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

(清華大學)邱吉剛林孝康 Qiu，Jigang Lin，Xiaokang

摘要：民用數字對講機逐步替代傳統的民用模擬對講機巳是大勢所趨。為降低生產成本，本文提出了一項民用數字對講機的 系統解決方案。該方案利用SoC技術，來設計民用數字對講機的專用ASIC芯片。在分析民用數字對講機基本結構的基礎 上，本文對芯片設計的總體框架及某些關鍵模塊如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 號設計等作了詳細介紹。

關鍵詞：民用數字對講機;片上系統設計設計;專用集成電路;ARM 中圖分類號:TP339 文獻標識碼: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開發與應用
綜合系統性能指標、生產成本等因素，擬定以 ARM公司的ARM946E-S微處理器為核心構建民用 數字對講機的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民用數字對講機SoC示意圖 整個芯片設計過程基于集成平臺進行系統級開 發，從而可以縮短設計周期，提供性能更佳、成本更低 廉產品。民用數字對講機的結構主要由三部分組成： 微處理器及外設接口、音頻編/解碼模塊、基帶及射頻 模塊。民用數字對講機的SoC結構框圖如圖3所示， 其中大方框所包含的部分為芯片內部模塊。

3.2微處理器及外設接口
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，節省系統的功耗，自行設計了一個總線橋 模塊。

MPMC( Multi- Port Memory Controller)是一種高級

的存儲器控制結構，通過AHB總線來連接的外圍設 備。由于ARM公司的MPMC占用資源太多，門數多達 55.9k。因此，設計時采用了 Synopsys公司的Memory Controller模塊，支持8位、16位和32位數據操作，其 門數只有5k左右。通過MPMC控制器，可以接外部 SRAM和FLAH等存儲設備。

VIC(Vectored Interrupt Controller)用于控制外圍 設備向系統發起的中斷，設計時直接ARM公司提供 的IP，門數約為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，用于和外部設備的數據交互。其中UART 帶有完全的調整解調器接口，可用于與RS232類型的 串口設備互連。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， 門數分別為1.6k,8.9k和7.5k。
技術創新
圖3民用數字對講機的SoC結構框圖 設計時，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基帶和射頻模塊結構圖 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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計數器，用于避免當軟件死鎖時出現的系統死機。 Timer用于時鐘計數,并產生觸發Watchdog的時鐘信 號。由于該模塊功能簡單，自行設計了相關模塊。

PMU( Power Management Unit)用于實現時鐘的使

能、初始化、時鐘分頻和工作模式切換等功能。開發時 自行設計了該模塊。

此外還自行設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微波與數字通信 國家重點實驗室設計的、擁有自主知識產權的MPD-ACELP(多重脈沖散布代數碼本激勵線性預測）算法。 該算法結合了聲碼器和波形編碼器的優點，在CELP 上進行改進。通過對感覺加權誤差準則、自適應碼本 搜索、隨機碼本結構和搜索以及參數的量化等方面進 一步研究和優化，提高了語音合成質量和降低算法延 時。MPD-ACELP的編碼速率為4kb/s時，每幀長為 20ms，共80比特。MPD-ACELP算法的質量巳經達到 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，完全自行設計。

3.4基帶和射頻模塊

基帶和射頻模塊主要負責數據的信道編/解碼、交 織/去交織、調制/解調和射頻調制解調等。其結構如圖 4所示。

信道編碼器將語音編碼模塊輸入比特根據重要 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。

調制技術可采用C4FM調制方式或GMSK調制 方式。C4FM調制方式能夠支持模擬調制方式和數字 調制方式，顯著優勢在于能夠兼容現有的模擬對講 機。GMSK調制方式在MSK調制方式基礎上引入一個 預調濾波器（高斯濾波器）。該調制方式能夠保持恒定 包絡的特性，并通過改變高斯濾波器的3dB帶寬對已 調信號頻譜進行控制，使帶外輻射功率大大降低。

信道編/解碼屬于專用模塊，完全自行設計。

Decimator(基頻抽取器）將來自中頻模數轉換器送 來的2.4MSps的比特流轉化為15KSps的16位數據流。

Interpolator(基頻插值器）對中頻數模轉換器送來 的數據進行插值形成I/Q兩通道速率為1.2MSps的數 據流。以上兩模塊為專用模塊，只能自行設計。

因為系統的通信頻帶范圍為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，芯片設計時采用兩級混頻，頻率分 別為 397.875MHz 和 24MHz;
_ARM開發與應用

3.5 時鐘結構設計

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過不 同邏輯產生。其中ARM946E-S的時鐘由PLL時鐘信 號延時直接產生；而AHB總線的時鐘由PLL時鐘分頻 產生;APB總線時鐘由AHB總線時鐘反相分頻產生。

其余的一些時鐘信號，例如APB總線外設時鐘 (UART、SPI、TIMER、GPIO)由APB總線時鐘門控產 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結論

本文作者創新點在于：1、提出了一種民用數字對 講機的芯片解決方案，相比現有的以分離元件為基礎 的民用數字對講機設計方案，具有成本低，穩定性高 的特點；2、結合民用數字對講機的特點，在ASIC芯片 中實現了具有自主知識產權的語音編/解碼和信道編/ 解碼模塊；3、提出了嵌入式ARM微處理器應用的一 條新思路；4、經過對該芯片的適當改進，可以將其應 用于藍牙、WLAN以及工業控制等領域，具有廣闊的 應用前景。

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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，清華大學微波與數字國家重點實驗室，研究方向: 網絡路由技術和信令技術，嵌入式系統;林孝康，男，漢族， 教授，博導，清華大學微波與數字國家重點實驗室。 (100084北京清華大學微波與數字國家重點實驗室) 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北京清華大學微波與數字國家重點 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用戶專用，需要基站等控制設 施支持才能正常使用。民用對講機不需要基站等設 施，具有費率低、使用方便等特點，因此在物業管理、 生產制造等領域得到廣泛應用。與傳統的民用模擬對 講機相比，融入了數字調頻等現代通信技術的民用數 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務。因此，民用對 講機逐步數字化巳是大勢所趨。為此，國內外眾多機 構投入了大量的人力、物力進行研究和開發。國內部 分高校和有關公司于2005年10月召開‘數字對講機 產業聯盟”籌備工作會議協調相關事宜，以推動國內 民用數字對講機產業的發展。

目前巳有部分公司和結構推出了民用數字對講 機的樣機。但是，此類對講機往往是在集群數字對講 機基礎上改進而成，一般采用分離元件設計，結構復 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)技術和SoC(片上系統)技術，可 以將眾多分離元件的功能集成到一塊芯片上，從而可 以增強設備穩定性、減小設備體積、降低生產成本。

2民用數字對講機的系統結構

民用數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：國家重點基礎研究發展規劃（973)計劃資 助，芯片的全系統仿真，編號G1999032903
信道編/解碼器、調制/解調器、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，交織和調制以后送到射頻模塊發射；接收 端接收到無線電信號以后進行解調，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，主控模塊負責各功能模塊，協調系統資源。
圖1民用數字對講機的結構框圖 本文研究的目的在于利用SOC技術，將控制器、 調制/解調、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字對講機系 統，示意圖如圖2所示。

3民用數字對講機的SoC設計

3.1概述