（微电子学与固体电子学专业论文）基于ambe声码器的数字对讲无线语音传输系统研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线电对讲机是移动通信中的一个重要分支，广泛应用于各行各业，它 和手机等其他无线通信工具市场定位各不相同，难以互相取代，还将长期使 用下去。目前，国内除了在需要基站支持的集群对讲机中采用数字控制信号 外，常规对讲机领域仍基本停留在模拟对讲机通信技术水平。然而，随着社 会发展和技术进步，人们对对讲机的性能要求更高，频率资源变得愈加宝贵。 因此，国家无线电管理局于2 0 0 7 年9 月开始推出相关技术指标，大力推进我 国数字对讲机的发展。 针对模拟对讲机音质差易受干扰的缺陷，本文采用了高音质低速率的基 于a m b e 算法的专用语音压缩芯片，结合t d m a t 肋、微控制器技术，设计并 实现了一种的数字对讲无线语音传输系统。 本文首先讨论了系统所采用的通信协议方案，定义了物理层，设计了双 时隙结构的帧方案。随后论证了数字对讲无线语音传输系统终端硬件电路方 案，完成微控制器模块、以a m b e 1 0 0 0 为核心的语音处理模块，系统电源模 块的芯片选型和电路设计。接着设计软件系统，采用结构化设计方法，先自 顶向下将程序简要划分为系统初始化模块、数据控制模块和通信模块三个部 分，逐层细分后再使用汇编语言，自底向上重点完成初始化模块和数据控制 模块的代码编写。然后介绍了采用迭代模型实现与调试软硬件的过程。 本文所研究的数字对讲无线语音传输系统的语音速率为4 8 k b s ，且速率 可变，可全双工通话，为集群通信系统提供了另一种低语音速率的选择方案。 另外，若系统以低成本、低功耗为出发点，完善系统的功能，达到应用简单、 可靠，性能好，满足日常的语音通话等需求，则系统还可以在更广大的地区 进行推广。 关键词：集群通信；数字对讲机；t d d ；m s p 4 3 0 ；a m b e 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 i 页 a b s t r a c t t w o w a yr a d i o a l li m p o r t a n tb r a n c ho fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n , i sw i d e l y u s e d i nm a n yf i e l d s i tw i l lb ec o n t i n u eu s e di nt h ef u t u r ef o ri t sm a r k e tp o s i t i o ni s d i f f e r e n tf r o mo t h e rw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i o nt o o ls u c ha sm o b i l ep h o n e a n dc a l ln o tr e p l a c ee a c ho t h e r a tp r e s e n t ，c o m m o nt w o - w a yr a d i os t i l lu s e s a n a l o gc o m m n i c a t i o nt e c h n o l o g ye x c e p tm m k e d t r a n s c e i v e r su s ed i g i t a lc o n t r o l s i g n a l si nc h i n a h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt e c h n o l o g i c a l p r o g r e s s ，f r e q u e n c yr e s o u r c ea r eb e c o m i n gm o r ea n dm o r ep r e c i o u s ，u s e r sr e q u i r e h i g h e rp e r f o r m a n c et w o w a yr a d i o t h e r e f o r e ，i no d e rt oi m p r o v et h er e s e a r c ho f d i g i t a lt w o w a yr a d i oi nc h i h a , t h es t a t ea d m i n i s t r a t i o no f r a d i op u b l i s h e dr e l a t e d t e c h n i c a li n d e x e si ns e p t e m b e r2 0 0 7 p r o v i d e du n r e l i a b l ev o i c ea n de a s yt ob ei n t e r f e r e dw a so n eo fa n a l o g s y s t e m sf a u l t s i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ra d o p t e do nal o wd a t a r a t e s u p e r i o rv o i c eq u a l i t ys p e e c hc o m p r e s s i o nc h i p sb a s e do na m b ea l g o r i t h m ， c o m b i n e dw i t ht d m a 1 d dt e c h n o l o g y , m i c r o - c o n t r o l l e rt e c h n o l o g y , d e s i g n e d a n di m p l e m e n t e da d i g i t a lw i r e l e s sv o i c et r a n s m i s s i o ns y s t e m t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c u s s e dt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o lt h es y s t e mu s e d ，d e f t n e dt h ep h y s i c a ll a y e r , d e s i g n e dt h et w o s l o tf r a m es o l u t i o n t h e nd e m o n s t r a t e d t h eh a r d w a r ec i r c u i tt e r m i n a ls o l u t i o no fd i g i t a lw i r e l e s sv o i c et r a n s m i s s i o ns y s t e m ， f i n i s h e dc h i ps e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g n e do fm i c r o - c o n t r o l l e rm o d u l e ，v o i c e p r o c e s s i n gm o d u l ew h i c hb a s e do na m b e 一1 0 0 0v o c o d e c ，a n dp o w e rs u p p l y m o d u l e t h e nd e s i g n e ds o f t w a r es y s t e m ，f o l l o w e dt o p - d o w ns t r a t e g y , d i v i d e dt a s k i n t ot h r e em o d u l e ：i n i t i a l i z em o d u l e d a t ac o n t r o lm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n m o d u l e t h e nu s e da s s e m b l e rl a n g u a g e ，b o t t o mu pf i n i s hp r o g r a m m i n go fi n i t i a l i z e m o d u l ea n dd a t ac o n t r o lm o d u l e t h e ni n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o na n d d e b u g g i n go fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eu s i n gi t e r a t i v em o d e l 1 1 1 ed i g i t a lw i r e l e s sv o i c et r a n s m i s s i o ns y s t e ms t u d i e di nt h i sp a p e rw o r k i n g i nt h eb i tr a t eo f4 8 k b sw i t hh i g hs p e e c hq u a l i t y , c h a n g e a b l eb i tr a t e ，础l d u p l e x c o m m u n i c a t i o n , p r o v i d e da n o t h e rr e s o l v e n t f o rt h et r u n k e dc o m m u n i c a t i o n s y s t e m m o r e o v e r , i ft a k i n gl o wc o s t ，l o wp o w e ra sas t a r t i n gp o i n t ，t h es y s t e m ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第页 w h i c hf i m c t i o nh a sb e e np e r f e c t e d , i sw i e l d y , r e l i a b l e ，a n dh a sw e l lp e r f o r m a n c e e n o u g ht os a t i s f yd e m a n do nd a i l yt e l e p h o n ec o n v e r s a t i o n , t h es y s t e ma l s om a y b e g e n e r a l i z e di nm o r ea r e a s k e y w o r d s ：t r u n k i n g ；t w ow a y r a d i o ；t d d ；m s p 4 3 0 ；a m b e 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进 行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对模拟对讲机音质差易受干扰的缺点，本文采用了高音质 低速率的基于a m b e 算法的专用语音压缩芯片，结合t d m a t d d 、 微控制器技术，设计并实现了一种的数字对讲无线语音传输系统。 其音质清晰，语音速率低，可双工通信，为无绳电话、集群通信 提供了另一种选择方案。 韦3 牵趣 训16 。d 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将 本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彭使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：名是趣 指导老师签名： 日期： 多刚甲多；。 日期： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及目的 无线电对讲机是一个涵盖范围很广的概念。在国内，工作在3 0 3 0 0 0 m h z 的无线电设备都统称为无线电对讲机。实际上按照国家的相关标准，应当称 其为“超短波调频无线电话机 ，只是按照平常习惯，人们将功率体积都比较 小的手持式无线电话机称为“对讲机”，过去也称“步话机 ；而将装载在车 船等交通工具上的功率较大的无线电设备称为“电台”、“基站、“中转台 脑 气手。 对讲机是最早被人类使用的无线移动通信设备之一，早在二十世纪三十 年代就开始得到应用。1 9 3 6 年美国摩托罗拉公司研制出第一台移动无线电通 信产品调幅车用无线电接收机，随后在1 9 4 0 年又为美国陆军通信兵研制 出第一台重量为2 2 千克的手持式双向无线电调幅对讲机，通信距离为1 6 公 里。经过长期的发展对讲机的应用己十分普遍，己从专业化领域走向普通消 费，从军用扩展到民用。广泛应用于政府机关、制造业、矿区作业、旅游业、 交通运输、安全保卫等众多不同的场合和业务中，是实现短距离通信和移动 指挥调度的有效手段。 现今的无线电对讲机大体上可以分为两类：一类是有中心基站的集群式 对讲机，主要应用于大的企业、团体、单位，需要建设基础通信设施，费用 非常昂贵1 1 - 3 1 ；另一类是没有中心节点控制的无中心对讲机，不需要基础通信 设施的支持，随意就可以组网。相对于集群式对讲机，无中心对讲机成本要 低很多。许多公司和单位，尤其是广大基层单位，使用的人员也不多，不可 能都使用数字集群通信系统，无中心对讲机将是较好的选择。 目前国内的无中心对讲机几乎全都是模拟制式，实际上，它也是我国移 动通信系统中最后一个模拟系统和设备了。随着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，模拟对讲机已经无法满足人们的需求。与传 统的模拟对讲机相比，采用数字信号处理技术的数字对讲机具有抗干扰能力 强、频谱利用率高、语音清晰、易于加密等特点【4 】【5 1 ，而且还能提供短信息等 附加业务。因此，对讲机逐步数字化，由数字对讲机取代模拟对讲机已是大 势所趋。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 对讲机产业在我国也有近4 0 年的历史，经过老一代科研工作者的不懈努 力，形成了一系列国家标准：如g b t1 5 8 4 4 1 移动通信调频无线电话机通 用技术条件( 中国电子科技集体公司七所修订) ，g b t1 2 1 9 3 9 0 移动通信 调频无线电话机接收机测量方法等。但以上标准都是针对模拟制式对讲机 的。而欧洲电信标准协会( e t s i ) 于2 0 0 5 年先后推出了使用t d m a 技术的 d m r t 6 ( d i g i t a lm o b i l er a d i o ) 和使用f d m a 技术的d p m r 7 ( d i g i t a lp r i v a t e m o b i l er a d i o ) 标准。美国后来也拥有了采用f d m a 技术的p 2 5 标准。 在业界，摩托罗拉是世界上最早研究数字对讲机的公t 4 1 ，早在上世纪 七十年代便率先将数字技术引入对讲机系统设计中，1 9 7 5 年生产出数字语音 加密的d v p 对讲机，1 9 8 0 年研制了一套数字数据通信系统。到2 0 0 8 年初， 摩托罗拉已经有多款数字对讲机产品通过我国无线电委员会的型号核准，此 外日本的健伍、i c o n 公司也有产品通过无线电委员会的核准，而国内企业仅 仅有两款。 为此，我国近两年来也加大了力度推荐数字对讲机的研究。国家无线电 管理局于2 0 0 7 年9 月1 3 日正式发布了信无函 2 0 0 7 1 8 1 号文件“关于发布数 字对讲机系统设备无线射频技术指标要求试行的通知 ( 以下简称技术指 标要求) 。并于0 8 年2 月2 6 日和0 9 年1 月1 3 日在北京先后举办了两届数 字对讲机应用与发展论坛。遗憾的的是迄今尚未出台关乎数字对讲机核心技 术的基带、语音编解码、信道编码等的国家标准。 1 3 论文的主要研究内容 虽然提供包含图象、文字、语音的综合业务是未来对讲机的发展趋势， 但考虑到语音传输仍旧是对讲机最广泛最基本也是最重要的作用，如何将语 音数字化处理后使通信更安全可靠，话音更清晰，并能解决传统模拟对讲机 只能单工通话的缺限是对讲机数字化工作的重要问题。为此，本文设计并实 现了一种能实现低速率语音编码的数字对讲无线语音传输系统。该系统采用 先进的声码器技术以降低语音编码速率，依托大规模集成电路的发展，运用 高度集成的无线数字射频收发芯片并借助软件系统在半双工信道上实现全双 工通信。 本文进行的工作主要有以下几个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 对一种基于d e c t 标准的数字无绳接入系统通信协议进行详细分析和 研究，尤其是对其空中接口方案进行了详细的探讨。在此基础上，重新定义 了物理层，选择了新的低速率的语音编码算法一a m b e 算法，设计了长6 0 m s 的双时隙帧方案。 ( 2 ) 论证了数字对讲无线语音传输系统终端硬件电路方案，完成微控制器 模块、以a m b e 1 0 0 0 为核心的语音处理模块，系统电源模块的芯片选型和 电路设计。 ( 3 ) 在设计软件系统时，采用结构化设计方法，先自顶向下将程序简要划 分为系统初始化模块、数据控制模块和通信模块三个部分，逐层细分后再使 用汇编语言，自底向上重点完成初始化模块和数据控制模块的代码编写。 ( 4 ) 采用迭代模型实现与调试软硬件，实现与调试的过程紧密结合。先分 别对系统的硬件和软件部分进行了调试，然后进行软硬件联合调试，指出了 在调试过程中须要注意的关键点。 1 4 论文组织结构 本文共分为五章：， 第一章：综述。介绍了论文的研究背景及数字对讲机在国内外的发展与 研究现状，提出了本课题的研究意义。 第二章：介绍数字对讲无线语音传输系统采用的通信协议方案。首先讨 论了一种基于d e c t 标准的数字无绳接入系统通信协议，然后对比了几种常 用语音压缩算法，重新定义了物理层，设计了长6 0 m s 的双时隙结构的帧方案。 第三章：硬件电路设计。首先对方案进行论证，然后进行语音处理模块， 微控制器模块，电源与时钟系统的设计，包括芯片选型和电路设计。 第四章：软件系统设计。首先介绍了软件开发环境，单片机程序框架的 理想化模型，然后分析了系统设计思路，阐述的程序设计过程。 第五章：阐述系统的调试与实现的过程及常见的问题和注意事项。 最后，对本文的一个总结，概括了论文中所做的工作以及对将来改进工 作的展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章数字对讲无线语音传输系统通信协议方案 目前世界上主流的数字对讲机标准如d p m r 、d m r 、d s r r ( d i g i t a ls h o r t r a n g er a d i o ) 、p 2 5 大都结构复杂，功能全面而强大。而本系统主要考虑的是 语音传输问题，并不涉及其他复杂的功能，或许先从小处入手，在已有协议 的基础上构造一个简单些的小型通信协议方案更有益于问题的解决。 2 1 基于d e c t 标准的数字无绳接入系统通信协议 参考文献【8 】参照d e c t 协议( d i g i t a le u r o p e a nc o r d l e s st e l e p h o n e ，数字 式泛欧无绳电话) 提出了一种工作在8 0 0 m h z 的数字无绳接入系统的通信协 议： ( 1 ) 协议模型的层次划分结构 该协议参照o s f r m 模型，将数据链路层划分为介质访问层( m a c ) 、 链路接入控制层( l a c ) 两个小子层，并且将网络层及其以上协议层都压为 口 一层o o s i r m 下三层模型 数字无绳接入系统通信协议层次模型 网络层 数据链路层 物理层 呼叫控n ( c c )移动性管理( m m )无线资源管理( r r c ) 数据链路控制层( d l c ) 媒体访问控制( m a c ) 物理层( p 甩) 图2 1 数字无绳接入系统通信协议层次模型 ( 2 ) 物理层方案 该协议调制方式为频移键控f s k ，传输速率7 6 8 k b p s ，多址方式采用 t d m a 双时隙模式，双工方式为t d d 。载波间隔5 0 0 k h z ，总共九个信道，其 中信道0 为信令信道，信道1 - 8 为业务信道。 ( 3 ) 帧方案 该协议采用t d m a t d d 模式，每个t d m a 帧长3 6 m s ，分两个时隙。该 协议中的帧的结构如表2 1 所示。包括前导同步域、同步域、d 标识域、命 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 令域、信道域、数据域以及结束域： 表2 - 1 无线通信协议的帧格式 前导头i 同步字段i 本机号i 目的号i 命令字i 信道号l 数据i 结束标志 ( 4 ) 媒体访问控制层 其中信道0 为公共的信令信道，即所有终端的呼叫应答过程均在此信道 上进行。信道1 至信道8 为通话信道，即呼叫连接成功后，通信终端转到信 道1 至信道8 其中之一的指定空闲信道上进行通话，通话的整个过程终端都 占用该信道，通话完毕后释放该信道。 比如有两个节点a 和b 要进行通话，a 呼叫b 。首先a 在信道1 至信 道8 进行扫描，判断是否有空闲的信道，如果有则记录下该信道，然后检测 信道0 是否空闲，若信道0 被占用则产生一个伪随机数，根据伪随机数进行 延时后再次检测信道0 是否空闲，若信道0 空闲则发起呼叫，待呼叫成功后 a 与b 都跳到之前查找到的空闲信道，在完成同步、建立连接的工作之后开 始进行通话，通话完毕则释放该信道。由于呼叫都要先检查信道是否空闲， 因此不会发生同时抢信道的情况。 该协议采用通过信令信道传输呼叫、应答过程的信令，通话过程的信令 传输采用将信令复用到时隙的方法进行实时的控制。 信令信道传输的数据速率为7 6 8 k b p s ，采用帧突发的方式发送一个短帧 的方式传输信令。通话过程的信令传输采用将信令复用到时隙中的数据域的 命令字段，通信终端间通过命令字的交换来控制通信的行为、过程及状态。 命令字占用2 个字节，按用途可分为空命令、通信控制命令以及系统维护命 令，按传输方式可分为广播式命令与交互式命令，按命令格式可分为单字节 命令、双字节命令以及内嵌数据命令。 ( 5 ) 数据链路控制层 数据链路控制层( d l c ) 主要完成数据链路的建立、维护和释放，帧的 打包、传输、同步以及差错控制，这些功能通过帧来实现，为高层( 网络层) 提供高可靠的数据链路。数据链路层利用物理层提供的比特流传输服务，以 帧为基础向网络层提供数据链路服务。 链路的建立、维护和释放过程如下。数据链路建立的发起以p t 请求 m a c 链路建立开始。当m a c 链路已经建立后，d l c 链路的建立方以发送置 有扰码交换命令c m ds c r a m 的帧开始。接收方收到此消息则以 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 c m ds c r a mm a s k 响应，同时向高层发送链路建立消息。链路建立的发 起方收到正确的c m d c a i ，la c k 则认为数据链路已经建立，将发送后续 消息。数据链路的释放可由高层发起，或发送超时，或来自m a c 的释放指 示。链路的释放立刻进行，可以采用需要响应或不需要响应的方式。 ( 6 ) 网络层 网络层是无线通信子网中的最高层，它的任务是将从通信源终端发送的 数据，利用数据链路层所提供的传输服务，将数据最终传送到目的终端。该 协议的网络层包括呼叫建立、通话过程维护、终止通话等三部分功能，呼叫 建立具体的过程如下所述，通话过程维护与终止通话的具体过程请参阅参考 文献 8 】。 如之前的信道分配所述，所有通信终端均在信道0 上发起呼叫请求或监 听有无呼叫信号。呼叫的发起者与接收者分别称为主叫方与被叫方。 呼叫连接过程及步骤说明如下： 1 ) 主叫方在发起呼叫之前，先扫描所有的通话信道，查看是否有空闲的 通话信道可用，若找到一个空闲信道，则记录该空闲信道，并在信道0 上发 起呼叫请求； 2 ) 当处于监听状态的被叫方在信道0 上检测到有呼叫请求进入时，则响 应一个确认信息； 3 ) 主叫方在收到被叫方回复的确认信息后，表明被叫方在信号覆盖范围 内，即可以进行通话，然后发送之前查找到的空闲信道与扰码等信息，在更 新本地的连接状态后跳转到空闲信道上进行监听，等待被叫方在该信道上的 确认信息； 4 ) 被叫方收到空闲信道及扰码等信息后，则更新扰码信息，并跳转到空 闲信道上发送确认信息，同时更新连接状态； 5 ) 主叫方在空闲信道上收到来自被叫方的确认信息后，完成同步等工作， 即可以开始与被叫方进行语音通话。 应该说明的是，以上的呼叫连接过程是正常情况下的操作，并没有考虑 到特殊状况，一些特殊情况将会导致呼叫连接请求失败。例如步骤3 中，如 果主叫方在2 0 0 m s 内没有收到来自被叫方回复的确认信息，则重新发送呼叫 请求，如果在重复3 次呼叫请求仍然没有收到被叫方的确认，则呼叫发起失 败，并默认为被叫方不在信号覆盖范围内。又比如在步骤4 中，如果被叫方 在2 0 0 m s 内没有接收到主叫方发送过来的信道及扰码等信息，则重复步骤2 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 发送呼叫请求的确认信息到主叫方，若重复3 次后仍然没有收到主叫方的信 息，则连接超时，呼叫连接失败。同样的道理，在步骤5 中，若主叫方在一 段时间内没有收到被叫方发送的确认信息，也将视为呼叫连接失败。呼叫连 接失败时，主叫与被叫双方将释放所占用的通话信道，恢复到监听状态，即 在信道0 上监听有无呼叫自身的请求信息。 ( 7 ) 同步问题 全网终端时间同步问题是t d m a 技术中的关键问题。常见的解决办法有以 下几种【9 1 2 】： ( 1 ) 在系统中增加一个g p s 模块，但是这就使系统变相的依赖于基础通 信设施。 ( 2 ) 各节点分别采用高精度的时钟。显然，这种方式在具体实现时非常 困难，而且其成本也很高，因此在多数应用中难于接受。 ( 3 ) 临时选取一个群首节点或者干脆指定一个额外的节点广播同步序 列。但是无论是临时选取还是事前指定，都会增加系统的复杂度。 ( 4 ) 采用互同步技术。其基本思想是通过网络中相邻节点之间的时间基 准的相互交互和相互控制来实现整个网络节点的同步。同步过程可以分为两 部分：粗同步和细同步。粗同步保证相邻节点发送数据时所用时隙不重叠， 其精度应小于时隙保护间隔。精同步则保证在一个时隙内，发送节点在数据 序列中加入m i d a m b l e 序列，接收方通过检测该系列完成相对于发送节点的时 间精同步，以完成相对于发送节点的时间精同步，正确接收本时隙信息。精 同步在每对收发节点之间的每隔时隙的数据传输过程中进行【1 3 】。 该协议中采用了类似于方法4 中“细同步阶段的办法来保证数据帧的 同步。但是“粗同步”阶段，时隙上的同步，则主要依靠收发双方，在每一 次接收( 或发射) 完毕立即转入发射( 或接收) 来完成，相对来说比较粗糙， 考虑到语音数据的传输，丢掉几帧数据影响不大，所以这种“自同步 方式 还是比较简便易行的。 2 2 采用低速率语音编码的物理层和帧方案 通过上一小节的分析可以看到，参考文献 8 所提出的数字无绳接入系统 通信协议结构简单，层次分明，为实现语音双工通信提供了良好的解决方案， 其d l c 层及网络层只需要少量修改或者不经修改就可以在无中心的数字无 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 线语音对讲系统上使用。 对于语音编码方式，原方案中采用的是c v s d ( c o n t i n u o u s l yv a r i a b l es l o p e d e l t am o d u l a t i o n ，连续可变斜率增量调制) ，3 2 k b s 。虽然c v s d 的性能也很 好，但由于近几年来，4 8 k b s ( 含) 以下的低速率语音编码技术获得了长足的 发展，不仅仅在理论上，在保密电话和移动通信中还得到了广泛应用，许多 标准也纷纷采用低速率语音编码，如d m r 和d p m r 都采用3 6 k b s 的速率，因 此本系统有必要重新选择语音编码方式。数字无绳接入系统通信协议中的帧 方案是针对3 2 k b s 的速率设计的，语音编码速率的巨大变化，自然会引起帧 方案的变化。此外，技术指标要求的出台也要求本系统必须重新设计物理 层。 2 2 1 语音编码算法选择与物理层方案设计 ( 1 ) 语音编码算法的选择 语音编码所要解决的基本问题，是在给定的编码速率条件下，如何尽可 能的重建语音质量( 或称编码质量) ，同时应尽可能减少编译码算法的复杂度 和时延，并使编译码系统有较好的坚韧性；或者是在给定编码质量、编译码 复杂度和时延以及坚韧性要求的条件下，如何尽可能降低语音编码所需的速 率等1 1 4 儿1 5 j 。这5 个方面的要求，就是衡量语音编码性能的主要指标。 其中，编码质量是衡量语音编码性能的最根本指标。评价语音编码质量 的方法很多，大体上可以分为客观评定法和主观评定法两类。客观评定法大 多用于较高速率的波形编码，而主观评定法由于能比较全面地反映人们听音 时对语音质量的感觉【l ，因而得到了广泛应用。 常用的主观评价方法有3 种：平均意见得分( m e a n to p i n i o ns c o r e ，简 称m o s ) 、判断韵字测试( d i a g n o s t i cr h y m et e s t ，简称d r t ) 和判断满意度测 量( d i a g n o s t i c a c c e p t a b i l i t ym e a s u r e ，简称d a m ) 。其中m o s 和d a m 是 对语音音质的评价方法，而d r t 是对语音可懂度的评价方法。目前国际上最 通用的主观评价方法是m o s 评分法【1 4 1 。 现今在应用领域中使用的语音编码算法非常众多，要对比所有算法的性 能孰优孰劣并选出一种最佳的算法来显然是非常困难的。所以本系统主要考 虑从一些常见的算法中选择一种相对比较合适的语音编码算法。 常见的语音编码算法有脉冲编码调制( p c m ) 、自适应差分脉码调制 ( a d p c m ) 、线性预测( l p c ) 、码激励线性预测( c e l p ) 、共轭结构代数码激 励线性预测( c s a c e l p ) 、高级多带激励( a m b e ) 算法等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 表2 - 2 常见算法性能对比 算法比特率算法时延复杂度m o s ( k b i t s )( m s )( m m s ) p c m ( g 7 1 1 16 40 1 2 5o 0 14 3 a d p c m ( g 7 21 ) 3 20 1 2 524 1 l d c e l p ( ( 2 7 2 8 ) 1 62 51 6 54 o v s e l p ( i s - 5 4 ) 8 2 0 1 3 5 3 4 5 c s - a c e l p ( c t 7 2 9 a ) 8 1 5 1 0 5 3 7 a c e l p ( g 【7 2 3 1 ) 5 33 7 51 63 6 5 c e l p ( f s l 0 1 6 ) 4 83 01 63 0 l p c 一1 0 e ( f s l 0 1 5 ) 2 42 2 572 5 a m b e ( i n m a r s a t ) 4 82 01 34 0 + 42 01 34 0 + 22 01 33 7 p c m 属于波形编码，波形编码虽然一般音质优良，但编码速率较山【1 6 。 1 9 7 2 年，c c i t t 公布的g 7 1 1 建议p c m 采用6 4 k b i t s 的标准。a d p c m 是对 p c m 编码的数据通过前后样值的差分、自适应预测的方法实现数据压缩【l 。 在1 9 8 4 年公布的g 7 2 1 中，建议a d p c m 采用3 2 k b i t s 的标准。l p c 和c e l p 属于线性预测编列1 8 】。1 9 8 6 年，美国政府标准f s l 0 1 5 建议l p c 1 0 e 编码速 掣憎j 为2 4 k b i t s 。1 9 8 9 年，f s l 0 1 6 建议c e l p 编码速率为4 8 k b i t s 。c s a c e l p 和a m b e 属于混和编码，1 9 9 5 年，g 7 2 9 a 建议c s a c e l p 编码速率为8 k b i t s 。 从表2 2 t 2 0 】【2 1 】中可以看出，a m b e 在所有参数编码和混和编码算法中编码 速率最低，算法时延和复杂度平均最小，m o s 评分最高。因此本系统的语音 编码算法将使用a m b e ( a d v a n c e dm u l t i b a n de x c i t e d ) 算法。 ( 2 ) a m b e 语音压缩算法 多带激励算法( e ) 由美国m i t 大学的e w g r i f f i n 和j s l i m 于1 9 8 4 年提出。与传统语音编码器及编码器的线性预测方式不同，m b e 技术采用一 个基频、一套频谱系数和一套基于频率的语音判定来模拟语音。如图2 3 及 图2 4 所示m b e 编码方式在频域中按基音各谐波频率，将一帧语音的频谱划 分为多个频带，对每个频带作清、浊音判决。对浊音带，以基音为周期的脉 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 冲序列作为激励信号对清音带，则以白噪声作为激励信号。总的激励信号由 各带激励信号相加构成。用该激励信号激励声道滤波器，最终合成出具有较 高自然度的语音。模型原语使合成语音谱与音谱在细致结构上能拟合得很好， 因此在低比特率的情况下，其合成语音的音质依然能保持较高的自然度1 2 2 - 2 3 】。 语音 输入 基频 清浊信息 谐波幅度 图2 - 3 译码烈2 1 】 输出语音 图2 - 4 编码器【2 1 1 基频 清浊 信息 谐波 幅度 a m b e 算法是m b e 的一种改进算法，其原理与m b e 算法基本相同，大 体上可以分为：模型分析、量化、前向纠错、重建和合成等几个步骤【1 牝6 1 。 m b e 算法的数学模型及编码译码详细过程请参阅参考文献 2 2 】。 ( 3 ) 物理层方案 数字对讲机系统设备无线射频技术指标要求所适用的频率范围是 1 3 7 m h z 1 6 7 m h z 、4 0 3 m h z 4 2 5 m h z 、9 1 5 m h z 9 1 7 m h z 等三个频，但是并 没有规定各频段的使用范围。作为一个研究用的发送功率仅有1 0 m w 的微功 率无线电对讲系统，本系统可以使用的频段是比较灵活的，但为了方便后续 拓展工作，本系统将工作于信部无 2 0 0 1 1 7 9 3 号关于4 0 0 m h z 频段公众对讲 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 机业务频率规划的通知规定的4 0 9 m h z 民用免许频段c a ( c i t i zb a n d ) 上。技 术指标要求还规定，t d m a 制式的信道间隔为1 2 5 k h z ，f d m a 的为 6 2 5 k h z 。但是现阶段仍然按照2 5 k h z 来指派频点。所以本系统的频率间隔 也先暂时按2 5 k h z 来分。具体频率及信道划分如表2 - 4 所示。 表2 3 物理层方案 项目名称项目参数 无线载波频段4 0 9 时z 载波间隔2 5 i a 乜 信道数目 5 调制方式频移键控f s k 信道编码n r z 多址方式t d m a 双工方式t d d 传输速率 19 2 k b s 语音编码4 8 k b sa m b e 表2 4 信道分配 信道编号中心频率 信道04 0 9 7 5 0 0 毗z 信道1 4 0 9 7 7 5 0 睡l z 信道2 4 0 9 8 0 0 0 匝王z 信道34 0 9 8 2 5 0 n m z 信道44 0 9 8 5 0 0 m h z 2 2 2 帧结构设计 帧长的设计要考虑硬件系统的限制，如处理器的处理能力，缓冲池的大 小，天线带宽等。此外帧长与编码方式有关，进行曼切斯特编码时不要超过 2 5 6 字节，若采用其它方式，则不要超过6 4 字节。采取短帧方式通信有利于 降低干扰，但是另一方面，帧太短又会增加开销，降低效率【2 7 】。 本系统的帧结构方案如图2 5 所示，各字段定义如下： ( 1 ) 前导字段：占8 个字节，每一字节均为交替的o 和1 ，系统采用 0 x 5 5 h 或0 x a a h ，用于位同步。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 - 5t d d 帧格式 ( 2 ) 同步字段：占2 个字节，为一特定的码组，系统采用5 0 e c 用于块同 步。 ( 3 ) i d ：包括本机号码和目的号码，共占2 个字节，用于标识本机的号码， 系统初始为0 x 1 1 h 。 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 数据字段：占4 4 个字节，用于存放通信过程中的语音数据。 ( 6 ) 帧结束字段：占2 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6 2 个字节，接收时应该除去无用的帧 头( 1 0 个字节) 与帧尾( 2 个字节) ，所以此时数据域一共5 0 个字节。 本协议采用t d m a t d d 模式，每个t d m a 帧长6 0 m s ，分两个时隙。射 频模块传输速率为1 9 2 k b p s ，则每毫秒约可传输1 9 2 8 = 2 3 个字节，发送一 帧共6 2 字节约需6 2 2 3 = 2 7 m s 。射频模块在发送与接收模式转换过程至少需 1 5 m s ，d m r 标准中的保护时间为2 5 m s ，考虑到射频电路的实际性能，本系 统设置模式转换间隔为3 m s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 第3 章系统硬件设计 3 1 硬件电路方案选择 每种通信协议都是有针对性的解决一些问题，同样，每个电子电路也都 是针对某种特定应用，实现某些功能，所以硬件电路的设计应当紧紧围绕着 所需要完成的功能来进行。 本设计要实现的是一个数字的可以全双工通话的无线的语音对讲系统。 显而易见，硬件电路中应当至少拥有以下几个功能电路：能收发信息的射频 电路、能将模拟语音信号并将其数字化处理的电路，此外还需要能执行通信 协议中各种控制的电路。本文主要讨论射频电路以外的基带电路设计。 相对需要处理深奥复杂的电磁关系的射频电路而言，基带电路设计难度 就要小很多，所面对的主要问题在于电路构架的选择。不仅因为可选方案众 多，还因为复杂的语音处理和通信协议控制决定了本系统必然是一个智能型 电子系统，而此类系统的设计必然要涉及软硬件功能的划分。这就要求设计 者的知识面比较广泛，能在开始设计硬件电路之时就考虑到可能给软件设计 带来的难度。 处理软硬件划分的问题，一般从以下两方面考虑【2 8 】： 1 、根据应用系统速度来决定 在绝大多数智能电子系统中，划分软硬件功能往往是由应用系统速度决 定的，如果要提高速度则意味着增加硬件线路和提高成本。在系统对速度没 有过高要求的情况下，可以考虑以软件取代硬件的方法，降低硬件成本。 以单片机系统为例，大部分单片机的时钟频率一般在6 1 5 m h z 范围内， 执行一条指令需要一个机器周期，而完成任何一项工作，至少需要若干指令， 也就是说单片机软件执行系统完成速度基本是处于微秒级的，这比纳秒级的 数字逻辑电路( 无论是组合电路还是时序电路) 要慢得多。 微机应用系统的速度很大程度上受数据传送和数据处理速度制约。数据 传送速度主要是计算机同输入、输出设备数据传输匹配问题。当计算机系统 处理某一问题速度不匹配时，修改数据传输程序起到的作用往往微乎其微。 一般来说，这类问题主要靠增添硬件或者改变系统硬件来解决，如采用d m a 或设计主从式多机系统( 主机负责处理数据，从机负责外设数据传送) 。数据 处理速度是计算机得到数据之后能多快处理数据。由于单片机不是为了解决 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 复杂数据处理而设计的，它主要是用于控制，不管算法多么巧妙，运算总得 占用大量计算时间，而且计算程序大都是汇编语言编写，这将耗费大量人力 来编写调试程序，代价巨大。要解决复杂数学运算问题最好采用专用硬件运 算芯片电路( 如d s p ) 或者其他功能强大的微处理器。 当用软件来完成某一控制功能时，必须使程序执行时间小于控制要求所 允许的时间范围并保证留有余量，以免系统不可靠，否则就必须设法将这部 分功能来用硬件来实现。 2 、根据成本、可靠性和研制周期来选择软硬件方案 计算机应用系统研制费用包括硬件费用和软件费用，以及对整个应用系 统进行软硬件选择、研制工具、文件资料、编制文件、设计调试、仪器使用 等现实应用系统功能的一切成本费用。软件的费用不仅是设计者所花费的脑 力劳动报酬，还有各种调试工具、消耗品等费用。软件费用的特点是研制费 用昂贵，复制费用低廉。在批量生产的产品研制中，应尽可能利用软件复制 费用低的特点，采用软件代替硬件，降低成本。小批量或单件产品不宜采用 此法。 硬件线路越复杂，应用系统可靠性就