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2.4GHz DECT技术体系与实现方法
摘要：介绍了2.4GHzDECT系统空中接口协议的分层模型及应用情况，对几种实现方法进行分析和比较，重点介绍并讨论了美国国家半导体公司的芯片组实现方案及系统软件的设计方法，对2.4GHzDECT的实现方法给出了可行性建议。关键词：DECT技术体系实现方法
ＤＥＣＴ（ＤｉｇｉｔａｌＥｎｈａｎｃｅｄＣｏｒｄｌｅｓｓＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃｔｉｏｎ）系统是由欧洲电信标准协会（ＥＴＳＩ）制定的增强型数字无绳电话系统标准[１]，也是唯一入选ＩＭＴ－２０００（３Ｇ）的数字无绳通信标准（ＩＭＴ－２０００[７]称为ＩＭＴ－ＦＴ）。
ＤＥＣＴ是一个开放型的、不断演进的标准，可为高用户密度、小范围通信提供话音和数据高质量服务无绳通信的框架。其主要功能是为专用交换机（ＰＡＢＸ）的便携用户提供区域移动性。它可以将移动用户连接到公共交换电话网（ＰＳＴＮ）、综合业务数据网（ＩＳＤＮ）或者数字蜂窝移动通信网（如ＧＳＭ）上去，在１００～５００ｍ范围内，为便携用户和固定基站之间提供低功率的无线接入。其系统网络结构图如图１所示。
目前，ＤＥＣＴ系统在应用频段上，除继续使用１８８０～１９００ＭＨｚ外，现已较多地使用２４００～２４８３．５ＭＨｚＩＳＭ（工业、科学和医学）频段。我国国家无线电管理局于２００１年８月发布通知，从２００３年起将数字无绳电话系统工作频段放在２４００～２４８３．５ＭＨｚＩＳＭ频段。采用跳频扩频（ＦＨＳＳ）或直接系列扩频（ＤＳＳＳ）技术，具有极强的抗多径衰落能力和极高的保密性,极大地提高了ＤＥＣＴ系统的通话距离。世界各大ＤＥＣＴ系统设备制造商都已生产基于２．４ＧＨｚＩＳＭ频段、采用跳频技术的产品，如西门子公司的ＧＩＧＡＳＥＴ４０００、４２００和８８００系列产品。另外，同时支持ＧＳＭ蜂窝网和ＤＥＣＴ系统的双模式产品，也已在欧洲投入使用，如爱立信公司的便携手机ＴＨ６８８支持ＤＥＣＴ／ＧＳＭ双模式应用。
１２.４ＧＨｚＤＥＣＴ的空中接口
ＤＥＣＴ的空中接口协议与综合业务数字网相类似，是基于开放系统互连（ＯＳＩ）原则的。控制平面（Ｃ平面）和用户平面（Ｕ平面）使用较低层（即物理层和中间接入控制层）提供的服务。ＤＥＣＴ系统能够支持超过１００００个用户／平方公里（商业和办公环境）而不需要知道用户位于哪个小区。但它不是一个完全的系统概念。这一点与其它系统，如ＧＳＭ、ＣＤＭＡ等蜂窝移动通信系统标准不同。它是为无线本地环路（ＷＬＬ）或城市区域接入而设计的，但它可用于与蜂窝移动通信系统（如ＧＳＭ）相连接。ＤＥＣＴ可根据便携式手机所接收的信号动态地分配信道，且系统设计仅为普通移动速度的用户提供越区切换和漫游。ＤＥＣＴ系统空中接口协议的分层模型如图２所示。
２．４ＧＨｚＤＥＣＴ在座机（无线固定部分）和手机之间采用基于多载波／时分多址／时分双工（ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ）无线接入方式。调制方式为ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５），通过跳频技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。ＩＳＭ频段的分配是从２４００～２４８３．５ＭＨｚ的８３．５ＭＨｚ频带内大于７９个射频载波，其中心频率ｆｎ＝２４０２ＭＨｚ＋ｋＭＨｚ；ｋ＝０～７８，信道带宽≤１ＭＨｚ，跳频速率为１００跳／秒。
ＤＥＣＴ在每个载波上，ＴＤＭＡ的１０ｍｓ帧结构规定为２４个时隙（Ｓｌｏｔ），每个时隙约占４１６．７μｓ。在各时隙中数据以分组的形式发送，时隙和帧结构如图３所示。
２２.４ＧＨｚＤＥＣＴ实现方法分析
２．４ＧＨｚＤＥＣＴ在实现方法上，主要采用ＧＦＳＫ（ＢＴ＝０．５）调制与ＦＨＳＳ技术相结合的方式。其技术方案主要有：美国国家半导体公司的ＳＣ１４４ｘｘ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２；美国ＤＳＰＧｒｏｕｐ公司的ＤＲ３６Ｋ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＤＭ２４ＲＦ１７；Ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司的ＰＭＢ６７ｘｘ系列基带信号处理器和ＲＦ芯片ＰＭＢ６６１８；飞利浦公司的ＰＣＤ５０９ｘｘ系列基带信号处理器等。
从资料分析看，在２．４ＧＨｚＤＥＣＴ实现方法上，各大芯片公司多采用ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技术体制。因为ＧＦＳＫ＋ＦＨＳＳ的技术体制结构上比较简单，产品成本较低，适于移动，是窄带移动通信系统普遍采用的技术体制；由于其ＲＦ芯片与Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的ＲＦ芯片技术体制基本相同可通用，其应用范围广阔。
ＥＴＳＩＴＳ１０１９４８Ｖ１．１．１（２００１－０４）[２]文件中已明确指出经过试验测试，２．４ＧＨｚＩＳＭ频段采用ＦＨＳＳ技术在窄带移动通信方面的抗干扰能力上，明显优于ＤＳＳＳ技术体制。
图3DECT时隙和帧结构
３ＳＣ１４４２８基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２实现ＤＥＣＴ
ＳＣ１４４２８基带信号处理器和ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２实现ＤＥＣＴ系统的框图如图４所示
。
ＤＥＣＴ由无线收发信机、基带信号处理电路、基带控制电路、存储电路、键盘、显示器、外部接口等组成，采用ＭＣ／ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，ＧＦＳＫ调制（ＢＴ＝０．５），３２ｋｂｐｓＡＤＰＣＭ话音编解码。ＢＭＣ（ＢｕｒｓｔＭｏｄｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）的主要功能在于控制数字无绳电话系统的ＴＤＤ双工工作，形成ＴＤＭＡ帧和解帧、提供控制器与输入输出的ＡＤＰＣＭ话音数据接口，是构成系统的关键部件之一。在ＳＣ１４４２８基带信号处理器与ＲＦ芯片ＬＭＸ３１６２之间的带通滤波器３ｄＢＢＷ（带宽）＝ＢＴ×Ｂｉｔｒａｔｅ。
３．１ＬＭＸ３１６２ＲＦ接收／发送芯片
ＬＭＸ３１６２芯片是座机和手机的ＩＦ／ＲＦＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，符合ＥＳＴＩ３００１７５－２（ＰＨＬ：ＰｈｙｓｉｃａｌＬａｙｅｒ）技术标准。采用２．４ＧＨｚＦＨＳＳ技术，将从基带信号处理器来的数字ＦＳＫ调制信号，通过高斯滤波器（ＢＴ＝０．５），加到ＶＣＯ和Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒ（ＰＬＬ）上，同时基带信号处理器产生的跳频控制信号控制在２．４～２．４８５ＧＨｚ频段中ＶＣＯ产生的载波频率，形成２．４ＧＨｚＩＳＭ的ＧＦＳＫ已调ＦＨＳＳ信号，输出到功率放大器经ＴＤＤ开关和天线发射出去。接收时，经ＴＤＤ开关和天线后，通过ＶＣＯ和ＰＬＬ，将２．４ＧＨｚＩＳＭ的ＧＦＳＫ已调ＦＨＳＳ信号下变频后，传输到基带信号处理器。
在ＬＭＸ３１６２芯片中，为了简化电路、降低成本，不采用ＡＧＣ和ＡＦＣ。采用限幅器，对大信号进行限幅处理，小信号则必须在允许接收信号的电平之上。至于ＡＦＣ可采用频率稳定度在１ｐｐｍ左右的晶体振荡器，通过提高晶体振荡器的频率稳定度来替代ＡＦＣ控制电路。
ＦＨＳＳ采用发送接收双方事先约定的跳频图案，用１００Ｈｚ０．５～２．２５ＶＤＣ电压提供给ＶＣＯ，通过电压的变化使ＶＣＯ产生２．４０２～２．４８３５ＧＨｚ的≥７９个中心频率；相对而言，其Ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ（同步器）采用ＤｉｒｅｃｔＤｉｇｉｔａｌＳｙｎｔｈｅｓｉｓ（ＤＤＳ），由ＶＣＯ和ＰＬＬ组成，参考频率１３．８２４ＭＨｚ。接收ＩＦ频率为１１０．５９２ＭＨｚ（１３．８２４ＭＨｚ×８＝１１０．５９２ＭＨｚ），ＢＷ＝６５０ｋＨｚ。
图4DECT系统的框图
３．２ＳＣ１４４２８基带信号处理器芯片
ＳＣ１４４２８芯片是ＢＳ和ＰＨ的基带信号处理器，符合ＥＳＴＩ３００１７５－２，３（ＭＡＣ）技术标准，采用ＣＳＭＡ－ＣＡ接入控制协议。其内置１６位ＣＲ１６控制器和１６位ＤＳＰ以及ＲＯＭ、ＳＲＡＭ、ＦｌａｓｈＭｅｍｏｒｙ、８－ｂｉｔＡＤＣ等，完成３２ｋｂｐｓＡＤＰＣＭ编解码、ＣＩＤ、ＤＴＭＦ、ＲＳＳＩ（接收信号强度指示）、ＴＤＭＡ／ＴＤＤ帧和数字ＦＳＫ调制解调等功能，具有ＵＡＲＴ、ＳＰＩ和ＩＳＤＮ等接口，可方便地与键盘、ＬＣＤ、Ｓｐｅａｋｅｒ和ＭＩＣ相连，满足人机界面（ＭＭＩ）开发和设计的要求。芯片的ＴＸＤＡＴＡ输出为１ＶｐｐＮＲＺＦＳＫ（调制系数＝０．３２）已调数据，数据率１１５２ｋｂｐｓ／载频。芯片的ＶＴＵＮ为１００Ｈｚ０．５～２．２５ＶＤＣ电压提供给１．２～１．２４ＧＨｚ的ＶＣＯ，使ＶＣＯ产生所需的频率。
接收端ＲＸＤＡＴＡ接收０～３Ｖ的ＦＳＫ信号，ＦＳＫ解调采用常用的积分检波技术，鉴相器的输出电压正比于输入ＦＳＫ信号的瞬时频率。这样就完成了频率－幅度的转换，实现了对ＦＳＫ信号的解调。
同步ＶＣＯ采用ＤＣ控制。从防护频带边沿开始到有效时隙的４６５μｓ为同步锁定时间。ＳＣ１４４２８芯片通过串行线将控制数据写入ＲＦＩＣ芯片的寄存器，并读取其状态寄存器的内容。
ＢＭＣ包括两个主逻辑区：ＳＲＡＭ和寄存器。ＳＲＡＭ用于存储系统参数和Ａ－ｆｉｅｌｄ（Ｄａｔａ）、Ｂ－ｆｉｅｌｄ（Ｓｐｅｅｃｈ）数据，时隙控制参数和加解密编码；寄存器中的数据直接用于对硬件系统的控制或存放系统状态信息。
３．３协议软件体系
协议软件结构框图如图５所示。Ｌ１层软件主要完成物理层的控制以及部分ＭＡＣ层的功能：选择和动态分配物理信道，低层设备驱动程序，包括对基带信号处理芯片的控制等。Ｌ２层软件主要完成ＤＬＣ层和网络层的功能：负责在基站和手机之间的双向数据传输，提供差错控制功能，负责呼叫控制和移动管理。Ｌ３层软件主要完成应用层功能：实现产品的各种功能及其用户接口，如人机界面(ＭＭＩ)软件。ＭＭＩ软件主要提供手机的全面控制和手机与用户之间的接口，包括用户键盘输入、手机状态和呼叫处理过程显示、ＣａｌｌｅｒＩＤ和电子簿的管理、ＰＩＮ码的控制、拨号等。
软件流程基于消息驱动的机制，各层发出的消息由资源管理软件管理，根据任务发送到目标层处理，同时也负责对系统资源的分配和管理。
３．４软件设计方法
软件设计要实现的基本功能是普通电话机与手机、座机无线通信的功能。要设计好软件应首先考虑两个主要问题：
·要求软件设计者对ＤＥＣＴ系统有比较深刻的认识；
·ＤＥＣＴ系统的许多事件需要实时处理，且要持续一段时间。不少事件在时间上有可能是重叠的，需要同时处理，例如信令码的收与发可能是并行发生的，振铃检测、信令传输、振铃呼叫是要并行处理的，键盘扫描、信令传输、脉冲或ＤＴＭＦ发号也需并行处理。而对诸如此类的实时并发事件，与通常的软件设计方法不同。
为此，软件设计应引入实时多任务控制系统的概念。实施多任务并行处理的常用方法是分时操作。分时操作就是将整个ＭＣＵ运行期划分为许多均匀的时隙。每个时隙由ＭＣＵ的定时中断控制。其主要任务可
分为：系统初始化、系统资源的分配和管理、建立物理链路和数据发送、接收等。ＤＥＣＴ软件重要的是设计资源管理软件，负责对系统资源的分配和管理，给每个任务分配执行时隙，安排各个任务间的转换。一个任务可能在许多不连续的时隙里执行完成。若一个时隙相对于任务的变化来说非常短，那么不连续执行与连续执行的效果完全一样，而其间的其它时隙可分配给其它任务，这样就达到了多任务并行执行的效果。
资源管理软件对任务的处理是在消息的驱动下，触发定时中断后被激活，执行任务的分配和管理。但资源管理软件对任务的处理是根据其优先级执行的，保证对任务实时处理。一般任务按类型可分为：（１）意外突发性；（２）周期性检测或控制；（３）实时事件的后台处理。第（１）类任务优先级最高，第（３）类任务优先级最低。因此Ｌ１层软件、Ｌ２层软件和Ｌ３层软件在资源管理软件的作用下，通过消息的驱动和对任务的目标管理将各层软件连接起来，同步协调工作。
综上所述，开发基于２．４ＧＨｚＤＥＣＴ技术的数字无绳电话，ＤＥＣＴ软件设计的技术难度较高。由于２．４ＧＨｚＤＥＣＴ系统采用ＴＤＭＡ／ＴＤＤ接入方式，在设计中也要解决突发模式工作下系统供电能力和频率稳定性、帧同步和回声消除等比较突出的问题。
在２．４ＧＨｚＤＥＣＴ实现方法上可对各芯片公司解决方案进行分析与研究，在硬件上采用芯片组解决方案；在软件上，可采用先从系统方案供应商或软件公司购买协议栈软件，由开发用户自己用Ｃ语言编写ＭＭＩ软件完成数字无绳电话技术开发；在积累一定开发经验的基础上，可自行开发针对某一芯片组的协议软件。
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