中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系 劉振安 田剛 王岐杰 徐向東
一、 系統(tǒng)的提出及功能
目前我國(guó)鐵路交通中的通信主要通過(guò)無(wú)線通信設(shè)備組成。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在目前新建的鐵路中，山區(qū)鐵路占了很大比重。由于在這些特殊的地理環(huán)境下，無(wú)線信號(hào)的傳輸受到很大干擾，因此，采用有線信號(hào)傳輸是一種比較合理經(jīng)濟(jì)的通信方式。
在我國(guó)現(xiàn)有的鐵路通信系統(tǒng)中，大部分采用類似于電話線路的純模擬信道傳輸方式，這就不可避免地帶來(lái)設(shè)備臃腫、傳輸能力不強(qiáng)及抗干擾性能差等許多弊病。數(shù)字處理系統(tǒng)由于其可靠性高、可編程性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而廣泛地應(yīng)用于通信、航空和儀表等各個(gè)領(lǐng)域。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字化進(jìn)程的不斷提高，數(shù)字通信系統(tǒng)的開發(fā)已成為大勢(shì)所趨�；谝陨显�，我們提出了互控電臺(tái)的設(shè)計(jì)方案。
一般的鐵路車站電臺(tái)下掛著很多互控電臺(tái)，當(dāng)處于比較復(fù)雜的地形時(shí)，車站電臺(tái)的信號(hào)無(wú)法直接傳到機(jī)車電臺(tái)，這時(shí)就需要互控電臺(tái)來(lái)充當(dāng)媒介�；タ仉娕_(tái)的主要任務(wù)是把車站電臺(tái)傳來(lái)的信號(hào)，在條件惡劣的地形下，以有線信號(hào)方式傳輸，當(dāng)經(jīng)過(guò)復(fù)雜地形后，再以無(wú)線信號(hào)的形式發(fā)給機(jī)車電臺(tái)�；蛘呦喾�，由機(jī)車電臺(tái)發(fā)給車站電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。每個(gè)互控電臺(tái)都有一定的控制范圍，當(dāng)機(jī)車電臺(tái)運(yùn)行到互控電臺(tái)（A）的覆蓋范圍時(shí)，通過(guò)互控電臺(tái)（A）與車站電臺(tái)通信，機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行進(jìn)入互控電臺(tái)（B） 的覆蓋范圍內(nèi)，則通過(guò)互控電臺(tái)（B）與車站電臺(tái)相互通信。
該系統(tǒng)不同于以往的模擬傳輸系統(tǒng)，而是采用在通話終端一級(jí)進(jìn)行數(shù)字化處理（所謂的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊），即先將語(yǔ)音信號(hào)數(shù)字化，而后將此信號(hào)調(diào)制在模擬信道（鐵路專用電纜中的兩條信號(hào)線）傳輸，在接收端對(duì)數(shù)字信號(hào)解調(diào)以還原為模擬信號(hào)。為此，必須要求使用合適的調(diào)制解調(diào)算法及相應(yīng)芯片。為了滿足通話的質(zhì)量和速度，必須采用一種合理高效的語(yǔ)音壓縮編解碼算法。由于使用的是專用的電纜線，所以在通信過(guò)程中的外地形或者大氣中其他信號(hào)的干擾可以忽略不記，但是要特別注意調(diào)制解調(diào)器的速度和經(jīng)過(guò)編碼的語(yǔ)音的數(shù)字信號(hào)的傳輸速度必須匹配，否則會(huì)產(chǎn)生通話信號(hào)錯(cuò)誤、通話中斷、回音、通話非實(shí)時(shí)性等不良的結(jié)果。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該注意應(yīng)用一些已開發(fā)系統(tǒng)的成熟技術(shù)來(lái)達(dá)到縮短開發(fā)時(shí)間和提高開發(fā)效率的目的。比如在語(yǔ)音的模擬量化和模擬還原及采樣環(huán)節(jié)中，一些已經(jīng)成熟的現(xiàn)有設(shè)備可以整體組合進(jìn)入最終的系統(tǒng)中，不必要進(jìn)行新的開發(fā)和調(diào)試。所以，適當(dāng)?shù)乇容^選擇語(yǔ)音編碼和調(diào)制解調(diào)算法，對(duì)相應(yīng)芯片性能進(jìn)行評(píng)估和選擇，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)芯片的控制，并將各個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)組合成為性能良好的系統(tǒng)，是該通信系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想。
本文主要討論的就是有線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它主要完成語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字化，語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)的編解碼，數(shù)字信號(hào)的調(diào)制解調(diào)傳輸?shù)确矫妗?/P>
二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
該系統(tǒng)的基本性能要求包括以下幾點(diǎn)：(1)能在弱場(chǎng)區(qū)代替中繼器實(shí)現(xiàn)正常的無(wú)線列調(diào)通信；(2)傳輸?shù)碾娎|使用的是現(xiàn)在鐵路通用的標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜，采用4線與車站電臺(tái)相連，其中兩線用于互控電臺(tái)的供電，另外兩條用于傳輸控制信號(hào)與數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)；(3)設(shè)備應(yīng)采用先進(jìn)的語(yǔ)音處理技術(shù)，傳輸距離能達(dá)到15公里以上，沿線無(wú)需任何數(shù)據(jù)中繼設(shè)備；(4) 采用的數(shù)據(jù)傳輸模塊，應(yīng)具有如下性能：語(yǔ)音壓縮解壓及數(shù)字化處理，數(shù)字化語(yǔ)音調(diào)制解調(diào)功能，全雙工工作，數(shù)據(jù)傳輸具有一定的糾錯(cuò)功能等；(5)機(jī)車電臺(tái)越區(qū)時(shí)要實(shí)現(xiàn)無(wú)縫隙切換，同一時(shí)刻只能有一個(gè)互控電臺(tái)工作，但是，互控臺(tái)本身可以一直接受信號(hào)并處理，只要數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)不沖突，即從互控電臺(tái)（A）轉(zhuǎn)向互控電臺(tái)（B）時(shí)，實(shí)現(xiàn)通話不斷音；(6) 由于從基地臺(tái)傳來(lái)的信號(hào)包括控制信號(hào)和語(yǔ)音信號(hào)，所以應(yīng)把語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和壓縮處理，而控制信號(hào)是以不同的頻率來(lái)選擇互控電臺(tái)、機(jī)車電臺(tái)以及要發(fā)送信號(hào)的類型，因此，如果進(jìn)行壓縮處理，小小的偏差都會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的錯(cuò)誤，所以控制信號(hào)要單獨(dú)發(fā)送，以亞音頻信號(hào)（低于300Hz的頻率）的形式發(fā)送。應(yīng)選擇合適的方式傳輸，處理這兩種信號(hào)。
三、系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理
因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要的技術(shù)點(diǎn)都在互控電臺(tái)的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊里，所以，著重討論有線數(shù)據(jù)傳輸模塊的構(gòu)成及基本原理。
有線數(shù)據(jù)傳輸模塊應(yīng)包括語(yǔ)音信號(hào)采集模塊、語(yǔ)音壓縮模塊和調(diào)制解調(diào)傳輸模塊，它們之間的聯(lián)系如圖1所示。
圖1 有線數(shù)據(jù)傳輸模塊示意圖
（一）語(yǔ)音信號(hào)采集模塊
語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)濾波和采樣后，由A/D變換器變換為二進(jìn)制字碼。A/D變換器分為線性和非線性兩類。目前采用的線性A/D變換器絕大部分采用線性變換。在語(yǔ)音信號(hào)中，樣本幅度值本身并非均勻分布，出現(xiàn)小信號(hào)樣值的概率比出現(xiàn)大信號(hào)樣值的概率要大得多。況且人耳對(duì)語(yǔ)音信號(hào)感知也是呈類對(duì)數(shù)性規(guī)律的，因此可以讓量化區(qū)間在小信號(hào)時(shí)取得較小，而在大信號(hào)時(shí)取得較大，就可以既提高了量化信噪比，又保證了足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，使大信號(hào)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象。
（二）語(yǔ)音數(shù)字信號(hào)壓縮模塊
64kbit/s的PCM信號(hào)發(fā)出后，由于占用較大的帶寬，因此需要對(duì)采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。語(yǔ)音的數(shù)字化有不同的方式，而不同的處理角度和方法就形成了不同的語(yǔ)音編碼技術(shù)。用于通信傳輸?shù)恼Z(yǔ)音編碼系統(tǒng)的框圖如圖2所示。
在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，采用ADPCM和CELP混合進(jìn)行語(yǔ)音的采樣量化以及壓縮編碼是十分可行的，而且據(jù)調(diào)查所知，目前世界上比較成熟的數(shù)字移動(dòng)通信產(chǎn)品絕大多數(shù)都是利用類似的技術(shù)組合。但后來(lái)發(fā)現(xiàn)這種混合的組成系統(tǒng)的方法并不適用于該項(xiàng)目。在對(duì)許多現(xiàn)有技術(shù)和相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較和鑒別之后，最終選擇了Digital Voice Systems, Inc公司的獨(dú)立于ITU.T的G.7語(yǔ)音信號(hào)采集模塊主要處理以下工作：預(yù)濾波、采樣和A/D變換。在此項(xiàng)目中所使用的數(shù)字信號(hào)編解碼器就是能夠把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，或反過(guò)來(lái)把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)。
預(yù)濾波的目的有兩個(gè)：（1）抑制輸入信號(hào)各頻預(yù)分量中頻率超出fs/2的所有分量（fs為采樣頻率），以防止混疊干擾。（2）抑制50Hz的電源干擾。預(yù)濾波器必須是一個(gè)帶通濾波器，其上、下截頻分別是3400Hz和300Hz。
先將人的語(yǔ)音轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)采樣環(huán)節(jié)將其數(shù)字化。人的語(yǔ)音頻帶決定了我們選擇的采樣頻率。根據(jù)采樣定理，采樣頻率ωm≥2ω(所采樣信號(hào)的最大頻率)，所以我們的采樣頻率ωm應(yīng)為2x3400Hz=6800Hz,約為7kHz。但是根據(jù)CCITT的長(zhǎng)途通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，目前各國(guó)一般采用的聲音采樣頻率為8kHz；所以，為了將來(lái)系統(tǒng)與其他通信設(shè)備交流的方便，最終采樣頻率確定為8000Hz。采樣的結(jié)果用1字節(jié)（8位）數(shù)據(jù)表示，所以其最終的輸出的信號(hào)速率為64kbit/s。需要指出的是，目前各個(gè)專用于音頻采樣的A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號(hào)均為64kbit/s的PCM信號(hào)，因?yàn)槠湔Z(yǔ)音質(zhì)量很好，可以還原為十分逼真的語(yǔ)音。
2X系列標(biāo)準(zhǔn)的AMBE語(yǔ)音編解碼算法，其性能完全滿足各個(gè)性能指標(biāo)。AMBE 算法的性能如下，比特率為4kbit/s，編碼質(zhì)量可以達(dá)到4.3左右，采用多波段激勵(lì)編碼，消除了冗余的糾錯(cuò)信號(hào)，完全滿足性能要求。尤其值得提到的是該公司已經(jīng)開始發(fā)布AMBE1000+系列語(yǔ)音編解碼芯片，隨時(shí)可以得到及時(shí)的貨源和高質(zhì)量的技術(shù)支持。
圖2 語(yǔ)音編碼系統(tǒng)框圖
在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于AMBE1000系列語(yǔ)音編解碼芯片并沒(méi)有像其他公司那樣集成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所以必須為語(yǔ)音的量化和還原環(huán)節(jié)采用合適的A/D-D/A轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的濾波處理環(huán)節(jié)。
（三）數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)傳輸模塊
該系統(tǒng)的另一個(gè)重要的組成部分是載波通信系統(tǒng)，也就是模擬信道的數(shù)字信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)。為了使在傳輸?shù)倪^(guò)程中盡量避免偶然性誤碼的累積影響和脈沖干擾引起的群誤碼，在目前信道媒介材料基本確定的情況下，選擇合適和經(jīng)濟(jì)的數(shù)字信號(hào)傳輸方案尤為重要。
數(shù)字信號(hào)的傳輸方式主要有兩種，一種是基帶傳輸，一種是載波傳輸�；鶐鬏斨饕獞�(yīng)用于距離不太長(zhǎng)，影響因素不太多的情況之下。在長(zhǎng)距離的情況下，與一般的傳輸介質(zhì)相適應(yīng)，一般都不能直接傳送基帶信號(hào)，必須用基帶信號(hào)對(duì)載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶信號(hào)的變化而變化，即所謂的調(diào)制，與此相反，稱之為解調(diào)。因?yàn)閿?shù)字調(diào)制是用載波信號(hào)的某些離散狀態(tài)來(lái)表示所表達(dá)的信息，在接收端也只要對(duì)載波信號(hào)的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測(cè)。因此，數(shù)字調(diào)制信號(hào)又稱之為鍵控信號(hào)。
在二進(jìn)制情況下，主要有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等三種方式。其中，頻移鍵控在目前得到了最廣泛的應(yīng)用。
相位調(diào)制由于占用頻帶少、抗噪聲性能好、抗衰落能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N調(diào)制方式。但是經(jīng)過(guò)我們的實(shí)際分析和實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在目前的系統(tǒng)中采用相位調(diào)制是不可取的。
從以上得知，最終選擇的傳輸速率為9.6kbit/s，在這種相對(duì)中低速的傳播速率上，基于FSK發(fā)展起來(lái)的MSK（最小頻移鍵控）尤其是GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）方案有很好的應(yīng)用范圍。其基本原理是采用高斯型低通濾波器對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行平滑預(yù)處理，調(diào)制后的信號(hào)相位在碼元轉(zhuǎn)換時(shí)刻不僅連續(xù)而且變化平滑，從而達(dá)到改善頻譜特性的目的。
GMSK在中低速傳輸時(shí)，有著和PSK相近的抗衰落性能和更高的抗干擾特性，具有調(diào)制速度更快，實(shí)現(xiàn)更方便，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，集成度高等優(yōu)點(diǎn)，而且目前在移動(dòng)通信和圖像傳輸以及語(yǔ)音的低碼率傳輸中得到最廣泛的使用。所以，再經(jīng)過(guò)對(duì)貨源市場(chǎng)等因素經(jīng)過(guò)考慮，我們最終確定了CML公司的FX系列的調(diào)制解調(diào)芯片為傳輸?shù)恼{(diào)制環(huán)節(jié)。FX系列調(diào)制解調(diào)芯片提供幀的傳送方式，提供FEC（前向誤碼糾正）和CRC（誤碼檢測(cè)）等保障，有力地保證了聲音數(shù)據(jù)的正確傳輸。在傳輸命令或者狀態(tài)信息時(shí)，需要的誤碼率低而且并不需要很高的傳輸速度，為保證傳輸質(zhì)量，選用了9.6kb/s的GMSK FX909A作為調(diào)制解調(diào)器。
