基于ARM的ROIP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

裴學(xué)武

（青島科技大學(xué)，山東青島 266042）

0 引言

無線電對講機(jī)作為最早被人類使用的無線移動通信設(shè)備，早在20世紀(jì)30年代就開始得到應(yīng)用。在經(jīng)過幾十年的發(fā)展后對講機(jī)的應(yīng)用已十分普遍，已從專業(yè)化領(lǐng)域走向普通消費(fèi)，從軍用擴(kuò)展到民用，在處理緊急突發(fā)事件中，在進(jìn)行調(diào)度指揮中其作用是其它通信工具所不能替代的。

但無線通訊距離受到大氣、障礙物的阻礙而傳輸不可能太遠(yuǎn)，傳統(tǒng)方法也無法做到太遠(yuǎn)距離傳輸， ROIP是將無線電所承載的語音信號通過IP網(wǎng)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N技術(shù)。它要解決的主要問題是實(shí)時性和PTT信號的無錯誤傳輸，從而解決無線電傳輸中受發(fā)射功率、天線靈敏度等約束傳輸距離的難題，不但實(shí)現(xiàn)了超長距離無中繼互聯(lián)的目的，同時可以組成小功率分布式對講機(jī)信號覆蓋系統(tǒng)。從而實(shí)現(xiàn)ROIP語音通信的方式，徹底解決了大范圍、遠(yuǎn)距離、跨城市無線對講難題。

1 ROIP的技術(shù)原理

ROIP（Radio Over IP）技術(shù)主要是指從無線電臺上發(fā)出的語音信號不是選擇傳統(tǒng)的電磁波在空氣中傳播，而是通過Internet實(shí)時傳送語音信號。其基本原理是通過語音壓縮算法對話音進(jìn)行壓縮編碼處理。然后把這些語音數(shù)據(jù)按IP等相關(guān)協(xié)議進(jìn)行打包，經(jīng)IP網(wǎng)絡(luò)或Internet把數(shù)據(jù)報(bào)傳輸?shù)侥康牡?，再把這些語音數(shù)據(jù)包串起來，經(jīng)過解碼解壓處理恢復(fù)成原來的語音信號，從而達(dá)到由IP網(wǎng)絡(luò)傳送話音的目的。

2 ROIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 總體構(gòu)成

如圖1所示，音頻信號通過AC97芯片的數(shù)據(jù)處理后通過串口發(fā)送給CPU，CPU接收數(shù)據(jù)并通過網(wǎng)卡驅(qū)動傳送到網(wǎng)口，網(wǎng)關(guān)主要由ARM最小系統(tǒng)、音頻解碼模塊以及電臺接口模塊組成。

2.2 ARM微處理器系統(tǒng)

微處理器系統(tǒng)是ROIP網(wǎng)關(guān)的核心單元，是系統(tǒng)主體程序的載體，負(fù)責(zé)不同功能協(xié)議棧的正常運(yùn)行和各分系統(tǒng)模塊的管理控制，本設(shè)計(jì)中選用三星的s3c2440微處理器。

圖1 ROIP網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件架構(gòu)示意圖

2.3 音頻解碼模塊

通常的語音信號經(jīng)采樣編碼成PCM語音流后帶寬為64 Kb/s，如此高的帶寬如直接接入到IP網(wǎng)絡(luò)勢必會造成網(wǎng)絡(luò)資源的極大浪費(fèi)，如并發(fā)數(shù)過多會引起網(wǎng)絡(luò)鏈路的阻塞從而嚴(yán)重影響語音質(zhì)量。

音頻解碼模塊主要負(fù)責(zé)完成語音的壓縮解壓工作，將CODEC編碼后的PCM碼流經(jīng)過算法處理后變成帶寬極小的壓縮語音碼流，而語音質(zhì)量卻不會太大損傷。另外由于語音業(yè)務(wù)對實(shí)時性要求較高，需要對語音碼流封成合適IP網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腞TP包，使之具有較高的網(wǎng)絡(luò)傳輸優(yōu)先級。

本方案利用ARM微處理器自帶的AC97控制器單元，控制器發(fā)送立體聲PCM數(shù)據(jù)給編解碼器。編解碼器中的外部數(shù)模轉(zhuǎn)換其轉(zhuǎn)換音頻采樣到模擬音頻波形。控制器也從編解碼器接收立體聲PCM數(shù)據(jù)單聲道的MIC數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中，基于DMA操作和基于中斷操作，所有通道都僅支持16位采樣，壓縮算法采用G.729。

2.4 電臺接口模塊

電臺接口模塊主要實(shí)現(xiàn)兩個功能：一是對電臺/對講機(jī)的語音信號實(shí)現(xiàn)匹配、放大、采樣、編碼功能，將模擬的語音信號變成適合處理傳輸?shù)臄?shù)字信號，音頻轉(zhuǎn)換芯片采用OP279，將電臺出來的平衡信號轉(zhuǎn)換成適合網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆瞧胶庑盘?，并自帶電位器?shí)現(xiàn)音頻信號的放大，減小。

電臺接口模塊的另一個重要的功能是對對講機(jī)的控制和狀態(tài)信號實(shí)現(xiàn)操作，多個對講機(jī)同時只能有一路處于發(fā)送狀態(tài)，其它幾路只能處于收聽狀態(tài)，這就需要根據(jù)對講機(jī)的狀態(tài)對對講機(jī)進(jìn)行有效的控制，對講機(jī)主要的控制信號有PTT和COR，在對講機(jī)端，針對沒有COR信號輸出的手持對講機(jī)設(shè)備，將由對講機(jī)語音網(wǎng)關(guān)內(nèi)部通過對語音信號的處理產(chǎn)生VOX信號，作為對講機(jī)通信方式的狀態(tài)識別；而在網(wǎng)絡(luò)端，可以通過對RTP數(shù)據(jù)流的處理產(chǎn)生VOX信號。

2.5 軟件系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時性，軟件平臺選用了Linux，系統(tǒng)的軟件部分主要分為AUDIO,COM_232，DATABASE,G729A_ARM,THREADPOOL等模塊。各模塊功能描述如下：

AUDIO模塊：即對講機(jī)交換模塊，此模塊主要完成所有和對講機(jī)接口相關(guān)的配置。根據(jù)對講機(jī)端口的狀態(tài)變化，報(bào)告給應(yīng)用程序模塊相應(yīng)的事件。

COM_232模塊：此模塊主要完成對串口驅(qū)動功能，配置統(tǒng)一的串口波特率和校驗(yàn)位。

DATABASE模塊：此模塊主要是對各模塊數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和初始化讀取工作?？梢詫⒂脩魧ο到y(tǒng)進(jìn)行的配置通過此模塊保存起來，關(guān)機(jī)后下次啟動時，用戶不需要重新配置設(shè)備。此模塊將從Flash中讀取上次保存的信息，初始化各個模塊。

G729A_ARM模塊：G729語音壓縮算法，對高寬帶的PCM語音流進(jìn)行壓縮，方便在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

THREADPOOL模塊：線程池，支持多個線程同時工作，本設(shè)計(jì)需要語音發(fā)送和語音解碼同時進(jìn)行，這樣就可以實(shí)現(xiàn)高度實(shí)時性，提高了工作效率。

3 終端測試

(1)基本功能測試:用戶添加、刪除、修改、查找 ,重復(fù)多次進(jìn)行登錄/注冊和注銷等。

(2)系統(tǒng)健壯性測試:重復(fù)進(jìn)行各種模式呼叫、通話質(zhì)量測試。

(3)可靠性測試:通過對ROIP 終端施加一定的外界環(huán)境應(yīng)力如高溫、低溫、振動 ,或在呼叫通話過程中使用短信息等功能 ,以檢查產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)。

(4)音頻指標(biāo)測試:檢查或測試發(fā)送音頻靈敏度、振鈴響度、受話器響度、失真度、側(cè)音等。

(5) DC功耗指標(biāo)測試:關(guān)機(jī)電流、待機(jī)電流、通話電流、待機(jī)時間的測試。

測試結(jié)果：基于ARM的ROIP終端的基本功能正常，用戶接入建立延時平均值 T為 3 221.6 ms，遠(yuǎn)端電臺來話響應(yīng)時間小于 0.5 s，呼叫完成率達(dá)到 100 %，待機(jī)平均電流為 15 mA，通話平均電流為 295 mA。

4 結(jié)論

根據(jù)本設(shè)計(jì)的ROIP網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了電臺語音的IP接入功能，和對端的PC實(shí)現(xiàn)了語音通話，并且語音靈敏度可調(diào)，語音質(zhì)量優(yōu)秀，為各種語音通信設(shè)備之間的協(xié)同通信提供了硬件基礎(chǔ)，對于政府和企業(yè)的公共安全應(yīng)急通信平臺建設(shè)意義重大。

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