基于IP 的語音通信方案設計與實現(xiàn)

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

各種無線電臺從使用方式上來區(qū)分，可分為手持式、車（船、機）載式、固定式、轉(zhuǎn)發(fā)式等多種，各種電臺的通信頻率不盡相同，難以實現(xiàn)互相通信。即使同是手持式的對講機，消防專用對講機和公安專用對講機之間也不能靈活的實現(xiàn)語音通信。這種情況對于未來的公共安全協(xié)同通信來說，是一種致命的危機，需要尋找到一種可以解決的方式。

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和語音處理技術(shù)的不斷發(fā)展，一種基于IP 的語音通信方案已經(jīng)成為大勢所趨。

1 Roip 的定義及特點

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 實時傳送語音信號。

Roip 技術(shù)可以實現(xiàn)：

① 不同頻率電臺之間的相互語音通信；

② 無需升級無線電臺設備即可以建立起涵蓋小型到超大型的應急協(xié)同通信系統(tǒng)，大大減低了建設成本；

③ 語音不受電臺功率的限制，可以到達全球互聯(lián)網(wǎng)可以到達的地方；

④ 和電臺的對話對象不再局限于無線電臺，也可以是VOIP（Voice Over IP）網(wǎng)絡中的任意一個通信設備，如PSTN電話，軟電話，移動電話，衛(wèi)星電話等等。

圖1 所示的即為一個典型的Roip 通信系統(tǒng)。

2 Roip 技術(shù)的原理

Roip 技術(shù)作為VOIP 技術(shù)的一個分支，信息的傳輸都經(jīng)過了以下的過程：首先將模擬語音信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字PCM 信號，接著經(jīng)過特定的數(shù)字編碼后以特定的幀長進行壓縮編碼，送入網(wǎng)絡處理器為其添加包頭，時標和其他信息形成RTP 數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡傳送到目的地。最后到達目的地后ROIP 設備接收到這些數(shù)據(jù)包后進行處理，獲得PCM 信號，提供給解碼器，最終將數(shù)字信號還原成模擬語音信號從揚聲器輸出。Roip 網(wǎng)關(guān)在該系統(tǒng)的主要的工作有：A/D，D/A 信號轉(zhuǎn)換，數(shù)字PCM信號的IP 封包和解封包，對無線電臺的語音信號收發(fā)控制等等。除此之外，該網(wǎng)關(guān)還可以實現(xiàn)對講機的鍵盤DTMF 撥號等等高級功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)呼叫，在LAN 或者WAN 中，需要專門架設SIP 服務器或者H323 網(wǎng)守來建立連接。

3 ROIP 網(wǎng)關(guān)的硬件設計

3.1 總體構(gòu)成

如圖2 所示，網(wǎng)關(guān)主要由ADM5120 MIPS 微處理器、英飛凌PEB3342 DSP、低頻語音編解碼模塊、FPGA 邏輯控制系

統(tǒng)以及電臺接口模塊組成。

3.2 MIPS 微處理器系統(tǒng)

ADM5120 是整個嵌入式系統(tǒng)運行的CPU。負責各種協(xié)議棧的正常運行和各系統(tǒng)的管理控制，以及對從DSP 端輸入的語音PCM 數(shù)據(jù)的封包成為RTP 包，從網(wǎng)絡端接收到的RTP數(shù)據(jù)解包成為DSP 可識別的PCM 數(shù)據(jù)包。

本設計中選用的英飛凌ADM5120 微處理器，基于MIPS4Kc 內(nèi)核?？紤]到實際應用所采用的VxWorks 系統(tǒng)以及SIP協(xié)議棧的大小，本網(wǎng)關(guān)的設計選擇使用2 MB FLASH。又考慮到實際的程序都是在SDRAM 中進行，我們選擇使用2*8MB

SDRAM。

3.3 DSP 子系統(tǒng)

DSP 子系統(tǒng)主要負責完成語音編解碼工作。由于語音業(yè)務對實時性要求較高，則要求專用的語音編解碼芯片具有極高的處理能力。出于以后擴展性的需要，我們仔細選用了英飛凌公司的PEB3342 芯片。該型號芯片支持2 路電話模擬語音信號輸入，4 路PCM 信號輸入輸出以及2 路T.38 傳真應答。

雖然PEB3342 芯片可以進行語音的編解碼工作，但是為了能夠?qū)崿F(xiàn)各種類型的模擬語音信號的完美接入，以及PEB3342 本身的模擬語音輸入端口只適應電話SLIC 電路語音信號的原因，因此，在模擬信號和PEB3342 DSP 之間加入A/D，D/A 轉(zhuǎn)化電路成為一個理想的解決方案。我們采用了華邦科技的W681310 語音編解碼芯片，采用8KHZ 時鐘抽樣頻率，有A 律和U 律兩種量化方法。模擬語音信號經(jīng)過該編碼電路A/D 后再接入PEB3342，同樣PCM 信號從PEB3342 接口輸出通過D/A 轉(zhuǎn)化后可以還原成模擬信號輸出。

3.4 FPGA 子系統(tǒng)

對于ROIP 網(wǎng)關(guān)，F(xiàn)PGA 模塊主要負責的工作有多路語音信號的時分復用，電臺語音信號收發(fā)控制，數(shù)字信號收發(fā)控

制，靜噪，電臺語音靈敏度調(diào)節(jié)等。其主要信號如圖3 所示。

其中，COR 信號為無線電臺的發(fā)射指令信號；PTT 信號為手持機的發(fā)射指令信號；PCM in 是經(jīng)過W681310 編碼后輸

出的PCM 信號；PCM out 是FPGA 內(nèi)部經(jīng)過靜噪，F(xiàn)IFO 延遲后輸出的信號；時鐘信號為2 MHz；本子系統(tǒng)通過地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線連接到FPGA 外的CPU ADM5120。COR 信號檢測電路發(fā)出一段電平進入FPGA，模塊通過邏輯判斷該電平是否確實為電臺的COR 發(fā)射指令信號，如果是，則將電臺接口接通，模擬信號進入編碼模塊。如果判斷為噪音等原因造成的誤觸發(fā)，則選擇保持電臺接口的不導通狀態(tài)。PTT 信號是針對網(wǎng)絡端進入的PCM 信號做出判斷的，同理，如果是正常的語音數(shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)會發(fā)出PTT 指令信號提示對方接收。如果是噪音的誤觸發(fā)則不選擇發(fā)射導通。

通過本接口，可以自由設置電臺的收發(fā)靈敏度，使得本網(wǎng)關(guān)在低噪和高噪的環(huán)境下誤觸發(fā)事件大大降低。并且設置數(shù)據(jù)總線和控制總線為雙向的，還可以讀取到FPGA 內(nèi)部各線路的用戶信息。本系統(tǒng)的關(guān)鍵是各路信號處理流程中的時序關(guān)系要嚴格的符合PCM 信號的時序要求。為此要認真的分析經(jīng)過W681310 編碼后的PCM 波形，否則會影響語音質(zhì)量，

還要保證所有波形去除“毛刺”使正常工作。

3.5 電臺接口模塊

由于各種電臺功率差別很大，經(jīng)測試，如果電臺接口部分設計不當，會產(chǎn)生很大的噪音，語音電平“毛刺”現(xiàn)象非常嚴重，突發(fā)嘯叫以及回響都是用戶所不能忍受的。因此，在電臺接入部分要特別關(guān)注濾波器的設計。在模擬語音輸出部分，則需要加入放大器電路，以適應電臺的驅(qū)動功率要求。

4 結(jié)語

測試證明，文章所設計的Roip 網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)電臺語音的IP 接入功能，和對端的固定電話，移動電話，IP 電話等設備實現(xiàn)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)的公共安全應急通信平臺建設意義重大。