低一些)；每部车载台也需1000美元左右，加上基站和基本建设 费用，总计需要几亿元人民币的投资。即使在中小城市引进上千 个用户的系统，总的投资也要几千万甚至上亿元人民币嘲。 由于固定投资大，就必然导致用户的服务费用升高，平均算 来，每年每部终端服务费需1000元以上：每部车台的服务费需要 2000元以上。这样高的投资，使一些运营商和单位可望而不可及。 只有军事、公安、安全等特殊部门，或者为了保证奥运会、APEC 高峰会的安全等特殊环境下，才可能以高昂的代价使用数字集群 系统。
对于需要调度的一些企业或部门，例如：保安、酒店、公交、 高校、生产一线等，他们并不需要基站、交换中心等通信网络的 支持，仅迫切需要一种低成本，集即时沟通、一呼百应、无通话 费等功能于一体的对讲语音终端系统来满足日常工作。而传统采 用单工模拟通信方式的对讲终端系统和近年来部分采用了频分双 工的模拟通信方式的对讲终端系统均不能很好的达到要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4页
1．3主要研究的内容
鉴于目前集群通信系统FDD方式存在的缺点和终端昂贵问
题，结合一些企业或部门用户对即时沟通、一呼百应、无通话费 等少量必备功能的需求，本文根据TDD双工方式工作原理，设计 并实现了一种基于TDD方式的数字无线语音传输终端系统。该终 端系统不但实现了全双工一对一单呼功能，还具有一对多的半双 工群呼功能，并且其中的群呼功能在目前少量有关用TDD方式实 现全双工语音系统的研究中所不具备的ns一。另外，文中除了对语 音系统做了研究外，还在现有集群通信终端所具备的短消息数据 业务功能的基础上做了改进，增加了短信自动回复功能，为将来 在本系统上实现该功能进行了前期研究。 本文进行的工作主要有以下几个方面：
(1)给出了基于TDD模式数字对讲通信系统的基本原理，分析 了TDD双工模式的原理和特点，从而设计了一种多功能通信协议 方案，其中重点讨论了TDD的帧结构、TDD的帧周期以及TDD的实 现方式等关键技术。
(2)简要介绍了系统的硬件电路。
(3)对系统软件实现进行了详细设计。首先，采用模块化的设 计思想，将系统的实现分为四大模块：系统初始化模块、系统数 据流控制模块、TDD通信模块以及功能选择模块。然后，将四个 模块又细分为多个小模块，对各个功能模块的特点及功能进行详 细叙述，并着重说明各个功能模块软件实现的方法。最后，在说 明各个模块时给出了关键代码。
(4)分别对系统的硬件和软件部分进行了调试，指出了在调试 过程中须要注意的关键点。
(5)在现有集群通信终端所具备短消息数据业务功能的基础上 做了改进，增加了短信自动回复功能，并通过仿真实例验证了思
路的正确性和可行性。
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第2章TDD数字对讲通信系统基本原理
2．1 TDD原理及特点
无线通信系统的传输方式可分单向传输(广播式)和双向传
输(应答式)。双向传输又有单工、半双工和全双工三种工作方式。 全双工通信是指通信双方可以同时进行传输信息的工作方
式，可通过频率或者时间将发送和接收分开。无线通信的双工设
计方式有两种：频分双工(】巾D)n町和时分双IffDD)㈨。FDD实现
双向通信使用两个不同的频率段即需要成对的频率用于双向通信， 而且需要一段频率间隔段，避免上下行干扰；TDD模式的无线通 信系统中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保 证时间来分离接收与传送信道剀。它们的工作原理如图2．1所示。 频率
图2-]FDD与TDD的原理
间
采用不同双工模式的移动通信系统特点与通信效益是不同
的。TDD模式的移动通信系统中上下行信道用同样的频率，因而 具有上下行信道的互惠性，这给TDD模式的无线通信系统带来许 多优势：TDD的上行与下行均工作于同一频率，用保护时间间隔 来分离接收和发送信道。与FDD相比较，TDD具有以下技术优点
嘲：
(1)更有效的利用频谱。TDD不需要成对的频率，能使用各种 频率资源，具有较高的频谱利用灵活性。这样就可以充分利用那 些不成对的频段，而在2GHz以下已很难找到成对的频谱，因此 TDD可大幅度节省频率资源。本系统的群呼功能便是在同一信道 上实现的，与多载波技术相比，确实体现了较高的频谱利用率。 (2)更适合于不对称数据业务。随着'I-temet、多媒体技术的发 展，无线通信业务逐渐呈现语音业务、数据业务、多媒体业务并
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重的态势。数据的上下行传输是不对称的，TDD更适用于这一不
对称的上下行数据传输业务，而且TDD可以根据上下行业务量来
自适应的调整上下行时隙宽度，充分利用频率资源。而FDD系统
一建立通信就将分配到一对频率以分别支持上下行业务，在不对
称业务中，一半频率是浪费的，FDD系统虽然也可以用不同宽度 的频段来支持不对称业务，但频段相对固定，不可能灵活使用。 (3)更易于功率控制。FDD模式下，上下行的传输是通过频率 分离的，上下行占用不同的频率，由于多径传播而引起的快衰落 取决于频率，因此FDD上下行对应的快衰落系数是不相关的：而 在TDD模式下，由于上下行占用同一载波频率，所以上下行间的 电波传播特性是对称的，二者的衰落系数是紧密相关的，TDD发
射机根据接收到的信号就能够知道多径信道的快衰落。这一特性 在CDMA系统中可以得到充分利用，仅使用复杂度较小的开环功 率控制，而FDD必须使用算法复杂度相对较高的闭环功率控制， 并且闭环功率控制还会引入一些时延而且受差错率的支配。(4)更方便的使用智能天线技术。TDD模式中，上下行使用同 一频带，基站端的发射机可以根据在上行链路上得到的接收信号 来了解下行链路的多径信道特性，这样基站的收发信机就可以使 用在上行链路上得到的信道估计信息来实现下行的波束形成。 (5)降低设备成本。TDD系统只需要一套射频模块用于收发， 不需要分别使用收信机和发信机两套射频模块进行收发，所需的 设备成本较低，比FDD系统低20％～50％。无收发隔离的要求， 可以使用单片IC来实现RF收发信机。
但是，TDD也有自身的局限，存在着一些不足，尤其是运用 在CDMA系统中时，具体表现有以下几点：
(1)“远近效应\问题。手机在小区内高速运动时所产生的“远 近效应’’问题是TDD用于CDMA系统所面临的致命问题。所谓 远近效应就是距离基站较近的强信号会抑制距离基站较远的弱信 号。它要求基站所接收到的小区内手机发来的信号必须相等，否
．则将导致系统容量的严重降低。由于各手机距离基站远近不一，
这就要求手机时刻调节它的发射功率，确保基站所接收到的信号
一致。特别是手机在高速运动的情况下，要求手机的功率调节速 率达到800次／秒。CDMA采用TDD方式时，手机只能在一帧内
进行一次功率调节(因为一帧内每一个时隙可能分属于不同的用 户)。由于手机高速运动时要求功率调节速率达到800次／j眇，这使 得TDD帧长只能为1．25ms，而这种帧长实际上是不能使用的，于 是帧长被提高到5ms或10ms，相对应的功率调节速率只有200次
／秒或100次／秒，这样，手机在小区只能是低速运动，否则系统容
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量将严重降低。
(2)同步要求高。由于基站不能同时接收和发送；移动终端的 传送必须在基站停止发送时开始，这意味着同-d,区内的不同用 户之间，用户与基站之间需严格同步，后一同步破坏会发生通信 阻塞，前一同步破坏将导致严重干扰，这是FDD的CDMA系统
所没有的问题。另外，因为小区之间和不同操作者之间的干扰问 题，邻近小区的基站之间要求是同步的，并且一般是符号级的精 确同步。这样的同步要求在基站有GPS接收机或公共的分布式时 钟，这些都增加了移动蜂窝网的费用。
(3)移动速度受限。对于TDD模式的CDMA系统，上下行链
路使用同一频率，TDD发射机能根据接收信号知道多径信道的快 衰落，这给TDD模式的系统带来许多优势，但这是以TDD帧长 比相干时间短为前提的。因为TDD帧很短，导致移动速度受到限 制，所以通常的认为是TDD模式适合于室内、低速移动的微小区 环境。
但是，已有研究显示TDD模式的移动通信系统在结合智能天
’线和联合检测技术后可以用于高速移动的环境，在中国目前开发 的3G系统TD．SCDMA标准中采用了TDD的方案，模拟结果显
示了较好的性能。最新研究成果表明，在移动速度为240km／h和 3GPP规定移动环境下，TD-SCDMA移动速度和通信距距离与 FDD基本相当。TD．SCDMA按照ⅡU对IMT-2000的全部要求， 解决了移动速度和小区半径等TDD方式所存在的问题嘲。 2．2 TDD数字对讲系统通信协议方案 2．2．1 TOO帧结构
本文研究的数字对讲通信终端系统是以集群通信系统终端嗍 和无绳电话系统作为参考模型的，同时具备单呼、群呼功能，所 以在系统通信终端的设计上，需设计出合理的通信协议来实现。 TDD协议中的帧分为捕获帧、空帧和数据帧三种类型，三种
不同类型的帧结构如图2．2所示。捕获帧包括前导域、填充域以及 特殊字(UW)；空帧包括前同步域、UW以及填充域：数据帧由 前同步域、UW以及数据域构成嘲。 数据帧(Data Burst Frames，dbf)
西南交通大学硕士研究生学位论文第8页 图2-2 TDD协议中的突发同步帧结构
根据上面帧结构结合本系统特点，系统采用以下的TDD帧格
式：包括前导同步域、同步域、D标识域、命令域、信道域、数
据域以及结束域，如表2．1所示。 表2-1无线通信协议的帧格式
由上表可看出，每帧所包含的信息有八个部分组成： (1)前导字段：占8个字节，每一字节均为交替的0和l， 系统采用0x55H或0xAA，用于位同步。
(2)同步字段：占2个字节，为一特定的码组，系统采用50EC 用于块同步。
(3)本机号码：占2个字节，用于标识本机的号码，系统初始 为0X11H。
(4)目的号码：占2个字节，用于标识本机要发送到的目的终 端的号码，可通过键盘进行拨对方号码，产生号码存于本空间。 (5)命令字段：占4个字节，前两个字节用于指示通信终端所 发生的行为、过程或状态。后两个字节用于标志当前传送的是语 音信号还是数据信息，为系统后期数据业务做准备。
(6)信道字段：占2个字节，用于标识目前所处的信道，如01H 为1信道。
(7)数据字段：占120个字节，用于存放通信过程中的语音数 据。
(8)帧结束字段：占4个字节，用于对之前的语音数据进行保 护，同时也标志着一帧的结束。
由以上所述，发送时帧的长度总共144个字节，接收时应该
除去无用的帧头(10个字节)与帧尾(4个字节)，所以此时数据域一
共130个字节。
2．2．2 TDD的帧周期
TDD帧周期包括传输的帧长度以及时间保护间隔两个因素。 TDD帧周期的适当与否将对系统的实时性和可靠性造成影响。若 传输的TDD帧长度设计得过大，将使系统的不能及时处理接收到 的数据，影响系统的实时性。相反，若TDD帧长度过小，将使系 统的天线在发送和接收模式间的交替过于频繁，不利于系统的稳 定和可靠性。另一方面，时间保护间隔也很重要，它能够保证发
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送或接收完整的一帧数据，而且保证有足够的时间让系统在发送 和接收模式间进行转换。
然而，TDD帧周期并没有具体的规范，必须根据具体的要求 和情况进行设定。
在综合考虑系统的实时性、帧结构、射频最大传输率以及天
线的发送／接收模式间转换的时间等因素，本系统TDD帧周期如下 设计。
系统采用的射频模块最大传输速率为76．8Kbps，则传输一位
约需要1／76．8Kbps=0．01302ms，发送一帧共144字节约需144 X8 X0．01302=15ms，接收一帧130字节的数据信息约需130×8× 0．01302=13．6ms。射频模块在发送与接收模式转换过程至少需 1．5ms，为了保证转换的可靠性，设置模式转换间隔为3ms，于是 就可得出图2．3中TDD帧的周期。 图2-3 TDD模式下的传输周期 2．2．3 TDD的同步机制
TDD通信系统的通信双方是从时间上交替进行信息的接收与 发送的，因此通信双方在时间上的同步是实现TDD模式的核心。 同步按功能分类，可分为载波同步、位同步、块同步和群同 步。按传输同步信息的方式，可分为外同步法和自同步法。所谓 外同步法，是由发送方发送专门的同步信息，接收方把这个专门 的同步信息检测出来作为同步信号。自同步法是发送方不发送专 门的同步信息，而是由接收方设法从接收信号中提取同步信息。 在TETRA数字集群通信系统中阻卅，移动终端同步获得设计
的原理就是在基站信号时隙和同步脉冲中提取同步信号，按传输 同步信息的方式属于外同步法，移动终端同步获得是使其与基站 达到同步，按功能划分属于群同步。
在iDEN数字集群通信系统中嘲，引入了全球定位系统作为全 网统一的时间标准，精确的定时信号可使网络完全同步。所有频 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0页
率和时间均锁定在高稳定性的参考基准上。时间基准锁定在全系 统的基准上。频率基准则由基站提供，移动终端则锁定在基站发 出的基准上。
TETRA与iDEN均属于FDD方式的系统，而在基于TDD方
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