基于公網集群對講系統的應用與設計

李玉

（廣東佛山，528311）

0 引言

如今，人類已經跨越2G，3G時代，進入4G普及的社會，并開始向5G邁進。隨著科學技術不斷發展，尤其是在移動通訊領域已經取得了翻天覆地的變化，而且還在日新月異的不斷進步中，并不斷帶動各行各業的發展。對講機提供一對一，一對多的通話方式，一按就說，操作簡單，令溝通更自由，特別在緊急調度和集體協作工作的情況下，這些特點是非常重要的。

1 現有對講技術分類

■1.1 模擬對講機

傳統對講機是采用模擬通信技術設計的模擬對講機，它是將存儲的信號調制到對講機傳輸頻率上，進行模擬信號的發射、模擬信號的接收，以及信號的調制和解調等技術實現的。模擬對講機發展已經相當成熟，使用非常廣泛，價格也比較低廉。

但是模擬信號的發射和接收有距離限制，通信一般距離在10公里以內。再大一點范圍就需要架設中繼臺，這樣會造成成本上升，功耗加大。由于精度問題，其頻段利用率比較底。

■1.2 數字對講機

數字對講機的基本原理是先把模擬語音轉換成數字信號，然后調制到射頻上去，以數字編碼的形式進行傳播，在接收端，再對接收的數字信號進行解調，并轉換成模擬信號，放大輸出。數字對講機的出現節省了無線電頻譜，一般一個話音信道等效占用6.25kHzk帶寬，比一般模擬對講機省一半頻率。

但其依然有模擬對講機的缺點，即傳輸范圍受限制。并且需要專門的模塊在對模擬信號進行數字化轉換，以及對接收端進行信號解調的過程中，設計體積受限制，以及成本會有所增加。

■1.3 公網對講機

公網對講機是基于公網通訊的一種對講機。公網集群對講依托電信運營商網絡，即將語音信號轉換成數字信號，利用公網通訊介質進行信號傳輸，突破了傳統集群網絡覆蓋有限的瓶頸，實現了全國范圍內的互聯互通。

公網集群對講的通訊步驟如下：

步驟1，發射端接收到呼叫指令；

步驟2，發射端采集模擬語音信號，并將模擬語音信號轉換成數字信號；

步驟3，發射端利用公網將數字信號分包傳輸至服務器組網平臺；

步驟4，服務器組網平臺根據接收指令要求，將數字信號再分包傳遞給需要接收終端；

步驟5，接收端接收到數字信號后，對數字信號轉化成模擬信號；

步驟6，對模擬信號進行功率為運算放大，進行語音輸出；

步驟7，發射端接如果繼續收到呼叫指令，則重復上述步驟，否則停止信號傳輸。

上述通訊方式可以實現一對一或一對多點通訊傳輸。公網對講拓撲圖如圖1所示。

圖1

根據實現技術的不同，公網集群也對講分為很多種。本文討論基于POC（PTT Over Cellular）技術的一種公網集群對講系統，即可以通過一鍵通（Push-to-Talk），實現“一對一”或者“一對多”進行快速通話的公網集群對講系統。

2 公網對講機終端設計原理

公網對講機終端設計原理圖如圖2所示。

圖2

如上述原理框圖，公網對講終端包括MCU控制模塊，按鍵觸發請求模塊，編碼模塊，解碼模塊，通訊模塊，以及蜂鳴器，喇叭，天線等。

上述MCU控制模塊控制整個終端進行呼叫請求和對被呼叫語音播放，負責控制邏輯的運行；

按鍵觸發請求模塊包括PTT控制按鍵和組員選擇控制按鍵按鍵，當PTT控制按鍵按下時，觸發本機呼叫請求，松開PTT控制按鍵時，即請求呼叫結束，組員選擇控制按鍵可以選擇被呼叫的組員；

編碼輸入模塊用于對采集到的語音信號進行信號的輸入和編碼，編碼輸入模塊一般包含信號采樣部分，A/D轉換器，語音壓縮算法部分。信號采樣部分用于對輸入信號進行連續采集，A/D轉換器用于將模擬語音信號轉換成數字信號，而語音壓縮算法部分采用語音壓縮算法將采集到的信號進行壓縮處理；

解碼輸出模塊用于對呼入的語音信號進行解碼和輸出，解碼輸出模塊一般包括數據解碼部分，數據輸出部分，D/A轉換器，功率放大器等。數據解碼部分用于對輸入數據進行算法解碼，實現編解碼數據格式的統一，數據輸出部分以一定的頻率對解碼信號輸出，達到數據輸出速率一致，D/A轉換器用于將數字信號轉出成模擬信號，功率放大器用于對模擬音頻信號進行信號放大，從而實現語音信號輸出；

通訊模塊是一種具有無限數據傳輸能力的蜂窩型模塊，內部包含基帶芯片，射頻部分，存儲部分，通信接口部分等。通訊模塊種類很多，通信方式上可分為基于GPRS數據傳輸或CDMA的2G模塊，以及3G模塊,4G模塊和NB-IOT模塊等等。通訊模塊可利用公網信息通信平臺與后臺服務器連接，實現各個終端不限距離通信。

通訊模塊是以UDP和TCP協議方式進行遠程數據傳輸。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）和UDP（User Data Protocol，用戶數據報協議）是TCP/IP體系結構中的兩個傳輸層協議，它們使用IP路由功能把數據包發送到目的地,從而為應用程序及應用層協議提供網絡服務[1]。TCP是基于連接的協議。UDP是與TCP相對應的協議。UDP是面向非連接的協議，即不與對方建立連接，而是直接就把數據包發送過去。在進行選組，查詢，呼叫請求，呼叫停止等命令傳輸時，一般采用TCP方式傳輸；在進行語音呼叫和語音監聽時，一般采用UDP進行傳輸。

通訊模塊與MCU控制模塊采用UART或SPI方式進行雙向通訊。通訊格式是以數據包的方式進行傳輸，當終端PTT按下時，本機進行主叫呼出，MCU控制模塊將語音數據包發送給通訊模塊；當本機出現被叫時，通訊模塊將無線接收數據以數據包的形式發送給MCU主控模塊。

3 低速率語音通信

在基于公網集群對講系統中，由于傳輸的語音數據量比較多，需要傳輸數據精簡編解碼處理。低速率語音通信的好處如下：

(1）節省無線傳輸數據量，減少輸出傳輸占有帶寬。由于集群對講的終端數量比較大，語音通訊又是實時多點傳出，傳輸數據流量過多，不僅會造成網絡運輸的擁堵，也會有償費用的上升。

(2）減輕服務器端對海量數據處理的壓力。對于服務器平臺來說，不僅要存儲大量終端

數據和通訊數據，還要對傳輸的數據進行接收，中轉和發送。為了提高服務器數據處理效率，減少崩潰頻率，對語音數據的精簡壓縮至關重要。

需要低速率語音通訊方式也有很多種，MBE(多帶激勵)語音編碼技術是一種具有較高語音質量和強魯棒性的低速率語音編解碼技術。這種方法在頻域中按基音各個諧波頻率，將一幀語音的頻譜劃分多個頻帶，對每個頻帶作清，濁音判決[2]。DVSI 公司的 AMBE2000 就是這樣一種高性能、低功耗的實時語音編碼解碼芯片，它的壓縮率在2.0-9.6kbps 范圍內可以調節，并且它本身具備 FEC （前向糾錯）,VAD（語音激活檢測）和DTMF信號檢測功能[3]。

AMBE編解碼的語音數據處理芯片AMBE2000集成了語音編碼和解碼等功能，在編解碼速率和語音處理清晰度上比較適合公網對講系統的應用。語音傳輸結構圖如圖3所示。

AMBE2000編碼速率可以調節最小編碼速率可設到2kbps時，依然可以保持語音清晰傳輸。若設MCU取包周期為20毫秒，則每包為5個字節數。經過MCU主控緩沖，設緩沖時間為100毫秒，則通訊模塊每幀傳輸僅為25個字節數。經過測試，以上數據傳輸量對于一般服務器而言，能夠處理的終端數據達到100K臺以上。并能保證數據傳輸流暢，以及各個終端對不同組員的集群呼叫或者監聽響應及時，語音清晰。

圖3

4 結論

如今，各大通訊公司正在緊鑼密鼓布局5G市場，而通訊模塊的發展也越來越成熟、多樣且價格低廉，基于公網的流量資費也越來越低，服務器平臺日趨穩定，傳統的模擬對講方式被公網對講取代將會成為一種趨勢。隨著無線傳輸速度的增加，基于高清晰對講和可視化即時通訊也會成為公網對講的發展方向。而平臺管理技術、定位控制等應用結合，對于遠距離調度平臺需求的行業，如出租、物流等，也會得到廣泛應用。