DMR数字集群关键技术的应用研究

摘要：DMR（Digital Mobile Radio）是欧洲电信标准协会（ETSI）于2004年提出的新型数字集群通

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关键词：DMR；同步定时；抽样判决；误码率

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.6.010

引言

随着无线电通信技术的发展、人们对无线通信质量要求的提高以及频谱资源的日益缺乏，数字专用无线通信设备必将面临巨大的市场需求。目前，在全球范围内对数字专用无线通信设备的需求不断增加，特别是公共安全部门。可以看到，数字专用无线通信系统将成为未来专用无线通信系统的发展趋势。

数字专用无线通信系统概况

数字专用无线通信系统介绍

数字集群通信系统[1]是指数字专用无线通信系统，数字专用无线通信系统发展迅速，主要应用于集团调度指挥通信。该系统的可用信道能被系统的全体用户共用，且具有自动选择信道功能，是共享资源、分担费用、共享信道设备和服务的多用途、高效能的无线调度通信系统。

与公众蜂窝移动通信系统相比，专用无线通信系统具有呼叫接续快，组群内用户共享前向信道、半双工通信方式、PTT方式、支持私密呼叫和群组呼叫等特点。由于专用无线通信系统具备特有的调度功能、组呼功能和快速呼叫的特性，因此在专业通信领域发挥着不可替代的作用[2]。

数字专用无线通信系统优点[3]

1）可以更好地利用频谱资源。与蜂窝数字技术类似，数字专用无线通信系统可以在一条指定的信道上装载更多用户，提高频谱利用率；

2）可以有效提高通话质量。由于数字通信技术具有系统内错误校正功能，和模拟专用无线通信系统相比，可以在更广泛的信号环境中实现更好的语音音频质量；

3）可以提高改进语音和数据集成，改变控制信号随通讯距离的增加而降低的弱点。

关键技术和实现方案

4FSK调制

DMR协议采用4FSK调制，是一种恒包络调制。调制时每秒发送4800个符号，其中每个符号携带两比特的信息，最大频偏D定义如下：

表1列出了特定符号与频偏的对应关系[4]。

4FSK调制器由一个平方根升余弦滤波器级联一个频率调制器组成[4]，如图1所示。

可见4FSK调制模块分为两部分，第一部分是成型滤波模块，该模块包括映射、插值以及成型滤波，产生四电平的基带带限信号m（n）作为调制信号；第二部分是调频部分（FM）。基带调制信号的产生过程如图2所示。

成型滤波器的设计是该部分的关键，在实际的通信系统中，平方根升余弦滤波器可以通过在发射端和接收端使用同样的平方根升余弦滤波器来实现，从而实现成型滤波。方案中采用E4438C来实现4FSK调制。

4FSK解调

和调制过程相逆，解调的过程也分为两部分：第一部分是正交差分解调，由4FSK调频信号恢复四进制的基带信号；第二部分根据基带信号恢复原始码元信息，包括匹配滤波、抽样判决、反映射等模块。接收端基带信号的处理如图3所示。

其中匹配滤波器采用与发端相同的平方根升余弦滚降滤波器；抽样判决需要找到合适的抽判位置并建立位定时信息，而且还要确定合适的门限。抽判位置的确定可以通过相关运算找出同步码的起始位置后进行推算。

正交差分解调过程如图4所示。同调制过程中的内插滤波相对应，正交解调过程中需要在满足奈奎斯特定力的前提下对高采样率的信号进行抽取，降低采样率，减小运算量。

基带成型滤波技术

成型滤波器的设计是能否正确恢复数据的关键，DMR系统采用的是平方根升余弦滚降滤波器，同时也采用相同的滤波器作为接收端的匹配滤波器。平方根升余弦滚降滤波器[5-7]频率响应如下：

可见平方根升余弦滚降滤波器的时域表达式是一个无穷阶数系数对称的FIR滤波器。实际应用中，需要对其进行截断，即在理论的时域表达式上加矩形窗，可得到相应逼近的FIR数字滤波器。

用Matlab软件进行平方根升余弦滤波器的设计非常方便，调用firrcos函数即可得到滤波器系数：h=firrcos（N，Fc，a，Fs，‘sqrt’）。其中N是滤波器阶数；Fc是理想低通滤波器的截止频率，为符号率的1/2；a为滚降系数；Fs为采样率。根据DMR系统的要求，设定Fc=4800/2=2400Hz，a=0.2，Fs=4800*10，N的取值可以根据实际情况进行更改，这里采用了10倍的采样速率，考虑MATLAB的计算能力及测试信号信噪比的不同，阶数N也会有所不同。这里也可以用Matlab自带的工具箱进行设计[8]，在调试过程中发现信道机的带内平坦度不是很好，因此在信道机的接收端设计了一个具有补偿作用的补偿滤波器去补偿信道机的信号平坦度。

帧同步技术

DMR系统采用集中插入特殊同步码组的方法进行帧同步，接收端按帧的周期连续数次检测该特殊码组，便可获得帧同步信息。方案中所使用的是已知的特殊同步码组：7F 7D 5D D5 7D FD，该码组具有尖锐单峰的自相关函数、漏同步概率小；便于与信息码区别、假同步概率小；码长适当，可以保证传输效率。DMR系统对采用的帧同步码组有严格的规定：帧同步码组插入在帧的中心位置，并且对于输入输出语音、数据或控制信息，由不用的帧同步码组来区分。

抽样判决

抽样判决是在同步之后，属于解调的一部分。抽样判决需要找到合适的抽样判决位置并建立位定时信息，而且还要确定合适的门限。抽样判决位置的确定可以通过相关运算找出同步码的起始位置进行推算，具体方法如下：在本地存储48bit同步码对应的波形，然后将存储的数据和接收波形进行滑动相关运算，即将对应点相乘累加。当本地波形与接收波形的同步码对应上时能获得最大相关值，返回出现该相关峰的位置，然后将该位置减去同步码之前的符号数与每符号采样点数M的乘积即可得到第一个判决位置，之后每隔M点就是一个抽判点。门限的确定则可以根据接受眼图来划分数字集群技术，判决点之间的间隔是10，门限电平可根据需要自己进行调整。

在解调抽样判决时，同样是+3的采样值，由于前后数据不同，信号在经过滤波器滤波之后，对应的幅度信息就会产生一定程度的改变，例如前后都是+3，那么当前这个+3的幅度就会比较高，如果前后都是-3，那么当前这个-3的幅度就会被拉低。因此在对信号进行抽样判决的时候，本方案对信号幅度进行了相应的调整，采用一种动态调整判决门限的判决方法，使采样值前后的幅度对该幅度的影响降到最低，从而有效地优化了误码率，提高了通信质量。这是本方案在解调抽样判决上做的改进，下面的测试结果会进一步验证改进的可行性。

误码率测试结果

接收端在进行误码性能测试中，测试信号的长度均为50帧，将接收端解调出的信号和发送端的测试信号进行对比，不同的则定义为误码，从而得出误码率。图10是MATLAB的误码率性能测试曲线的对比图。

结论

通过测试结果可以得出该方案中的同步算法具有准确性和通用性，在调试中对抽样判决进行了调整，从而使得系统误码率得到了进一步的优化，验证了该方案的可行性，在工程实践中具有很好的实用价值。

参考文献：

[1] 郑祖辉，陆锦华，郑岚.数字集群移动通信系统[M].电子工业出版社，2005：1-121

[2] 丁婧.DMR数字端机物理层传输技术的研究.西安电子科技大学硕士论文，2009

[3] 徐贵森，刘鑫，谭学治.浅谈无线电对讲机模拟转数字.移动通信，2009（3）：22-24

[4] ETSI TS 102 361-1：Electromagnetic compatibility and Radio spectrum Matters（ERM）；Digital Mobile Radio（DMR） Systems； Part 1：DMR Air Interface （AI） Protocol

[5] 张维良，郭兴波，潘长勇数字集群技术，等.平方根升余弦滚降FIR数字滤波器的设计[J].电讯技术，2002 （6）：53

[6] 凌志云.基于DSP实现根升余弦滤波器的研究[j].国外电子测量技术，2006，25（1）：8-9

[7] 文安平.平方根升余弦滚降数字滤波器的设计与实现[J].信息技术，2005（9）：58

[8] 冯天雨，杨家玮.8PSK调制解调技术实现的研究[J].重庆邮电学院学报，2005，17（4）：440-44