The Design of Civil Digital Walkie-Talkie System Based on ARM Kernel

(清華大(dà)學)邱吉剛林(lín)孝康 Qiu，Jigang Lin，Xiaokang

摘要：民用(yòng)數字對(duì)講機逐步替代傳統的(de)民用(yòng)模拟對(duì)講機巳是大(dà)勢所趨。爲降低生産成本，本文提出了(le)一項民用(yòng)數字對(duì)講機的(de) 系統解決方案。該方案利用(yòng)SoC技術，來(lái)設計民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)專用(yòng)ASIC芯片。在分(fēn)析民用(yòng)數字對(duì)講機基本結構的(de)基礎 上，本文對(duì)芯片設計的(de)總體框架及某些關鍵模塊如ARM微處理(lǐ)器和(hé)外圍接口、語音(yīn)編/解碼模塊、基帶和(hé)射頻(pín)模塊、時(shí)鐘(zhōng)信 号設計等作了(le)詳細介紹。

關鍵詞：民用(yòng)數字對(duì)講機;片上系統設計設計;專用(yòng)集成電路;ARM 中圖分(fēn)類号:TP339 文獻标識碼: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(suàn)機信息》（嵌入式與SOC)2006年第22卷第10-2期
ARM開發與應用(yòng)
綜合系統性能指标、生産成本等因素，拟定以 ARM公司的(de)ARM946E-S微處理(lǐ)器爲核心構建民用(yòng) 數字對(duì)講機的(de)ASIC芯片。它的(de)最高(gāo)工作頻(pín)率 180MHz,采用(yòng)5級流水(shuǐ)線,性能1.1MPS/MHz，并支持

浮點操作。
圖2民用(yòng)數字對(duì)講機SoC示意圖 整個(gè)芯片設計過程基于集成平台進行系統級開 發，從而可(kě)以縮短設計周期，提供性能更佳、成本更低 廉産品。民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)結構主要由三部分(fēn)組成： 微處理(lǐ)器及外設接口、音(yīn)頻(pín)編/解碼模塊、基帶及射頻(pín) 模塊。民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)SoC結構框圖如圖3所示， 其中大(dà)方框所包含的(de)部分(fēn)爲芯片内部模塊。

3.2微處理(lǐ)器及外設接口
IP模塊，實際包括APB總線和(hé)AHB總線兩個(gè)模塊。因 爲ARM公司提供的(de)APB- AHB總線橋隻支持APB總

線和(hé)AHB總線使用(yòng)一個(gè)時(shí)鐘(zhōng)域；爲降低APB總線的(de) 時(shí)鐘(zhōng)頻(pín)率，節省系統的(de)功耗，自行設計了(le)一個(gè)總線橋 模塊。

MPMC( Multi- Port Memory Controller)是一種高(gāo)級

的(de)存儲器控制結構，通(tōng)過AHB總線來(lái)連接的(de)外圍設 備。由于ARM公司的(de)MPMC占用(yòng)資源太多(duō)，門數多(duō)達 55.9k。因此，設計時(shí)采用(yòng)了(le) Synopsys公司的(de)Memory Controller模塊，支持8位、16位和(hé)32位數據操作，其 門數隻有5k左右。通(tōng)過MPMC控制器，可(kě)以接外部 SRAM和(hé)FLAH等存儲設備。

VIC(Vectored Interrupt Controller)用(yòng)于控制外圍 設備向系統發起的(de)中斷，設計時(shí)直接ARM公司提供 的(de)IP，門數約爲13.4k。

GPIO(General Purpose Input/Output)、SPI(Serial Peripheral Interface)和(hé) UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter)是AMBA總線的(de)從屬模塊，連接到 APB總線上，用(yòng)于和(hé)外部設備的(de)數據交互。其中UART 帶有完全的(de)調整解調器接口，可(kě)用(yòng)于與RS232類型的(de) 串口設備互連。而GPIO提供了(le) 8個(gè)可(kě)編程輸入輸出 接口，可(kě)用(yòng)于鍵盤的(de)輸入輸出。SPI用(yòng)于供LCD顯示輸 出使用(yòng)。這(zhè)三個(gè)模塊都直接使用(yòng)ARM公司的(de)IP模塊， 門數分(fēn)别爲1.6k,8.9k和(hé)7.5k。
技術創新
圖3民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)SoC結構框圖 設計時(shí)，微處理(lǐ)器部分(fēn)直接采用(yòng)了(le) ARM公司提供 的(de) ARM946E- S 微處理(lǐ)器 IP( Intellectual Property)核。

總線控制器采用(yòng)直接ARM公司提供AMBA總線
圖4基帶和(hé)射頻(pín)模塊結構圖 Timer和(hé)Watchdog模塊也(yě)是AMBA從屬模塊，連 接到APB總線之上。其中Watchdog狗是一個(gè)32位的(de)
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計數器，用(yòng)于避免當軟件死鎖時(shí)出現的(de)系統死機。 Timer用(yòng)于時(shí)鐘(zhōng)計數,并産生觸發Watchdog的(de)時(shí)鐘(zhōng)信 号。由于該模塊功能簡單，自行設計了(le)相關模塊。

PMU( Power Management Unit)用(yòng)于實現時(shí)鐘(zhōng)的(de)使

能、初始化(huà)、時(shí)鐘(zhōng)分(fēn)頻(pín)和(hé)工作模式切換等功能。開發時(shí) 自行設計了(le)該模塊。

此外還(hái)自行設計了(le)兩個(gè)輸入輸出模塊分(fēn)别用(yòng)于 銜接音(yīn)頻(pín)模塊和(hé)基帶模塊。這(zhè)兩個(gè)模塊的(de)功能以及功 能與GPIO等模塊的(de)功能基本相似。

3.3語音(yīn)編/解碼模塊

語音(yīn)編/解碼模塊采用(yòng)清華大(dà)學微波與數字通(tōng)信 國家重點實驗室設計的(de)、擁有自主知識産權的(de)MPD-ACELP(多(duō)重脈沖散布代數碼本激勵線性預測）算(suàn)法。 該算(suàn)法結合了(le)聲碼器和(hé)波形編碼器的(de)優點，在CELP 上進行改進。通(tōng)過對(duì)感覺加權誤差準則、自适應碼本 搜索、随機碼本結構和(hé)搜索以及參數的(de)量化(huà)等方面進 一步研究和(hé)優化(huà)，提高(gāo)了(le)語音(yīn)合成質量和(hé)降低算(suàn)法延 時(shí)。MPD-ACELP的(de)編碼速率爲4kb/s時(shí)，每幀長(cháng)爲 20ms，共80比特。MPD-ACELP算(suàn)法的(de)質量巳經達到 4.75kb/s AMR算(suàn)法的(de)水(shuǐ)平，其MOS得(de)分(fēn)爲3.5。

該模塊屬于專用(yòng)模塊，完全自行設計。

3.4基帶和(hé)射頻(pín)模塊

基帶和(hé)射頻(pín)模塊主要負責數據的(de)信道編/解碼、交 織/去交織、調制/解調和(hé)射頻(pín)調制解調等。其結構如圖 4所示。

信道編碼器将語音(yīn)編碼模塊輸入比特根據重要 性分(fēn)爲3類，其中0類比特不加保護，1類比特采用(yòng) RCPC(速率兼容的(de)删截卷積碼）進行卷積編碼；2類比 特最爲關鍵，采用(yòng)CRC碼和(hé)卷積碼來(lái)保護。信道解碼 器采用(yòng)維特比譯碼技術。

調制技術可(kě)采用(yòng)C4FM調制方式或GMSK調制 方式。C4FM調制方式能夠支持模拟調制方式和(hé)數字 調制方式，顯著優勢在于能夠兼容現有的(de)模拟對(duì)講 機。GMSK調制方式在MSK調制方式基礎上引入一個(gè) 預調濾波器（高(gāo)斯濾波器）。該調制方式能夠保持恒定 包絡的(de)特性，并通(tōng)過改變高(gāo)斯濾波器的(de)3dB帶寬對(duì)已 調信号頻(pín)譜進行控制，使帶外輻射功率大(dà)大(dà)降低。

信道編/解碼屬于專用(yòng)模塊，完全自行設計。

Decimator(基頻(pín)抽取器）将來(lái)自中頻(pín)模數轉換器送 來(lái)的(de)2.4MSps的(de)比特流轉化(huà)爲15KSps的(de)16位數據流。

Interpolator(基頻(pín)插值器）對(duì)中頻(pín)數模轉換器送來(lái) 的(de)數據進行插值形成I/Q兩通(tōng)道速率爲1.2MSps的(de)數 據流。以上兩模塊爲專用(yòng)模塊，隻能自行設計。

因爲系統的(de)通(tōng)信頻(pín)帶範圍爲409.750MHz〜 410MHz。并且被劃分(fēn)爲20個(gè)子信道，每個(gè)子信道帶寬 爲12.5KHz。爲此，芯片設計時(shí)采用(yòng)兩級混頻(pín)，頻(pín)率分(fēn) 别爲 397.875MHz 和(hé) 24MHz;
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3.5 時(shí)鐘(zhōng)結構設計

整個(gè)SoC芯片采用(yòng)了(le) 3個(gè)主時(shí)鐘(zhōng)，這(zhè)3個(gè)時(shí)鐘(zhōng)都 是由PLL倍頻(pín)16MHz晶體振蕩器的(de)時(shí)鐘(zhōng)信号經過不 同邏輯産生。其中ARM946E-S的(de)時(shí)鐘(zhōng)由PLL時(shí)鐘(zhōng)信 号延時(shí)直接産生；而AHB總線的(de)時(shí)鐘(zhōng)由PLL時(shí)鐘(zhōng)分(fēn)頻(pín) 産生;APB總線時(shí)鐘(zhōng)由AHB總線時(shí)鐘(zhōng)反相分(fēn)頻(pín)産生。

其餘的(de)一些時(shí)鐘(zhōng)信号，例如APB總線外設時(shí)鐘(zhōng) (UART、SPI、TIMER、GPIO)由APB總線時(shí)鐘(zhōng)門控産 生；而部分(fēn)接口時(shí)鐘(zhōng)信号（語音(yīn)接口）直接由外部輸入。

3.5芯片封裝和(hé)工作溫度

民用(yòng)數字對(duì)講機SoC芯片的(de)封裝采用(yòng)LQFP176 形式，尺寸是24>24X1.40mm。芯片的(de)工作溫度爲-40°C 到+85。。。

4結論

本文作者創新點在于：1、提出了(le)一種民用(yòng)數字對(duì) 講機的(de)芯片解決方案，相比現有的(de)以分(fēn)離元件爲基礎 的(de)民用(yòng)數字對(duì)講機設計方案，具有成本低，穩定性高(gāo) 的(de)特點；2、結合民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)特點，在ASIC芯片 中實現了(le)具有自主知識産權的(de)語音(yīn)編/解碼和(hé)信道編/ 解碼模塊；3、提出了(le)嵌入式ARM微處理(lǐ)器應用(yòng)的(de)一 條新思路；4、經過對(duì)該芯片的(de)适當改進，可(kě)以将其應 用(yòng)于藍牙、WLAN以及工業控制等領域，具有廣闊的(de) 應用(yòng)前景。

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作者簡介:邱吉剛，男(nán)，漢族，1976年06月(yuè)生，四川，博士研 究生，清華大(dà)學微波與數字國家重點實驗室，研究方向: 網絡路由技術和(hé)信令技術，嵌入式系統;林(lín)孝康，男(nán)，漢族， 教授，博導，清華大(dà)學微波與數字國家重點實驗室。 (100084北(běi)京清華大(dà)學微波與數字國家重點實驗室) 邱吉剛林(lín)孝康

(State Key Laboratory on Microwave & Digital Communica-tion，Tsinghua University，Beijing，China)Qiu，Jigang Lin，Xi-aokang

通(tōng)訊地址:（100084北(běi)京清華大(dà)學微波與數字國家重點 實驗室)邱吉剛

對(duì)講機一般分(fēn)爲民用(yòng)對(duì)講機和(hé)集群對(duì)講機兩類。 集群對(duì)講機爲集群系統用(yòng)戶專用(yòng)，需要基站等控制設 施支持才能正常使用(yòng)。民用(yòng)對(duì)講機不需要基站等設 施，具有費率低、使用(yòng)方便等特點，因此在物(wù)業管理(lǐ)、 生産制造等領域得(de)到廣泛應用(yòng)。與傳統的(de)民用(yòng)模拟對(duì) 講機相比，融入了(le)數字調頻(pín)等現代通(tōng)信技術的(de)民用(yòng)數 字對(duì)講機具有抗幹擾能力強、語音(yīn)清晰、易于加密等 特點，而且還(hái)能提供短信息等附加業務。因此，民用(yòng)對(duì) 講機逐步數字化(huà)巳是大(dà)勢所趨。爲此，國内外衆多(duō)機 構投入了(le)大(dà)量的(de)人(rén)力、物(wù)力進行研究和(hé)開發。國内部 分(fēn)高(gāo)校和(hé)有關公司于2005年10月(yuè)召開‘數字對(duì)講機 産業聯盟”籌備工作會議(yì)協調相關事宜，以推動國内 民用(yòng)數字對(duì)講機産業的(de)發展。

目前巳有部分(fēn)公司和(hé)結構推出了(le)民用(yòng)數字對(duì)講 機的(de)樣機。但是，此類對(duì)講機往往是在集群數字對(duì)講 機基礎上改進而成，一般采用(yòng)分(fēn)離元件設計，結構複 雜(zá)，成本較高(gāo)，難以在市場(chǎng)上得(de)到廣泛推廣。利用(yòng)先進 的(de)ASIC(專用(yòng)集成電路)技術和(hé)SoC(片上系統)技術，可(kě) 以将衆多(duō)分(fēn)離元件的(de)功能集成到一塊芯片上，從而可(kě) 以增強設備穩定性、減小設備體積、降低生産成本。

2民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)系統結構

民用(yòng)數字對(duì)講機主要由控制器、語音(yīn)編/解碼器、 邱吉剛:博士研究生

基金項目：國家重點基礎研究發展規劃（973)計劃資 助，芯片的(de)全系統仿真，編号G1999032903
信道編/解碼器、調制/解調器、射頻(pín)模塊A/D和(hé)D/A等 部分(fēn)組成。其框圖如圖1所示。在相互通(tōng)信之前，主/被 叫雙方相互交換信令信息來(lái)建立呼叫連接。呼叫建立 之後，用(yòng)戶輸入的(de)語音(yīn)信号通(tōng)過A/D變換，語音(yīn)編碼， 信道編碼，交織和(hé)調制以後送到射頻(pín)模塊發射；接收 端接收到無線電信号以後進行解調，信道解碼，語音(yīn) 解碼，D/A變換後通(tōng)過麥克輸出。整個(gè)通(tōng)信過程完成之 後，主/被叫雙方再次交換信令信息來(lái)拆除呼叫連接。 其中，主控模塊負責各功能模塊，協調系統資源。
圖1民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)結構框圖 本文研究的(de)目的(de)在于利用(yòng)SOC技術，将控制器、 調制/解調、信道編/解碼器等集成在一塊芯片上；同時(shí) 在芯片上提供部分(fēn)外設功能,如RS232接口、鍵盤接 口等，這(zhè)樣整個(gè)芯片就是一個(gè)完整的(de)數字對(duì)講機系 統，示意圖如圖2所示。

3民用(yòng)數字對(duì)講機的(de)SoC設計

3.1概述