北斗語音通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)＊

徐師友

（福建星海通信科技有限公司，福建 福州350015）

0 引 言

“北斗一號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，簡稱北斗系統(tǒng)，是我國自行研制的第一代區(qū)域性有源三維衛(wèi)星定位通信系統(tǒng)。北斗用戶機(jī)需要在捕獲衛(wèi)星信號(hào)后由用戶機(jī)發(fā)射定位申請(qǐng)指令，才能夠得到由中心控制站計(jì)算得到的定位信息。北斗系統(tǒng)還提供了簡短雙向報(bào)文通信的功能，使用戶機(jī)與中心站、用戶機(jī)與用戶機(jī)之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大地豐富了系統(tǒng)功能。除此之外，北斗系統(tǒng)還具備定時(shí)、授時(shí)功能。

現(xiàn)有的北斗用戶機(jī)只具備普通的報(bào)文通信、定位和導(dǎo)航功能。目前，北斗用戶機(jī)型都是在這幾種功能上擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)北斗導(dǎo)航，北斗指揮等系統(tǒng)功能。但是，在抗險(xiǎn)救災(zāi)等惡劣環(huán)境中，有時(shí)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行語音通信，這是當(dāng)前的用戶機(jī)所不具備的。

針對(duì)現(xiàn)有用戶機(jī)的上述不足與缺陷，這里提出一種基于語音壓縮技術(shù)，可利用北斗系統(tǒng)進(jìn)行語音通信的新型北斗用戶機(jī)設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)主要由外設(shè)模塊、語音處理模塊以及北斗處理模塊組成，系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程：發(fā)端用戶機(jī)外設(shè)模塊的話筒獲取外界語音信息，語音信息在語音處理模塊中經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換、壓縮編碼后，形成的數(shù)據(jù)流通過北斗處理模塊封包后，由北斗天線發(fā)送給收端用戶機(jī)，收端用戶機(jī)將接收數(shù)據(jù)經(jīng)北斗處理模塊拆包后，送聲音處理模塊對(duì)語音壓縮碼流進(jìn)行解碼，最后經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換還原成模擬語音由聽筒輸出。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下面分模塊介紹系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。

2.1 北斗處理模塊

2.1.1 基帶處理單元

基帶處理單元負(fù)責(zé)對(duì)接收的發(fā)射與接收?；鶐幚韱卧山邮胀ǖ篮桶l(fā)射通道組成，衛(wèi)星信號(hào)通過天線進(jìn)入射頻模塊，采用2次變頻，最后輸出兩路相位相反的零中頻信號(hào)[1]，經(jīng) A／D（芯片AD9288）采樣后，F(xiàn)PGA（芯片EP2C50F484IN）根據(jù)信號(hào)格式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步以及譯碼[2]，接收通道具有30dB的自動(dòng)增益控制。發(fā)射通道由FPGA對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)按格式要求進(jìn)行卷積編碼，并擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)射頻模塊一次變頻，并放大，由天線發(fā)射出去，最大功率輸出≥10W.其FPGA接口電路連接如圖2所示。

圖2 FPGA接口電路連接

2.1.2 顯控單元

采用TFT－LCD彩屏，按鍵及顯示觸摸屏都與ARM9連接，顯控單元顯示操作界面，方便人機(jī)交互。

信息處理單元主要由CPU、SDRAM以及NAND FLASH構(gòu)成，負(fù)責(zé)底層數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)各個(gè)單元之間的信息交互。信息處理單元采用微處理器S3C2440A[3]，是一款為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的微處理器，其外圍接口如圖3所示。采用2片64MB的SDRAM組成128MB的內(nèi)存，芯片型號(hào)為K4S511632C.采用128M字節(jié)的NAND FLASH芯片K9F1G08U08，實(shí)現(xiàn)開機(jī)即從NAND FLASH啟動(dòng)。

圖3 ARM9外圍接口框圖

2.2 聲音處理模塊

語音處理模塊實(shí)現(xiàn)模擬語音的數(shù)字化壓縮。語音處理模塊的 DSP 采用芯片TMS320VC5505[4]，工作主頻為100MHz，是 TI公司推出的極低功耗芯片，該芯片可提供高達(dá)320 KB的片上存儲(chǔ)器以及多個(gè)集成外設(shè)，完成數(shù)字語音編、解碼算法，以及完成與ARM9（S3C2440A）之間的接口功能。 A／D、D／A 采 用TMS320AIC23B芯片，該芯片具有雙路可編程低功耗語音編解碼功能，16bit，線性PCM。圖4為語音處理模塊接口電路連接圖。

圖4 語音處理模塊接口電路連接

2.3 外設(shè)接口

外設(shè)接口主要有話筒、聽筒，與語音處理模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)模擬語音的輸入、輸出。話筒模擬語音信號(hào)輸入峰峰值≤1.414V，模擬語音信號(hào)輸出給聽筒的峰峰值≤3.0V.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

北斗數(shù)據(jù)傳輸有頻度限制，即一次通信完成要等待一段時(shí)間才能再次通信，每次通信的字節(jié)數(shù)也有限制，而一般的語音信息都超過字節(jié)數(shù)限制。為了解決上述限制問題，并且保證每段話的連續(xù)性，系統(tǒng)通話采用對(duì)講機(jī)模式，即語音輸入為分段輸入。每段語音在語音處理模塊進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行高度壓縮，然后北斗處理模塊將壓縮后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文件，每個(gè)文件代表一段語音信息。北斗處理模塊再將文件分包發(fā)送，收端用戶機(jī)接收到數(shù)據(jù)后再組包還原成文件，文件再經(jīng)語音處理模塊解碼，D／A轉(zhuǎn)化后送給外設(shè)輸出。

所以，北斗語音通信軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于北斗語音文件傳輸。下面從發(fā)、收兩端分別說明北斗語音通信工作流程。

3.1 發(fā)端流程

發(fā)端工作流程圖如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：開始傳輸文件時(shí)，發(fā)端先通信申請(qǐng)，將文件名及文件大小發(fā)給收端，然后等待收端回復(fù)的文件名確認(rèn)指令以執(zhí)行下一步操作。如果在一個(gè)服務(wù)頻度的時(shí)間間隔內(nèi)沒收到確認(rèn)，發(fā)端應(yīng)再次發(fā)送通信申請(qǐng)，沒收到回復(fù)指令，就不能進(jìn)行下一步操作。收到文件名確認(rèn)后，轉(zhuǎn)步驟2執(zhí)行。

步驟2：收到文件名確認(rèn)后，發(fā)端將文件分包按頻度間隔逐個(gè)發(fā)送。發(fā)完轉(zhuǎn)步驟3執(zhí)行。

步驟3：文件包都發(fā)送完畢后再次等待收端回復(fù)的文件包確認(rèn)指令以執(zhí)行下一步操作。如果在一個(gè)服務(wù)頻度的時(shí)間間隔內(nèi)沒收到確認(rèn)，再次發(fā)送尾包，發(fā)送次數(shù)累加，如果發(fā)送次數(shù)大于設(shè)定值n，則認(rèn)為該次文件傳輸失敗，傳輸停止。收到文件包確認(rèn)后，轉(zhuǎn)步驟4執(zhí)行。

步驟4：收到文件包確認(rèn)后，根據(jù)文件包確認(rèn)信息查詢文件是否收全，收全則給出文件傳輸完畢提示，未收全則將未收到的文件包再次發(fā)送，然后回到步驟3執(zhí)行。

圖5 發(fā)端工作流程圖

3.2 收端流程

收端用戶機(jī)工作流程圖如圖6所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟1：收端用戶機(jī)接收到電文信息，根據(jù)電文信息頭判斷電文類型，根據(jù)不同電文類型轉(zhuǎn)相應(yīng)步驟（步驟2、步驟3、步驟4）執(zhí)行。

步驟2：普通北斗電文走普通電文處理流程。

步驟3：若是文件名電文，則提醒用戶有北斗語音文件申請(qǐng)傳輸，由用戶操作是否同意接收。拒絕則流程結(jié)束，否則要求用戶設(shè)置保存路徑與文件名，確定后回復(fù)文件名確認(rèn)信息。

步驟4：若是文件包電文，則先判斷是否有文件在等待接收。沒有就直接結(jié)束流程，有則判斷該文件是否已收到過。未收過就將數(shù)據(jù)保存在緩沖區(qū)中，標(biāo)記為已收，轉(zhuǎn)步驟5執(zhí)行；收過直接跳到步驟5執(zhí)行。

圖6 收端用戶機(jī)工作流程圖

步驟5：判斷收到的文件包是否是尾包，不是則該次流程結(jié)束；是則統(tǒng)計(jì)接收狀態(tài)，給發(fā)方回復(fù)接收狀態(tài)信息，然后再根據(jù)接收狀態(tài)信息判斷文件是否收全，未收全則該次流程結(jié)束，收全就給出文件接收完畢提示。

4 語音通話測(cè)試結(jié)果

用2部“北斗一代”手持用戶機(jī)（1＃機(jī)和2＃機(jī)），采用30s的頻度卡進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。分開兩地，核對(duì)好時(shí)間，結(jié)果如表1.

從表1可以看出，利用“北斗一代”用戶機(jī)在不影響其正常的定位等功能的情況下，實(shí)現(xiàn)了語音通信功能。

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

在音頻信號(hào)高質(zhì)量壓縮的基礎(chǔ)上，利用北斗通信信道實(shí)現(xiàn)北斗用戶機(jī)語音通信功能。該設(shè)計(jì)已在新型北斗用戶機(jī)中實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期要求。新型北斗用戶機(jī)可在包括近海漁船間，艦船間，以及陸上應(yīng)急指揮等方面實(shí)現(xiàn)語音通信，豐富北斗用戶機(jī)在各個(gè)科研領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。隨著對(duì)北斗語音通信技術(shù)研究的進(jìn)一步加深，其應(yīng)用將擴(kuò)展到漁船通訊、艦隊(duì)指揮、抗震、抗洪指揮等更加寬廣的領(lǐng)域。

[1]李大為.Windows CE工程實(shí)踐完全分析[M].北京：中國電力出版社，2008.

[2]汪 兵.Windows CE嵌入式高級(jí)編程及其實(shí)例詳解[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[3]普羅基斯.數(shù)字通信[M].張力軍，等譯.4版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

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[6]普羅基斯.數(shù)字信號(hào)處理[M].方艷梅，等譯.4版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.