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The Design of Civil Digital Walkie-Talkie System Based on ARM Kernel
(清華大學(xué))邱吉剛林孝康 Qiu，Jigang Lin，Xiaokang
摘要：民用數(shù)字對講機逐步替代傳統(tǒng)的民用模擬對講機巳是大勢所趨。為降低生產(chǎn)成本，本文提出了一項民用數(shù)字對講機的 系統(tǒng)解決方案。該方案利用SoC技術(shù)，來設(shè)計民用數(shù)字對講機的專用ASIC芯片。在分析民用數(shù)字對講機基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 上，本文對芯片設(shè)計的總體框架及某些關(guān)鍵模塊如ARM微處理器和外圍接口、語音編/解碼模塊、基帶和射頻模塊、時鐘信 號設(shè)計等作了詳細(xì)介紹。
關(guān)鍵詞：民用數(shù)字對講機;片上系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計;專用集成電路;ARM 中圖分類號:TP339 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: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
中文核心期刊微計算機信息》（嵌入式與SOC)2006年第22卷第10-2期
ARM開發(fā)與應(yīng)用
綜合系統(tǒng)性能指標(biāo)、生產(chǎn)成本等因素，擬定以 ARM公司的ARM946E-S微處理器為核心構(gòu)建民用 數(shù)字對講機的ASIC芯片。它的最高工作頻率 180MHz,采用5級流水線,性能1.1MPS/MHz，并支持
浮點操作。
圖2民用數(shù)字對講機SoC示意圖 整個芯片設(shè)計過程基于集成平臺進行系統(tǒng)級開 發(fā)，從而可以縮短設(shè)計周期，提供性能更佳、成本更低 廉產(chǎn)品。民用數(shù)字對講機的結(jié)構(gòu)主要由三部分組成： 微處理器及外設(shè)接口、音頻編/解碼模塊、基帶及射頻 模塊。民用數(shù)字對講機的SoC結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示， 其中大方框所包含的部分為芯片內(nèi)部模塊。
3.2微處理器及外設(shè)接口
IP模塊，實際包括APB總線和AHB總線兩個模塊。因 為ARM公司提供的APB- AHB總線橋只支持APB總
線和AHB總線使用一個時鐘域；為降低APB總線的 時鐘頻率，節(jié)省系統(tǒng)的功耗，自行設(shè)計了一個總線橋 模塊。
MPMC( Multi- Port Memory Controller)是一種高級
的存儲器控制結(jié)構(gòu)，通過AHB總線來連接的外圍設(shè) 備。由于ARM公司的MPMC占用資源太多，門數(shù)多達(dá) 55.9k。因此，設(shè)計時采用了 Synopsys公司的Memory Controller模塊，支持8位、16位和32位數(shù)據(jù)操作，其 門數(shù)只有5k左右。通過MPMC控制器，可以接外部 SRAM和FLAH等存儲設(shè)備。
VIC(Vectored Interrupt Controller)用于控制外圍 設(shè)備向系統(tǒng)發(fā)起的中斷，設(shè)計時直接ARM公司提供 的IP，門數(shù)約為13.4k。
GPIO(General Purpose Input/Output)、SPI(Serial Peripheral Interface)和 UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)是AMBA總線的從屬模塊，連接到 APB總線上，用于和外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交互。其中UART 帶有完全的調(diào)整解調(diào)器接口，可用于與RS232類型的 串口設(shè)備互連。而GPIO提供了 8個可編程輸入輸出 接口，可用于鍵盤的輸入輸出。SPI用于供LCD顯示輸 出使用。這三個模塊都直接使用ARM公司的IP模塊， 門數(shù)分別為1.6k,8.9k和7.5k。
技術(shù)創(chuàng)新
圖3民用數(shù)字對講機的SoC結(jié)構(gòu)框圖 設(shè)計時，微處理器部分直接采用了 ARM公司提供 的 ARM946E- S 微處理器 IP( Intellectual Property)核。
總線控制器采用直接ARM公司提供AMBA總線
圖4基帶和射頻模塊結(jié)構(gòu)圖 Timer和Watchdog模塊也是AMBA從屬模塊，連 接到APB總線之上。其中Watchdog狗是一個32位的
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計數(shù)器，用于避免當(dāng)軟件死鎖時出現(xiàn)的系統(tǒng)死機。 Timer用于時鐘計數(shù),并產(chǎn)生觸發(fā)Watchdog的時鐘信 號。由于該模塊功能簡單，自行設(shè)計了相關(guān)模塊。
PMU( Power Management Unit)用于實現(xiàn)時鐘的使
能、初始化、時鐘分頻和工作模式切換等功能。開發(fā)時 自行設(shè)計了該模塊。
此外還自行設(shè)計了兩個輸入輸出模塊分別用于 銜接音頻模塊和基帶模塊。這兩個模塊的功能以及功 能與GPIO等模塊的功能基本相似。
3.3語音編/解碼模塊
語音編/解碼模塊采用清華大學(xué)微波與數(shù)字通信 國家重點實驗室設(shè)計的、擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的MPD-ACELP(多重脈沖散布代數(shù)碼本激勵線性預(yù)測）算法。 該算法結(jié)合了聲碼器和波形編碼器的優(yōu)點，在CELP 上進行改進。通過對感覺加權(quán)誤差準(zhǔn)則、自適應(yīng)碼本 搜索、隨機碼本結(jié)構(gòu)和搜索以及參數(shù)的量化等方面進 一步研究和優(yōu)化，提高了語音合成質(zhì)量和降低算法延 時。MPD-ACELP的編碼速率為4kb/s時，每幀長為 20ms，共80比特。MPD-ACELP算法的質(zhì)量巳經(jīng)達(dá)到 4.75kb/s AMR算法的水平，其MOS得分為3.5。
該模塊屬于專用模塊，完全自行設(shè)計。
3.4基帶和射頻模塊
基帶和射頻模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的信道編/解碼、交 織/去交織、調(diào)制/解調(diào)和射頻調(diào)制解調(diào)等。其結(jié)構(gòu)如圖 4所示。
信道編碼器將語音編碼模塊輸入比特根據(jù)重要 性分為3類，其中0類比特不加保護，1類比特采用 RCPC(速率兼容的刪截卷積碼）進行卷積編碼；2類比 特最為關(guān)鍵，采用CRC碼和卷積碼來保護。信道解碼 器采用維特比譯碼技術(shù)。
調(diào)制技術(shù)可采用C4FM調(diào)制方式或GMSK調(diào)制 方式。C4FM調(diào)制方式能夠支持模擬調(diào)制方式和數(shù)字 調(diào)制方式，顯著優(yōu)勢在于能夠兼容現(xiàn)有的模擬對講 機。GMSK調(diào)制方式在MSK調(diào)制方式基礎(chǔ)上引入一個 預(yù)調(diào)濾波器（高斯濾波器）。該調(diào)制方式能夠保持恒定 包絡(luò)的特性，并通過改變高斯濾波器的3dB帶寬對已 調(diào)信號頻譜進行控制，使帶外輻射功率大大降低。
信道編/解碼屬于專用模塊，完全自行設(shè)計。
Decimator(基頻抽取器）將來自中頻模數(shù)轉(zhuǎn)換器送 來的2.4MSps的比特流轉(zhuǎn)化為15KSps的16位數(shù)據(jù)流。
Interpolator(基頻插值器）對中頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器送來 的數(shù)據(jù)進行插值形成I/Q兩通道速率為1.2MSps的數(shù) 據(jù)流。以上兩模塊為專用模塊，只能自行設(shè)計。
因為系統(tǒng)的通信頻帶范圍為409.750MHz〜 410MHz。并且被劃分為20個子信道，每個子信道帶寬 為12.5KHz。為此，芯片設(shè)計時采用兩級混頻，頻率分 別為 397.875MHz 和 24MHz;
_ARM開發(fā)與應(yīng)用
3.5 時鐘結(jié)構(gòu)設(shè)計
整個SoC芯片采用了 3個主時鐘，這3個時鐘都 是由PLL倍頻16MHz晶體振蕩器的時鐘信號經(jīng)過不 同邏輯產(chǎn)生。其中ARM946E-S的時鐘由PLL時鐘信 號延時直接產(chǎn)生；而AHB總線的時鐘由PLL時鐘分頻 產(chǎn)生;APB總線時鐘由AHB總線時鐘反相分頻產(chǎn)生。
其余的一些時鐘信號，例如APB總線外設(shè)時鐘 (UART、SPI、TIMER、GPIO)由APB總線時鐘門控產(chǎn) 生；而部分接口時鐘信號（語音接口）直接由外部輸入。
3.5芯片封裝和工作溫度
民用數(shù)字對講機SoC芯片的封裝采用LQFP176 形式，尺寸是24>24X1.40mm。芯片的工作溫度為-40°C 到+85。。。
4結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點在于：1、提出了一種民用數(shù)字對 講機的芯片解決方案，相比現(xiàn)有的以分離元件為基礎(chǔ) 的民用數(shù)字對講機設(shè)計方案，具有成本低，穩(wěn)定性高 的特點；2、結(jié)合民用數(shù)字對講機的特點，在ASIC芯片 中實現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的語音編/解碼和信道編/ 解碼模塊；3、提出了嵌入式ARM微處理器應(yīng)用的一 條新思路；4、經(jīng)過對該芯片的適當(dāng)改進，可以將其應(yīng) 用于藍(lán)牙、WLAN以及工業(yè)控制等領(lǐng)域，具有廣闊的 應(yīng)用前景。
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作者簡介:邱吉剛，男，漢族，1976年06月生，四川，博士研 究生，清華大學(xué)微波與數(shù)字國家重點實驗室，研究方向: 網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)和信令技術(shù)，嵌入式系統(tǒng);林孝康，男，漢族， 教授，博導(dǎo)，清華大學(xué)微波與數(shù)字國家重點實驗室。 (100084北京清華大學(xué)微波與數(shù)字國家重點實驗室) 邱吉剛林孝康
(State Key Laboratory on Microwave & Digital Communica-tion，Tsinghua University，Beijing，China)Qiu，Jigang Lin，Xi-aokang
通訊地址:（100084北京清華大學(xué)微波與數(shù)字國家重點 實驗室)邱吉剛
對講機一般分為民用對講機和集群對講機兩類。 集群對講機為集群系統(tǒng)用戶專用，需要基站等控制設(shè) 施支持才能正常使用。民用對講機不需要基站等設(shè) 施，具有費率低、使用方便等特點，因此在物業(yè)管理、 生產(chǎn)制造等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的民用模擬對 講機相比，融入了數(shù)字調(diào)頻等現(xiàn)代通信技術(shù)的民用數(shù) 字對講機具有抗干擾能力強、語音清晰、易于加密等 特點，而且還能提供短信息等附加業(yè)務(wù)。因此，民用對 講機逐步數(shù)字化巳是大勢所趨。為此，國內(nèi)外眾多機 構(gòu)投入了大量的人力、物力進行研究和開發(fā)。國內(nèi)部 分高校和有關(guān)公司于2005年10月召開‘?dāng)?shù)字對講機 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟”籌備工作會議協(xié)調(diào)相關(guān)事宜，以推動國內(nèi) 民用數(shù)字對講機產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
目前巳有部分公司和結(jié)構(gòu)推出了民用數(shù)字對講 機的樣機。但是，此類對講機往往是在集群數(shù)字對講 機基礎(chǔ)上改進而成，一般采用分離元件設(shè)計，結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，成本較高，難以在市場上得到廣泛推廣。利用先進 的ASIC(專用集成電路)技術(shù)和SoC(片上系統(tǒng))技術(shù)，可 以將眾多分離元件的功能集成到一塊芯片上，從而可 以增強設(shè)備穩(wěn)定性、減小設(shè)備體積、降低生產(chǎn)成本。
2民用數(shù)字對講機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
民用數(shù)字對講機主要由控制器、語音編/解碼器、 邱吉剛:博士研究生
基金項目：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃（973)計劃資 助，芯片的全系統(tǒng)仿真，編號G1999032903
信道編/解碼器、調(diào)制/解調(diào)器、射頻模塊A/D和D/A等 部分組成。其框圖如圖1所示。在相互通信之前，主/被 叫雙方相互交換信令信息來建立呼叫連接。呼叫建立 之后，用戶輸入的語音信號通過A/D變換，語音編碼， 信道編碼，交織和調(diào)制以后送到射頻模塊發(fā)射；接收 端接收到無線電信號以后進行解調(diào)，信道解碼，語音 解碼，D/A變換后通過麥克輸出。整個通信過程完成之 后，主/被叫雙方再次交換信令信息來拆除呼叫連接。 其中，主控模塊負(fù)責(zé)各功能模塊，協(xié)調(diào)系統(tǒng)資源。
圖1民用數(shù)字對講機的結(jié)構(gòu)框圖 本文研究的目的在于利用SOC技術(shù)，將控制器、 調(diào)制/解調(diào)、信道編/解碼器等集成在一塊芯片上；同時 在芯片上提供部分外設(shè)功能,如RS232接口、鍵盤接 口等，這樣整個芯片就是一個完整的數(shù)字對講機系 統(tǒng)，示意圖如圖2所示。
3民用數(shù)字對講機的SoC設(shè)計
3.1概述
