由于數(shù)字對講機(jī)的頻譜利用率比模擬對講機(jī)高得多,還由于數(shù)字對講機(jī)能夠 提供模擬對講機(jī)無法達(dá)到的數(shù)據(jù)處理種類及靈活性,因此模擬對講機(jī)的數(shù)字化 改造進(jìn)程已勢不可擋。在這個(gè)過渡時(shí)期,我們需要開發(fā)數(shù)模兼容的雙模對講機(jī), 以滿足市場需要并實(shí)現(xiàn)平緩過渡。
本文設(shè)計(jì)了以數(shù)字信號處理器(DSP)和基于Cortex-M3內(nèi)核的微控制器為 核心的數(shù)模兼容對講機(jī)的基帶信號處理系統(tǒng),包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。完成
了硬件電路原理圖到印刷電路板的硬件設(shè)計(jì)工作,軟件開發(fā)的主要內(nèi)容包括底 層的硬件驅(qū)動(dòng)和數(shù)字對講機(jī)通信協(xié)議兩個(gè)部分。
同時(shí),為了簡化整個(gè)數(shù)模兼容對講機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì),提高集成度,減少系 統(tǒng)成本,降低功耗,我們將模擬對講機(jī)的一些重要組成部分集成到了數(shù)字信號 處理器當(dāng)中。以前,這些組成部分是用專用芯片實(shí)現(xiàn)的,如今,我們可以發(fā)揮 數(shù)字信號處理器靈活可編程的優(yōu)勢和強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力,用軟件的方法 實(shí)現(xiàn)這些功能,主要包括亞音頻靜噪系統(tǒng)和模擬基帶語音信號處理系統(tǒng)。當(dāng)雙 模對講機(jī)工作在數(shù)字模式時(shí),數(shù)字信號處理器運(yùn)行的是聲碼器算法、數(shù)字基帶 調(diào)制解調(diào)算法和數(shù)字對講機(jī)通信協(xié)議;反之,當(dāng)雙模對講機(jī)工作在模擬模式時(shí), 數(shù)字信號處理器運(yùn)行的是語音信號模擬基帶處理算法,包括語音壓擴(kuò)器、預(yù)加 重和去加重以及限幅器等。
關(guān)鍵詞:數(shù)模兼容對講機(jī)數(shù)字信號處理器微控制器亞音頻靜噪 語音壓擴(kuò)
對講機(jī)的簡要介紹
對講機(jī)作為專業(yè)移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要設(shè)備之一,它的最大特點(diǎn)是通過PTT 按鍵通話,即按即通,通常通話建立時(shí)間小于500毫秒[1],可以保證在緊急情況 下,做出快速的反應(yīng);支持點(diǎn)對點(diǎn)(單呼)和點(diǎn)對多點(diǎn)(組呼)通信。一直以 來,對講機(jī)在工業(yè)企業(yè),政府,公共安全和其他組織部門的內(nèi)部指揮調(diào)度,搶 險(xiǎn)救災(zāi),處理緊急突發(fā)事件中發(fā)揮著不可替代的作用。
其實(shí)早在20世紀(jì)30年代無線電對講機(jī)就已經(jīng)開始得到應(yīng)用。1936年,摩 托羅拉公司的前身高爾文制造公司研制出第一臺(tái)應(yīng)用于警車的調(diào)幅移動(dòng)無線電 通訊產(chǎn)品,接著公司在1940年又為美國陸軍信號兵部隊(duì)研制出了第一臺(tái)手持式 調(diào)幅對講機(jī),通信距離是1.6公里。隨后由于調(diào)頻技術(shù)的應(yīng)用,大幅度地改善了 對講機(jī)的通信距離和抗噪聲能力,二戰(zhàn)期間,公司為軍方研制的SCR300背負(fù)式 “步話機(jī)”,通信距離為16公里,這種“步話機(jī)”成為了美軍的重要通信工具。 戰(zhàn)后,對講機(jī)從軍用走向了商用,成為一種日常生活工具,在警車,救護(hù)車, 出租車,送貨車甚至商場,你都能看到對講機(jī)的身影。后來,隨著集成電路技 術(shù)的發(fā)展,對講機(jī)越做越小。1962年,摩托羅拉推出了第一臺(tái)手持式無線對講 機(jī)HT-200,下一代HT-200僅用兩個(gè)集成電路模塊代替了原來61個(gè)分立原件, 雖然它的重量比以前減輕了 40%,體積減少了 50%,但對講機(jī)的輸出功率卻增 加了 250%,有效地增加了對講機(jī)的通信距離[2]。
隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,無線電對講機(jī)也發(fā)生了日新月異的變 化。首先,在1978年,集群對講機(jī)系統(tǒng)面世了,該系統(tǒng)每一臺(tái)對講機(jī)都擁有一 個(gè)數(shù)字號碼,由計(jì)算機(jī)對所有頻率進(jìn)行掃描,尋找空閑信道,并利用數(shù)字式的 地址代碼按一定優(yōu)先級指定給各信道。這種方式可以使對講機(jī)系統(tǒng)高效地把數(shù) 量有限的信道分配給具體的用戶。同時(shí),數(shù)傳對講機(jī)的發(fā)明,實(shí)現(xiàn)了同一信道 上語音和數(shù)據(jù)的共同傳輸。針對各行各業(yè)不同的要求,設(shè)計(jì)更加專業(yè)化的對講 機(jī)通信系統(tǒng),用來滿足具體的需求。
進(jìn)入90年代,隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展,模擬常規(guī)和模擬集群對講機(jī)都開啟 了數(shù)字化的時(shí)代。1991年,摩托羅拉公司的一個(gè)重大突破是推出了第一臺(tái)全數(shù)
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字的無線電對講機(jī)——ASTRO,1995年,摩托羅拉公司又成功推出了集成數(shù)字 增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)(iDEN) [3],它是一種將無線調(diào)度、數(shù)據(jù)和信息處理集成為一體的全
數(shù)字通信系統(tǒng)。
進(jìn)入21世紀(jì),人們對專業(yè)通信的需要與日俱增,對講機(jī)主要應(yīng)用在公安、 民航、運(yùn)輸、水利、鐵路、制造、建筑、服務(wù)等行業(yè),用于團(tuán)體成員間的聯(lián)絡(luò) 和指揮調(diào)度,以提高溝通效率和提高處理突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力。隨著對講 機(jī)進(jìn)入民用市場,人們外出旅游、購物也開始越來越多地使用對講機(jī)。而傳統(tǒng) 的模擬常規(guī)對講機(jī)和模擬集群對講機(jī)系統(tǒng)對無線頻譜資源的利用率有限,對講 機(jī)系統(tǒng)數(shù)字化的趨勢已勢不可擋。相比較傳統(tǒng)的模擬系統(tǒng),數(shù)字系統(tǒng)具有以下 幾點(diǎn)優(yōu)勢[1]:
第一,數(shù)字對講機(jī)系統(tǒng)可以更高效地利用無線電頻譜資源[4]。比如傳統(tǒng)模擬 對講機(jī)每個(gè)信道需要12.5kHz或則25kHz的信道帶寬,而現(xiàn)有的數(shù)字對講機(jī)只 需要6.25kHz的信道帶寬,這樣信道容量就提高了 2至4倍有效地解決了頻譜資 源不足的問題。
第二,數(shù)字對講機(jī)系統(tǒng)可以提供話音和豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)[4],而傳統(tǒng)的模擬對 講機(jī)只能提供簡單的話音業(yè)務(wù)。數(shù)字對講機(jī)提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)包括有短消息,圖 片,地理位置信息等,這些都極大地豐富了對講機(jī)的應(yīng)用,更好地滿足了實(shí)際 用戶的需求。
第三,數(shù)字對講機(jī)能夠在更大的范圍內(nèi)提供清晰的話音[4],如圖1.1所示。 雖然在接收信號強(qiáng)度大的地方模擬對講機(jī)的話音質(zhì)量好于數(shù)字對講機(jī),可是隨 著通信距離的增加,接收的信號強(qiáng)度會(huì)衰減,這時(shí)模擬對講機(jī)的通話質(zhì)量下降 很快,而數(shù)字對講機(jī)還能保持很好的通話質(zhì)量,這時(shí)因?yàn)閿?shù)字對講機(jī)擁有強(qiáng)大 的信道編碼保護(hù)功能,可以有效地抵抗信道傳輸噪聲,防止話音質(zhì)量的下降。 而且數(shù)字對講機(jī)系統(tǒng)具有語音增強(qiáng)的功能,可以很好地抑制嘈雜的環(huán)境噪聲, 提供清晰的話音。
第四,保密性好,由于語音信號已經(jīng)完全數(shù)字化處理,所以可以應(yīng)用更加強(qiáng) 大和復(fù)雜的數(shù)字式加密技術(shù)。
第五,體積小,功耗低,一次充電后的通話時(shí)間更長。
第六,數(shù)字系統(tǒng)更容易組網(wǎng),以及與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),譬如公共電話網(wǎng)和因特 網(wǎng),擴(kuò)大整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積。
縱觀整個(gè)無線電對講機(jī)的發(fā)展歷史,我們可以得出啟示,對講機(jī)系統(tǒng)從軍用 擴(kuò)展到民用,從點(diǎn)對點(diǎn)發(fā)展到通信網(wǎng)絡(luò),從模擬進(jìn)化到數(shù)字,它的應(yīng)用已經(jīng)十 分普遍,如今,對講機(jī)系統(tǒng)正朝著小型化,網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)字化,專業(yè)化的方向不 斷前進(jìn)。相信它勢必在工業(yè)生產(chǎn),政府,公共安全以及各個(gè)組織部門的內(nèi)部協(xié) 同工作和應(yīng)急指揮調(diào)度過程中發(fā)揮更大的作用。