少同频干扰,保证传输的可靠性。ISM频段的分配是从2400~2483.5MHz的83.5MHz频带内大于79个射频载波,其中心频率fn=2402MHz+kMHz;k=0~78,信道带宽≤1MHz,跳频速率为100跳/秒。 DECT在每个载波上,TDMA的10ms帧结构规定为24个时隙(Slot),每个时隙约占416.7μs。在各时隙中数据以分组的形式发送,时隙和帧结构如图3所示。 2 2.4GHz DECT实现方法分析 2.4GHz DECT在实现方法上,主要采用GFSK(BT=0.5)调制与FHSS技术相结合的方式。其技术方案主要有:美国国家半导体公司的SC144xx系列基带信号处理器和RF芯片LMX3162;美国DSP Group公司的DR36K系列基带信号处理器和RF芯片DM24RF17;Infineon公司的PMB67xx系列基带信号处理器和RF芯片PMB6618;飞利浦公司的PCD509xx系列基带信号处理器等。 从资料分析看,在2.4GHz DECT实现方法上,各大芯片公司多采用GFSK+FHSS的技术体制。因为GFSK+FHSS的技术体制结构上比较简单,产品成本较低,适于移动,是窄带移动通信系统普遍采用的技术体制;由于其RF芯片与Bluetooth的RF芯片技术体制基本相同可通用,其应用范围广阔。 ETSI TS 101 948 V1.1.1(2001-04)[2]文件中已明确指出经过试验测试,2.4GHz ISM频段采用FHSS技术在窄带移动通信方面的抗干扰能力上,明显优于DSSS技术体制。 图3 DECT时隙和帧结构 3 SC14428基带信号处理器和RF芯片LMX3162实现DECT SC14428基带信号处理器和RF芯片LMX3162实现DECT系统的框图如图4所示。 DECT由无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、键盘、显示器、外部接口等组成,采用MC/TDMA/TDD接入方式,GFSK调制(BT=0.5),32kbps ADPCM话音编解码。BMC(Burst Mode Controller)的主要功能在于控制数字无绳电话系统的TDD双工工作,形成TDMA帧和解帧、提供控制器与输入输出的ADPCM话音数据接口,是构成系统的关键部件之一。在SC14428基带信号处理器与RF芯片LMX3162之间的带通滤波器3dB BW(带宽)=BT%26;#215;Bit rate。 3.1 LMX3162 RF接收/发送芯片 LMX3162芯片是座机和手机的IF/RF Transceiver,符合ESTI 300 175-2(PHL:Physical Layer)技术标准。采用2.4GHz FHSS技术,将从基带信号处理器来的数字FSK调制信号,通过高斯滤波器(BT=0.5),加到VCO和Synthesizer(PLL)上,同时基带信号处理器产生的跳频控制信号控制在2.4~2.485GHz频段中VCO产生的载波频率,形成2.4GHz ISM的GFSK已调FHSS信号,输出到功率放大器经TDD开关和天线发射出去。接收时,经TDD开关和天线后,通过VCO和PLL,将2.4GHz ISM的GFSK已调FHSS信号下变频后,传输到基带信号处理器。 在LMX3162芯片中,为了简化电路、降低成本,不采用AGC和AFC。采用限幅器,对大信号进行限幅处理,小信号则必须在允许接收信号的电平之上。至于AFC可采用频率稳定度在1ppm左右的晶体振荡器,通过提高晶体振荡器的频率稳定度来替代AFC控制电路。 FHSS采用发送接收双方事先约定的跳频图案,用100Hz 0.5~2.25VDC电压提供给VCO,通过电压的变化使VCO产生2.402~2.4835GHz的≥79个中心频率;相对而言,其Synthesis(同步器)采用Direct Digital Synthesis(DDS),由VCO和PLL组成,参考频率13.824MHz。接收IF频率为110.592MHz(13.824MHz%26;#215;8=110.592MHz),BW=650kHz。 图4 DECT系统的框图 3.2 SC14428基带信号处理器芯片 SC14428芯片是BS和PH的基带信号处理器,符合ESTI 300 175-2,3(MAC)技术标准,采用CSMA-CA接入控制协议。其内置16位CR16控制器和16位DSP以及ROM、SRAM、Flash Memory、8-bit ADC等,完成32kbps ADPCM编解码、CID、DTMF、RSSI(接收信号强度指示)、TDMA/TDD帧和数字FSK调制解调等功能,具有UART、SPI和ISDN等接口,可方便地与键盘、LCD、Speaker和MIC相连,满足人机界面(MMI)开发和设计的要求。芯片的TXDATA输出为1Vpp NRZ FSK(调制系数=0.32)已调数据,数据率1152kbps/载频。芯片的VTUN为100Hz 0.5~2.25VDC电压提供给1.2~1.24GHz的VCO,使VCO产生所需的频率。 接收端RXDATA接收0~3V的FSK信号,FSK解调采用常用的积分检波技术,鉴相器的输出电压正比于输入FSK信号的瞬时频率。这样就完成了频率-幅度的转换,实现了对FSK信号的解调。 同步VCO采用DC控制。从防护频带边沿开始到有效时隙的465μs为同步锁定时间。SC14428芯片通过串行线将控制数据写入RFIC芯片的寄存器,并读取其状态寄存器的内容。 BMC包括两个主逻辑区:SRAM和寄存器。SRAM用于存储系统参数和A-field(Data)、B-field(Speech)数据,时隙控制参数和加解密编码;寄存器中的数据直接用于对硬件系统的控制或存放系统状态信息。 3.3 协议软件体系 协议软件结构框图如图5所示。L1层软件主要完成物理层的控制以及部分MAC层的功能:选择和动态分配物理信道,低层设备驱动程序,包括对基带信号处理芯片的控制等。L2层软件主要完成DLC层和网络层的功能:负责在基站和手机之间的双向数据传输,提供差错控制功能,负责呼叫控制和移动管理。L3层软件主要完成应用层功能:实现产品的各种功能及其用户接口,如人机界面(MMI)软件。MMI软件主要提供手机的全面控制和手机与用户之间的接口,包括用户键盘输入、手机状态和呼叫处理过程显示、Caller ID和电子簿的管理、PIN码的控制、拨号等。 软件流程基于消息驱动的机制,各层发出的消息由资源管理软件管理,根据任务发送到目标层处理,同时也负责对系统资源的分配和管理。 3.4 软件设计方法 软件设计要实现的基本功能是普通电话机与手机、座机无线通信的功能。要设计好软件应首先考虑两个主要问题: %26;#183;要求软件设计者对DECT系统有比较深刻的认识; %26;#183;DECT系统的许多事件需要实时处理,且要持续一段时间。不少事件在时间上有可能是重叠的,需要同时处理,例如信令码的收与发可能是并行发生的,振铃检测、信令传输、振铃呼叫是要并行处理的,键盘扫描、信令传输、脉冲或DTMF发号也需并行处理。而对诸如此类的实时并发事件,与通常的软件设计方法不同。 为此,软件设计应引入实时多任务控制系统的概念。实施多任务并行处理的常用方法是分时操作。分时操作就是将整个MCU运行期划分为许多均匀的时隙。每个时隙由MCU的定时中断控制。其主要任务可分为:系统初始化、系统资源的分配和管理、建立物理链路和数据发送、接收等。DECT软件重要的是设计资源管理软件,负责对系统资源的分配和管理,给每个任务分配执行时隙,安排各个任务间的转换。一个任务可能在许多不连续的时隙里执行完成。若一个时隙相对于任务的变化来说非常短,那么不连续执行与连续执行的效果完全一样,而其间的其它时隙可分配给其它任务,这样就达到了多任务并行执行的效果。 资源管理软件对任务的处理是在消息的驱动下,触发定时中断后被激活,执行任务的分配和管理。但资源管理软件对任务的处理是根据其优先级执行的,保证对任务实时处理。一般任务按类型可分为:(1)意外突发性;(2)周期性检测或控制;(3)实时事件的后台处理。第(1)类任务优先级最高,第(3)类任务优先级最低。因此L1层软件、L2层软件和L3层软件在资源管理软件的作用下,通过消息的驱动和对任务的目标管理将各层软件连接起来,同步协调工作。 综上所述,开发基于2.4GHz DECT技术的数字无绳电话,DECT软件设计的技术难度较高。由于2.4GHz DECT系统采用TDMA/TDD接入方式,在设计中也要解决突发模式工作下系统供电能力和频率稳定性、帧同步和回声消除等比较突出的问题。 在2.4GHz DECT实现方法上可对各芯片公司解决方案进行分析与研究,在硬件上采用芯片组解决方案;在软件上,可采用先从系统方案供应商或软件公司购买协议栈软件,由开发用户自己用C语言编写MMI软件完成数字无绳电话技术开发;在积累一定开发经验的基础上,可自行开发针对某一芯片组的协议软件。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/rfandwireless/200703/11717.html
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