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基于DSP和FPGA的Roip网关的设计与实现

 无线电对讲机做为最早被人类使用的无线移动通信设备,早在20 世纪30 年代就开始得到应用。在经过几十年的发展后对讲机的应用已十分普遍,已从专业化领域走向普通消费,从军用扩展到民用,在处理紧急突发事件中,在进行调度指挥中其作用是其它通信工具所不能替代的。

各种无线电台从使用方式上来区分,可分为手持式、车(船、机)载式、固定式、转发式等多种,各种电台的通信频率不尽相同,难以实现互相通信。即使同是手持式的对讲机,消防专用对讲机和公安专用对讲机之间也不能灵活的实现语音通信。这种情况对于未来的公共安全协同通信来说,是一种致命的危机,需要寻找到一种可以解决的方式。

随着计算机技术、网络技术和语音处理技术的不断发展,一种基于IP 的语音通信方案已经成为大势所趋。

1 Roip 的定义及特点
Roip (Radio Over IP)技术主要是指从无线电台上发出的语音信号不是选择传统的电磁波在空气中传播,而是通过Internet 实时传送语音信号。

Roip 技术可以实现:
① 不同频率电台之间的相互语音通信;
② 无需升级无线电台设备即可以建立起涵盖小型到超大型的应急协同通信系统,大大减低了建设成本;
③ 语音不受电台功率的限制,可以到达全球互联网可以到达的地方;
④ 和电台的对话对象不再局限于无线电台,也可以是VOIP(Voice Over IP)网络中的任意一个通信设备,如PSTN电话,软电话,移动电话,卫星电话等等。

图1 所示的即为一个典型的Roip 通信系统。

典型的ROIP通信系统.jpg

 

2 Roip 技术的原理
Roip 技术作为VOIP 技术的一个分支,信息的传输都经过了以下的过程:首先将模拟语音信号转化为数字PCM 信号,接着经过特定的数字编码后以特定的帧长进行压缩编码,送入网络处理器为其添加包头,时标和其他信息形成RTP 数据包,通过网络传送到目的地。最后到达目的地后ROIP 设备接收到这些数据包后进行处理,获得PCM 信号,提供给解码器,最终将数字信号还原成模拟语音信号从扬声器输出。Roip 网关在该系统的主要的工作有:A/D,D/A 信号转换,数字PCM信号的IP 封包和解封包,对无线电台的语音信号收发控制等等。除此之外,该网关还可以实现对讲机的键盘DTMF 拨号等等高级功能。为了能够实现呼叫,在LAN 或者WAN 中,需要专门架设SIP 服务器或者H323 网守来建立连接。

3 ROIP 网关的硬件设计
3.1 总体构成
如图2 所示,网关主要由ADM5120 MIPS 微处理器、英飞凌PEB3342 DSP、低频语音编解码模块、FPGA 逻辑控制系
统以及电台接口模块组成。

ROIP网关硬件模块示意.jpg

 

3.2 MIPS 微处理器系统
ADM5120 是整个嵌入式系统运行的CPU。负责各种协议栈的正常运行和各系统的管理控制,以及对从DSP 端输入的语音PCM 数据的封包成为RTP 包,从网络端接收到的RTP数据解包成为DSP 可识别的PCM 数据包。

本设计中选用的英飞凌ADM5120 微处理器,基于MIPS4Kc 内核。考虑到实际应用所采用的VxWorks 系统以及SIP协议栈的大小,本网关的设计选择使用2 MB FLASH。又考虑到实际的程序都是在SDRAM 中进行,我们选择使用2*8MB
SDRAM。

3.3 DSP 子系统
DSP 子系统主要负责完成语音编解码工作。由于语音业务对实时性要求较高,则要求专用的语音编解码芯片具有极高的处理能力。出于以后扩展性的需要,我们仔细选用了英飞凌公司的PEB3342 芯片。该型号芯片支持2 路电话模拟语音信号输入,4 路PCM 信号输入输出以及2 路T.38 传真应答。

虽然PEB3342 芯片可以进行语音的编解码工作,但是为了能够实现各种类型的模拟语音信号的完美接入,以及PEB3342 本身的模拟语音输入端口只适应电话SLIC 电路语音信号的原因,因此,在模拟信号和PEB3342 DSP 之间加入A/D,D/A 转化电路成为一个理想的解决方案。我们采用了华邦科技的W681310 语音编解码芯片,采用8KHZ 时钟抽样频率,有A 律和U 律两种量化方法。模拟语音信号经过该编码电路A/D 后再接入PEB3342,同样PCM 信号从PEB3342 接口输出通过D/A 转化后可以还原成模拟信号输出。

3.4 FPGA 子系统
对于ROIP 网关,FPGA 模块主要负责的工作有多路语音信号的时分复用,电台语音信号收发控制,数字信号收发控
制,静噪,电台语音灵敏度调节等。其主要信号如图3 所示。

FPGA模块主要信号示意.jpg

 

其中,COR 信号为无线电台的发射指令信号;PTT 信号为手持机的发射指令信号;PCM in 是经过W681310 编码后输
出的PCM 信号;PCM out 是FPGA 内部经过静噪,FIFO 延迟后输出的信号;时钟信号为2 MHz;本子系统通过地址总线、数据总线、控制总线连接到FPGA 外的CPU ADM5120。COR 信号检测电路发出一段电平进入FPGA,模块通过逻辑判断该电平是否确实为电台的COR 发射指令信号,如果是,则将电台接口接通,模拟信号进入编码模块。如果判断为噪音等原因造成的误触发,则选择保持电台接口的不导通状态。PTT 信号是针对网络端进入的PCM 信号做出判断的,同理,如果是正常的语音数据,网关会发出PTT 指令信号提示对方接收。如果是噪音的误触发则不选择发射导通。

通过本接口,可以自由设置电台的收发灵敏度,使得本网关在低噪和高噪的环境下误触发事件大大降低。并且设置数据总线和控制总线为双向的,还可以读取到FPGA 内部各线路的用户信息。本系统的关键是各路信号处理流程中的时序关系要严格的符合PCM 信号的时序要求。为此要认真的分析经过W681310 编码后的PCM 波形,否则会影响语音质量,
还要保证所有波形去除“毛刺”使正常工作。

3.5 电台接口模块
由于各种电台功率差别很大,经测试,如果电台接口部分设计不当,会产生很大的噪音,语音电平“毛刺”现象非常严重,突发啸叫以及回响都是用户所不能忍受的。因此,在电台接入部分要特别关注滤波器的设计。在模拟语音输出部分,则需要加入放大器电路,以适应电台的驱动功率要求。

4 结语
测试证明,文章所设计的Roip 网关能够实现电台语音的IP 接入功能,和对端的固定电话,移动电话,IP 电话等设备实现语音通话,并且语音灵敏度可调,语音质量优秀,为各种语音通信设备之间的协同通信提供了硬件基础,对于政府和企业的公共安全应急通信平台建设意义重大。

 

 

 

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