基于ARM内核的民用数字对讲机系统的设计

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拟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技术，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本结构的基础 上，本文对芯片设计的总体框架及某些关键模块如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。

关键词：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
中文核心期刊微计算机信息》（嵌入式与SOC)2006年第22卷第10-2期
ARM开发与应用
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，并支持

浮点操作。
图2民用数字对讲机SoC示意图 整个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，提供性能更佳、成本更低 廉产品。民用数字对讲机的结构主要由三部分组成： 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， 其中大方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，实际包括APB总线和AHB总线两个模块。因 为ARM公司提供的APB- AHB总线桥只支持APB总

线和AHB总线使用一个时钟域；为降低APB总线的 时钟频率，节省系统的功耗，自行设计了一个总线桥 模块。

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

的存储器控制结构，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，支持8位、16位和32位数据操作，其 门数只有5k左右。通过MPMC控制器，可以接外部 SRAM和FLAH等存储设备。

VIC(Vectored Interrupt Controller)用于控制外围 设备向系统发起的中断，设计时直接ARM公司提供 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总线的从属模块，连接到 APB总线上，用于和外部设备的数据交互。其中UART 带有完全的调整解调器接口，可用于与RS232类型的 串口设备互连。而GPIO提供了 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 出使用。这三个模块都直接使用ARM公司的IP模块， 门数分别为1.6k,8.9k和7.5k。
技术创新
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公司提供 的 ARM946E- S 微处理器 IP( Intellectual Property)核。

总线控制器采用直接ARM公司提供AMBA总线
图4基带和射频模块结构图 Timer和Watchdog模块也是AMBA从属模块，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，用于避免当软件死锁时出现的系统死机。 Timer用于时钟计数,并产生触发Watchdog的时钟信 号。由于该模块功能简单，自行设计了相关模块。

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能。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别用于 衔接音频模块和基带模块。这两个模块的功能以及功 能与GPIO等模块的功能基本相似。

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激励线性预测）算法。 该算法结合了声码器和波形编码器的优点，在CELP 上进行改进。通过对感觉加权误差准则、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，提高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算法的水平，其MOS得分为3.5。

该模块属于专用模块，完全自行设计。

3.4基带和射频模块

基带和射频模块主要负责数据的信道编/解码、交 织/去交织、调制/解调和射频调制解调等。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类比特不加保护，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 特最为关键，采用CRC码和卷积码来保护。信道解码 器采用维特比译码技术。

调制技术可采用C4FM调制方式或GMSK调制 方式。C4FM调制方式能够支持模拟调制方式和数字 调制方式，显著优势在于能够兼容现有的模拟对讲 机。GMSK调制方式在MSK调制方式基础上引入一个 预调滤波器（高斯滤波器）。该调制方式能够保持恒定 包络的特性，并通过改变高斯滤波器的3dB带宽对已 调信号频谱进行控制，使带外辐射功率大大降低。

信道编/解码属于专用模块，完全自行设计。

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范围为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开发与应用

3.5 时钟结构设计

整个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 形式，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，相比现有的以分离元件为基础 的民用数字对讲机设计方案，具有成本低，稳定性高 的特点；2、结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微处理器应用的一 条新思路；4、经过对该芯片的适当改进，可以将其应 用于蓝牙、WLAN以及工业控制等领域，具有广阔的 应用前景。

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[5]陈勇编著.集群移动通信机和对讲机原理、使用及维修手册. 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: 网络路由技术和信令技术，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

通讯地址:（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，需要基站等控制设 施支持才能正常使用。民用对讲机不需要基站等设 施，具有费率低、使用方便等特点，因此在物业管理、 生产制造等领域得到广泛应用。与传统的民用模拟对 讲机相比，融入了数字调频等现代通信技术的民用数 字对讲机具有抗干扰能力强、语音清晰、易于加密等 特点，而且还能提供短信息等附加业务。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 构投入了大量的人力、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”筹备工作会议协调相关事宜，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 机基础上改进而成，一般采用分离元件设计，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)技术和SoC(片上系统)技术，可 以将众多分离元件的功能集成到一块芯片上，从而可 以增强设备稳定性、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

民用数字对讲机主要由控制器、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规划（973)计划资 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，交织和调制以后送到射频模块发射；接收 端接收到无线电信号以后进行解调，信道解码，语音 解码，D/A变换后通过麦克输出。整个通信过程完成之 后，主/被叫双方再次交换信令信息来拆除呼叫连接。 其中，主控模块负责各功能模块，协调系统资源。
图1民用数字对讲机的结构框图 本文研究的目的在于利用SOC技术，将控制器、 调制/解调、信道编/解码器等集成在一块芯片上；同时 在芯片上提供部分外设功能,如RS232接口、键盘接 口等，这样整个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