对讲机模转数的关键技术与具体实现

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目前,专业无线通信领域中的对讲机及转信台产品仍大多采用模拟通信技术,这与公众无线通信在十几年之前就已广泛采用数字通信技术形成鲜明对比。究其原因,主要在于模拟对讲机及转信台产品在过去已能满足人们对专业对讲功能的大部分需求。但是,随着信息化时代的发展,人们日益迫切地要求对讲机具有诸如话音加密、数据传输、远程监控、联网调度等功能,而且要求进一步提高无线频谱的利用率(信道间隔由过去的25kHz到现在的12.5kHz以及6.25kHz),数字通信技术在对讲机及转信台等相关产品中的应用也就迫在眉睫了。

一、概述

根据工业和信息化部在2009年12月12日发布的《工业和信息化部关于150MHz 400MHz 频段专用对讲机频率规划和使用管理有关事宜的通知》(称为“666号文件”),我国自2011年1月1日起,停止对该频段内模拟对讲机设备的型号核准,并自2010年1月1日起的6年内完成模拟对讲机向数字对讲机的过渡;同时规定“150MHz、400MHz专用对讲机信道间隔由25kHz调整为12.5kHz,每信道可安排一或两个时隙;其中,150MHz频段双频使用方式收发频率间隔为5.7MHz,400MHz频段双频使用方式收发频率间隔为10MHz。”

目前,我国尚未确立相关的数字对讲机行业标准,因此就给我国对讲机行业的各个企业掌握数字对讲机的若干关键技术创造了时机。但是,纵观我国模拟对讲机产业的相关企业,除了个别企业在几年前就已经开始研发数字对讲机之外,大部分公司并不具备研发数字对讲机关键技术的条件。

本文旨在通过介绍数字对讲机中的关键技术以及一种由模拟对讲机改造升级为数字对讲机的实现方案,来供我国其他相关企业研发或生产数字对讲机提供借鉴之用。

二、数字对讲机中的关键技术

在传统的模拟对讲机中,传输的话音信息是模拟话音信息,基带带宽范围是300Hz~3400Hz,调制方式采用FM,接收端采用超外差式接收机结构,信道间隔是25kHz或12.5kHz。而在数字对讲机中,关键技术主要包括以下几项：1)低速话音编码技术(简称为“声码器技术”);2)数字调制解调技术;3)信道编解码技术;4)无线通信协议栈相关技术。通信过程中的信息流如下图所示：

图1 数字对讲机中的话音信息流程示意图

上图中,话音的加解密功能是可选的,而且根据用户对加密强度的不同需求也可以实现不同的加密方式。

以下分别介绍上述的四项关键技术。

1、低速话音编码技术(以下简称声码器技术)

所谓话音编码技术是指将模拟话音信号经过采样、量化和编码之后以“数字信号”形式所保存的人类话音信息。衡量话音编码技术的好坏主要在于对话音进行编码然后又经过译码之后的话音的清晰度和自然度,业界公认采用MOS分来评价某种编码方式的优劣。

话音编码技术主要分为两类：波形编码和参数编码,前者是直接对模拟的话音波形进行编码(如：A律或u律的PCM编码)而后者则是人们基于声道数学模型所进行的编码(如：GSM标准中所采用的话音编码技术)。

由于目前专业无线通信系统的信道间隔仅为25kHz或12.5kHz,实际用于无线传输的带宽更窄,无线传输速率也就较低,因此这就要求采用低速话音编码技术,诸如GSM系统中所采用的13kbps的话音编码技术显然无法在数字对讲机中使用。从本质上来说,低速话音编码技术是一种利用话音的冗余度而进行的信息压缩技术。目前,已为业界所认可的低速话音编码技术包括DVSI公司的AMBE技术(主要产品包括AMBE-1000、AMBE-2000和AMBE-3000及相关软件产品)和国内某些单位所研制的声码器技术,这些技术已经可以实现600bps、1.2kbps、2.4kbps、3.6kbps和4.8kbps的低速声码器。

2、数字调制解调技术

数字调制解调技术主要有ASK、FSK、PSK和QAM几大类。衡量这些调制技术的指标主要是频率效率和功率效率。由于FSK相关技术具有“恒包络”之特性,故其具有高的功率效率,这对于依赖电池供电的对讲机产品来说尤为重要。

目前,专业无线通信中采用的FSK调制技术主要是MSK、GMSK、2FSK和4FSK几种,其中MSK和GMSK是两种特殊的2FSK技术。MSK是最小频移键控调制技术,其信号相较普通的FSK信号具有相位连续性。GMSK则是在MSK的基础上通过引入Gaussian滤波器而进一步降低信号带宽的调制方式。

在实际应用中,MSK信号一般用于传输低速数字信号,而GMSK则已在GSM公众无线系统和TETRAPOL、AIS等专业无线通信系统中获得广泛应用。4FSK调制技术则在最近的ETSI之DMR/dPMR标准中获得应用。

目前已研制成功的数字对讲机中,主要采用了两种调制解调方式：GMSK和4FSK调制解调技术。

3、信道编解码技术

如前所述,声码器技术主要利用话音信息的冗余度而进行信息压缩,而信道编码则是通过增加冗余度来对抗无线信道引入的误码。常用的信道编码方式主要有分组编码和卷积编码两种,它们适用的场合各不相同,对于短的信息帧结构来说比较适合采用分组码,而当信息帧长度达到几百甚或几千比特时,卷积编码则更有优势。

在无线数字对讲机技术中,由于主要业务是话音信息而话音帧一般都是短帧,因此我们公司目前主要采用分组码的编码方式来对抗无线信道误码。

4、无线通信协议栈相关技术

在传统的模拟对讲机中,通信双方很少有复杂的信令传输和交互,只有简单的模拟或数字亚音频信令系统。而在数字对讲机中,情形则完全不同,通信双方可进行复杂的信令交互来完成以前模拟对讲机根本不可能实现的功能,这就是无线通信协议栈所应完成的主要任务。

目前,数字对讲机产品中已经实现的功能包括通话双方ID的传输和显示、单呼、组呼、全呼、话音加密、远程监控等。

三、已研制成功的数字对讲机技术方案介绍

在将模拟对讲机升级为数字对讲机时,设计方案主要遵循如下几个原则：

Ø 模拟信号与数字信号自动识别、自动适应;

Ø 传输速率尽量低,使得无线通信距离优于或等于相同条件下的模拟对讲机之无线通信距离;

Ø 占用的信道带宽尽量小,使得现有的模拟转信台不作改动或稍作改动即可实现对数字对讲机信号的转发,以进一步扩大无线通信距离;

Ø 话音质量的清晰度要好,自然度可以较模拟话音稍差;

Ø 在将模拟对讲机改造升级为数字对讲机时简单易行,只需必要的音频信号和控制信号即可而无须更改原模拟对讲机电路;

Ø 数字话、模拟话自适应兼容,原有的模拟对讲机仍然可以与改造后的数字对讲机进行通信。

基于上述原则,可考虑下述数字对讲机设计方案：

图2 模拟对讲机升级为数字对讲机的实现框图

从上图可以看出,设计方案中,除了可以实现数字对讲机的功能之外,还具有以下功能：

Ø 实时录音,录音时间长达75分钟,可查询什么时刻开始通话及讲话双方的ID号;

Ø 利用加速度传感器实现倒地报警;

Ø 数字话音、模拟话音自适应功能。

上述方案已成功地应用于MOTOROLA的GP328/GP338系列模拟对讲机升级为数字对讲机。同时,改造升级之后的数字对讲机和MOTOROLA的MOTOTRBO(DMR)对讲机进行了对比测试,测试结果表明：在相同的条件下,改造的数字对讲机无论在话音质量还是在无线通信距离上均不逊于MOTOTRBO对讲机,在无线通信距离上甚至略优于MOTOTRBO对讲机。

四、结束语

我国的数字对讲机产业随着工信部“666号文件”的发布而刚拉开帷幕,作者真诚希望我国的广大对讲机生产厂家能够及早掌握数字对讲机的关键技术,从而为我国最终确定具有自主知识产权的数字对讲机标准奠定产业基础,推动我民族产业技术提升。