DMR之超外差和单芯片方案对比.docx

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1、DMR之超外差和单芯片方案对比DMR之不同射频架构对讲机行业目前有几百家企业在生产不同品质、不同价格的产品。其中高性能、高价格的产品以行业龙头摩托罗拉和海能达为代表，这两个品牌真正自己生产（非贴牌）的中高端机器基本是超外差架构。另外一部分品牌以及摩托罗拉的一些副厂产品，部分采用了高集成的零中频架构。下面我们就讨论下这两种架构对用户使用带来哪些区别，本文只讨论接收部分。先说说什么是超外差架构。先搬一张某经典机型接收机框图：Fig.2Receiversectionconfiguration接收天线下来首先是收发开关（ANTSW）,它负责打开和关闭收发信号。然后是LNA进行信号放大，LNA前后各包含

2、有一个带通滤波器（BPF）。正规机器通常是用几个变容管和线圈等器件构成电调谐带通滤波器，行业内简称电调，会跟踪有用信号的频点而调节自身谐振点。它的作用是对外部接收信号做选择，抑制干扰信号。如果缺失了电调滤波器，强干扰会直接打入LNA或混频器，导致它们饱和，机器出现接收困难（实际灵敏度瞬间恶化）。放大器后面是第一级混频器（MIXR）,混频后的信号变成第一中频信号，通常是几十兆赫兹。混频时，性能的一个关键在于本振信号（PLL）的纯度（相位噪声），这将影响接收机抗干扰性能。目前业界频谱纯度能达到专业对讲机要求的（-12OdbC/HzgHOkoffset）,一种是用分立元件做独立VC0,一种是用Tl产

3、LMX2571,国产器件还有待提高。第一级混频器后面紧跟着的是晶体滤波器（MCF）,这是一种非常特殊和精准的滤波器件，能够做到12.5KHZ这么小的带宽，带外干扰滤除效果非常明显!上图吧：a 10 8 -6 -400 -2 O 2 400 6 800 10FreqUenCy(kHz)这是日本KDS晶体滤波器的特性，能够对干扰衰减60dB,也就是1000000倍。晶体滤波器后面是中频放大器，然后是中频接收芯片。芯片里面进行第二次混频和带通滤波，解调出FM音频供后级音频电路发出声音。这里的带通滤波器再次对带外干扰信号做滤除，保证接收稳定。在一二十年前主要是用日本东芝的TA3U36,现在海能达有在用

4、日本AKM的AK2365A替代。后者有个进步是把外部的第二中频滤波器和陶瓷鉴频器集成到IC中了。综合以上分析可以看到，专业对讲机接收机信号经过了至少3次射频滤波,层层滤波净化后的信号才进行解调。用几张简图总结一下信号提纯过程吧。天线接收的信号中，S代表有用信号，il和i2是近端和远端干扰信号，蓝色曲线代表电调滤波器特性曲线：经过电调滤波器后，远端干扰被消除，但电调滤波器带宽较宽，对近端干扰衰减不够。如下信号被转成中频中频滤波器都是很精准的窄带滤波器，弥补电调的不足，滤波原理如下:MCFIVS，残留的干扰il在MCF带外，会被完美滤除:MCFIVs,这就是超外差电路对抗干扰的整个过程，其中第二中

5、频滤波器的过程与MCF类似，不再赘述。简单讲就是3次滤波来消除干扰。下面对照一款专业机主板实物看看：这是日本的一款经典产品。最右侧红色箭头是天线输入焊接口，紫色圈里3个线圈是低通滤波器，黄色圈里是LNA放大管，若干红色小圈内是构成电调滤波器的电感线圈和变容二极管，绿色圈是晶体滤波器，晶体滤波器上方格子是独立本振，蓝色圈是解调芯片TA31136及配套器件。下图是一款专业级DMR模块的实物图：每个颜色的器件都能和前面的专业机型对应，其中电调部分采用空心线圈获得更好的Q值，晶体滤波器与前款产品是同一品牌（KDS）,浅蓝色圈里的独立本振是Tl的LMX2571,深蓝色圈里是解调芯片AK2365A。这两款

6、芯片都是近年出现并被摩托和海能达专业机采用的型号。再看一看中低端机器是什么样的：川以看到，两款低端机器电路很简洁，蓝色部分用国产接收芯片代替了专业机里面的一大片电路。上面那一款最低端的版本在LNA部分的电调滤波器(BPF)也省掉了，对抗干扰就只能看国产芯片自己了。市面上的DMR机器从两百多到几千块都有，质量也是有几个档次。超外差和国产单芯片的方案目前都出货很多，前者主要是性能稳定、抗干扰性强，缺点是电路复杂、成本高，一般是大品牌专业机在用。后者简单实用，很多消费级的中小品牌产品采用，但还没有出现在摩托罗拉(非贴牌)和海能达的产品中。因为有电调滤波器在LNA前面，滤除干扰的同时也降低了接收机灵敏

7、度。有电调的产品灵敏度未必很高，但在有干扰的环境下实际灵敏度不会下降，用户体验稳定可靠。两者从外观也容易区分，线圈少于8个的很可能没有电调；有没有晶体滤波器也一看便知。在有其他频点的对讲机同时工作，或在铁路、电力等强电磁干扰环境下，都很容易出现突发的远、近端干扰信号。随着国内汽车的普及，汽车电路干扰也经常在我们测试中出现。如果接收机没有充分处理，用户就会感觉信号时好时坏，不稳定。而农村或郊外用户所面临的干扰情况比较少。大家应根据使用环境选择合适的产品方案。附参考资料：DMR简介DMR协议是欧洲电信标准协会在2005年4月发布的数字对讲机协议标准，是DigitalMObileRadi。的缩写。该

8、协议规定了数字对讲机的物理层、数据链路层以及呼叫控制层的组成以及各层之间的相互关系。DMR协议规定的工作频率为30MHZ到100OMHz,多址方式采用时分多址,信道间隔为12.5kHz,调制方式采用的是4FSK调制解调，协议规定的传输的速率为9.6kbpsoDMR协议遵循通用的协议分层架构，规定了如下图所示的三层架构模型。协议的第一层是物理层也是协议的最底层。第二层是数据链路层，是用来处理多个用户共享媒介，数据链路层可以分为两部分：用户面和控制面。用户面主要是用来无寻址功能的业务信息传输比如语音传输。控制面则主要用于有寻址功能的控制信令信息的传输。协议的第三层为呼叫控制层，主要用于呼叫建立，维

9、持和寻址等呼叫控制功能。1、DMR原理(1)话音传输协议在DMR标准协议中，语音以帧为单位传输，语音数据被分成多帧，一帧完整的语音数据为360ms,一帧数据又分割成6段(A-B-CD-E-F),每段60ms.语音通话时，语音以帧为单位循环传输，直到通话结束。通话时，发射机通过话音编码技术将60ms的数据压缩为27.5ms的数据传输,接收机再通过话音解码技术,还原成60ms.压缩后27.5ms的数据格式如图。VS(215)VS(108)VS(107)VS(O)SYNCorVoice(108)embeddedVoice(108)*ignalling(48)图1中的数据有264位，其中话音数据216

10、位，还有48位的数据用于话音同步或传输控制指令，可将一个60ms的时间分割为两个独立工作互不影响的30ms.在DMR协议中，这两个30ms被定义成时序1和时序2。上文已谈及，实质数据只有27.5ms,其余2.5ms时间可用于发射时的功率上升和停止发射时的功率下降，保证整个发射时间严格按照协议标准，不会干扰另一个时序的工作，一帧语音超帧是360ms,由A-F组成，如图。EmbeddedVoiceSYCEnIbrdEInlZdrdEoibrddrdKmbrddnlEmbeddedVairSYNCEmbeddedlH“R18R66.I17kInRllIH7.20位的SlotType数据中，4位的CC

11、用于指示当前发射方的色码，4位的DataType用于指示当前数据的数据类型，DMR的数据类型包括PIHeaderVoiceLCHeaderTerminatorwithLCCSBDataHeader等，还有12位的奇偶校验。2、DMR参数分析DMR采用4FSK调制，信号调制时使用的是滚降系数为0.2的根升余弦滤波器，信道带宽为12.5kHz,符号率为4.8ksps,数据传输速率为9.6kbps。频率在DMR系统中，需要选择合适的频段和频率范围来满足实际需求。一般来说，频段可以分为VHF(VeryHighFrequency,30MHZ300MHz)和UHF(UltraHighFrequency,3

12、00MHZ3GHz)两类，根据实际情况选择相应的频段。除了频段和频率范围，带宽也是一个重要的频率参数。DMR系统的带宽一般为12.5kHz或25kHz,带宽的选择会影响DMR系统的频谱利用率和通信质量。与模拟对讲机的传输带宽25kHz相比，数字对讲机一般采用12.5kHz的带宽进行传输，这样可以提升数字信号的传输速率和频谱利用率。(2)时隙时隙是DMR系统中的一个重要参数，它是指将一个频率资源分成若干个时段，每个时段可容纳一个用户进行通信。时隙的长度一般为30ms或60ms,不同的时隙长度会影响DMR系统的容量和通信效率。具体来说，如果时隙长度较短，比如30ms,则DMR系统可以支持更多的用户

13、同时通信，提高了系统的容量；但是由于时隙长度短，每个用户可用的时间也就更少，可能会降低通信质量。而如果时隙长度较长，比如60ms,则每个用户可用的时间更长，通信质量可能会更好，但是系统的容量会相应降低。在12.5kHz信道带宽下，数字对讲机可以使用两个时隙来进行双向通信，每个时隙可以容纳一个通信用户。因此，在相同的频段内，数字对讲机可以实现比模拟对讲机更多的通信用户数量，提高了频谱利用率。同时，12.5kHz带宽的数字信道也可以更加精细地分配给不同的应用场景，例如紧急呼叫、组呼、单呼等，以满足不同场景下的通信需求。3、调制方式(1)用2FSK调制的2FSK调制器图显示了2FSK调制器模块。如图

14、所示，位或二进制数字(0或1)用作输入，而符号生成为输出。bitsINPUT2FSK2-FSKOUTPUTbModulator图431显示了2FSK调制器模块。如图所示，位或二进制数字(0或1)用作输入，而符号生成为输出。下面表4.3.1提到了2FSK调制中使用的输入和相应输出之间的映射。如前所述，每个符号携带1位信息。2FSK与FSK调制技术相同。tt三tAY1kJ151J编码0教波偏差(一些偏移)1载波+偏差在数学上，2FSK调制可以使用以下公式表示：Sl(t)=Ac*Cos2*(Fc+f)*tS2(t)=Ac*Cos2*(Fc-f)*t这里Sl(t)表示输入为二进制1时的输出，S2(t)

15、表示输入为二进制0时的输出。交流是载波幅度，FC是载波频率和Af是表中提到的频率偏差。(2)用4FSK调制的4FSK调制器用于4FSK调制的4FSK调制器图显示了4FSK调制器模块。如图所示，二比特(00、01、10或11)用作输入，而符号生成为输出。下表提到了4FSK调制中使用的输入和相应输出之间的映射。如前所述，每个符号携带2位信息。由于这种4FSK调制的数据速率是2FSK调制的数据速率的两倍。6人编码(用于映射输入比特的载波+加值)01瞰婕00凌波-(1/3).偏差10运营商+(1/3)偏差11卷股偏差与上面提到的方程类似，4FSK调制也可以使用以下公式表示。S(t)=Ac*Cos2*(

16、Fc+f)*t其中，如表4.3.2所示的2个不同的Af用于表示4FSK中的4个不同的二进制二比特实现相应的输出。图描述了2FSK功率谱和4FSK功率谱。如图所示，2FSK调制中有2个载波峰，4FSK调制中有4个载波峰。这是因为数据由相对于主载波频率的2个载波相移表示在2FSK中,而通过4个载流子相移在4FSK中。1、DMR数字对讲机发射流程DMR数字对讲机采用TDMA时分多址技术，60ms通话时序被划分为两个独立的时序（时序1和时序2）,时序1发射时，另一个时序不发射，通话流程变成30ms发射，30ms接收，如此循环。首先软件判断是否有数据要发送，若没有，则转换为接收状态。若数据为语音数据，首

17、先发送语音头A帧，A帧数据包含发射方ID、接收方ID、呼叫类型、色码等数据；后发送B帧，然后C-D-E,最后是空闲帧F,可在F帧嵌入用户的自定义数据。语音数据发送到F帧后，软件要判断是否有其他数据帧要发送，若没有则重新配置A帧并发送；若有则释放当前数据帧，接入并发射新的数据，如果新的数据帧是语音帧尾，则发送完语音帧尾后结束发射动作，信号发射程序流程如图6.1.K2、DMR数字对讲机接收流程通话建立的过程中，发射方只会发送一次语音同步头，为防止接收方没有收到语音同步头而无法正常接入呼叫，DMR协议引入了语音后接入中断。一帧语音超帧360ms,由6帧语音数据（A-F）组成，其中A帧是语音头，F帧是

18、空闲帧，语音通话的ID、色码、呼叫类型等数据被分成小数据嵌入到AE帧的嵌入域中，语音后接入每360ms触发一次，直至通话结束。软件通过语音后接入，获取完整的通话信息。当通话结束时，发射方会发送语音帧尾数据，接收方通过系统中断，获取到语音帧尾数据，执行通话结束动作，程序流程图如图6.2.1。CW语音后接入中断什么是超外差？超外差原理于1918年由E.H.阿姆斯特朗首次提出。它是在外差原理的基础上发展而来的，外差方法是将输入信号频率变换为音频，而阿姆斯特朗所提出超外差方法是将输入信号频率变换为超音频，所以称之为超外差。1919年利用超外差原理制成超外差接收机，至今仍广泛应用于远程信号的接收，并且已

19、推广应用到测量技术等方面。超外差接收机，有效解决了原来高频放大式接收机输出信号弱、稳定性差的问题，且输出信号具有较高的选择性和较好的频率特性，易于调整。同时，超外差接收机也有电路复杂和存在像频、组合频率、中频干扰等问题。随着数字信号技术的发展，解决这些问题的主要方法是提高高频放大器的选择性和对采取二次变频方式。糠率本地振荡频谓超外差原理如上图。本地振荡器产生频率为的等幅正弦信号，输入信号是一中心频率为的己调制频带有限信号，通常。这两个信号在混频器中变频，输出为差频分量，称为中频信号，为中频频率。下图表示输入为调幅信号的频谱和波形图。输出的中频信号除中心频率由变换到fi外，其频谱结构与输入信号相

20、同。因此，中频信号保留了输入信号的全部有用信息。超外差原理的典型应用是超外差接收机。从天线接收的信号经高频放大器放大，与本地振荡器产生的信号一起加入混频器变频，得到中频信号，再经中频放大、检波和低频放大，然后送给用户。接收机的工作频率范围往往很宽，在接收不同频率的输入信号时，可以用改变本地振荡频率的方法使混频后的中频保持为固定的数值。高频放大器混频器W中频放大器低频放大器接收机的输入信号往往十分微弱（一般为几微伏至几百微伏），而检波器需要有足够大的输入信号才能正常工作。因此需要有足够大的高频增益把输入信号放大。早期的接收机采用多级高频放大器来放大接收信号，称为高频放大式接收机。后来广泛采用的是

21、超外差接收机,主要依靠频率固定的中频放大器放大信号。和高频放大式接收机相比，超外差接收机具有一些突出的优点。容易得到足够大而且比较稳定的放大量。具有较高的选择性和较好的频率特性。这是因为中频频率是固定的，所以中频放大器的负载可以采用比较复杂、但性能较好的有源或无源网络，也可以采用固体滤波器，如陶瓷滤波器、声表面波滤波器等。容易调整。除了混频器之前的天线回路和高频放大器的调谐回路需要与本地振荡器的谐振回路统i调谐之外，中频放大器的负载回路或滤波器是固定的，在接收不同频率的输入信号时不需再调整。超外差接收机的主要缺点是电路比较复杂，同时也存在着一些特殊的干扰，如像频干扰、组合频率干扰和中频干扰等。

22、例如，当接收频率为的信号时，如果有一个频率为的信号也加到混频器的输入端，经混频后也能产生的中频信移动公式号，形成对原来的接收信号的干扰，这就是像频干扰。解决这个问题的办法是提高高频放大器的选择性，尽量把由天线接收到的像频干扰信号滤掉。另一种办法是采用二次变频方式。二次变频超外差接收机的框图如图4。第一中频频率选得较高，使像频干扰信号的中心频率与有用输入信号的中心频率差别较大，使像频信号在高频放大器中受到显著的衰减。第二中频频率选得较低，使第二中频放大器有较高的增益和较好的选择性。超外差接收机一是具有很大的接收动态范围；二是具有很高的邻道选择性和接收灵敏度。为了抑制很强的干扰，使其具有良好的选择

23、性，一般可以在混频器前面和后面分别安装一个预选射频滤波器和一个中频滤波器；三是因受1/Q信号不平衡度影响小，所以不需要复杂的直流消除电路；四是因为它一般会用到一级或几级中频混频，所以电路会较复杂且成本高，集成度不高；五是它会用到很多比较昂贵，体积较的大SAW或陶瓷离散的滤波器；六是一般需要较高的功率消耗。总体来说，超外差接收机必须使用选频特性良好的滤波器，而且只能片外实现，集成难度大，难以应用到单片接收机系统中。但是，超外差结构可以通过使用中频降低输出信号频率，采取低通滤波器滤除镜像信号等方法，所以其接收机拓扑结构是当前最为可靠的结构形式。随着集成电路技术的发展，超外差接收机已经可以单片集成。例如，有一种单片式调幅调频（AM/FM）接收机，它的AM/FM高频放大器、本地振荡器、混频器、AM/FM中频放大器、AM/FM检波器、音频功率放大器以及自动增益控制(AGC)、自动频率控制(AFC)、调谐指示电路等(共700个元件)均集成在一个面积为2.4x3.1毫米芯片上，它的工作电压范围为1.89伏，工作于调幅与调频方式的静态电流分别为3亳安和5亳安。