基于ARM的ROIP系统设计与实现

裴学武

（青岛科技大学，山东青岛 266042）

0 引言

无线电对讲机作为最早被人类使用的无线移动通信设备，早在20世纪30年代就开始得到应用。在经过几十年的发展后对讲机的应用已十分普遍，已从专业化领域走向普通消费，从军用扩展到民用，在处理紧急突发事件中，在进行调度指挥中其作用是其它通信工具所不能替代的。

但无线通讯距离受到大气、障碍物的阻碍而传输不可能太远，传统方法也无法做到太远距离传输， ROIP是将无线电所承载的语音信号通过IP网进行传输的一种技术。它要解决的主要问题是实时性和PTT信号的无错误传输，从而解决无线电传输中受发射功率、天线灵敏度等约束传输距离的难题，不但实现了超长距离无中继互联的目的，同时可以组成小功率分布式对讲机信号覆盖系统。从而实现ROIP语音通信的方式，彻底解决了大范围、远距离、跨城市无线对讲难题。

1 ROIP的技术原理

ROIP（Radio Over IP）技术主要是指从无线电台上发出的语音信号不是选择传统的电磁波在空气中传播，而是通过Internet实时传送语音信号。其基本原理是通过语音压缩算法对话音进行压缩编码处理。然后把这些语音数据按IP等相关协议进行打包，经IP网络或Internet把数据报传输到目的地，再把这些语音数据包串起来，经过解码解压处理恢复成原来的语音信号，从而达到由IP网络传送话音的目的。

2 ROIP网关系统实现

2.1 总体构成

如图1所示，音频信号通过AC97芯片的数据处理后通过串口发送给CPU，CPU接收数据并通过网卡驱动传送到网口，网关主要由ARM最小系统、音频解码模块以及电台接口模块组成。

2.2 ARM微处理器系统

微处理器系统是ROIP网关的核心单元，是系统主体程序的载体，负责不同功能协议栈的正常运行和各分系统模块的管理控制，本设计中选用三星的s3c2440微处理器。

图1 ROIP网关系统硬件架构示意图

2.3 音频解码模块

通常的语音信号经采样编码成PCM语音流后带宽为64 Kb/s，如此高的带宽如直接接入到IP网络势必会造成网络资源的极大浪费，如并发数过多会引起网络链路的阻塞从而严重影响语音质量。

音频解码模块主要负责完成语音的压缩解压工作，将CODEC编码后的PCM码流经过算法处理后变成带宽极小的压缩语音码流，而语音质量却不会太大损伤。另外由于语音业务对实时性要求较高，需要对语音码流封成合适IP网络传输的RTP包，使之具有较高的网络传输优先级。

本方案利用ARM微处理器自带的AC97控制器单元，控制器发送立体声PCM数据给编解码器。编解码器中的外部数模转换其转换音频采样到模拟音频波形。控制器也从编解码器接收立体声PCM数据单声道的MIC数据，然后将数据存储在内存中，基于DMA操作和基于中断操作，所有通道都仅支持16位采样，压缩算法采用G.729。

2.4 电台接口模块

电台接口模块主要实现两个功能：一是对电台/对讲机的语音信号实现匹配、放大、采样、编码功能，将模拟的语音信号变成适合处理传输的数字信号，音频转换芯片采用OP279，将电台出来的平衡信号转换成适合网络传输的非平衡信号，并自带电位器实现音频信号的放大，减小。

电台接口模块的另一个重要的功能是对对讲机的控制和状态信号实现操作，多个对讲机同时只能有一路处于发送状态，其它几路只能处于收听状态，这就需要根据对讲机的状态对对讲机进行有效的控制，对讲机主要的控制信号有PTT和COR，在对讲机端，针对没有COR信号输出的手持对讲机设备，将由对讲机语音网关内部通过对语音信号的处理产生VOX信号，作为对讲机通信方式的状态识别；而在网络端，可以通过对RTP数据流的处理产生VOX信号。

2.5 软件系统

考虑到系统的稳定性和实时性，软件平台选用了Linux，系统的软件部分主要分为AUDIO,COM_232，DATABASE,G729A_ARM,THREADPOOL等模块。各模块功能描述如下：

AUDIO模块：即对讲机交换模块，此模块主要完成所有和对讲机接口相关的配置。根据对讲机端口的状态变化，报告给应用程序模块相应的事件。

COM_232模块：此模块主要完成对串口驱动功能，配置统一的串口波特率和校验位。

DATABASE模块：此模块主要是对各模块数据进行保存和初始化读取工作。可以将用户对系统进行的配置通过此模块保存起来，关机后下次启动时，用户不需要重新配置设备。此模块将从Flash中读取上次保存的信息，初始化各个模块。

G729A_ARM模块：G729语音压缩算法，对高宽带的PCM语音流进行压缩，方便在网络上传输。

THREADPOOL模块：线程池，支持多个线程同时工作，本设计需要语音发送和语音解码同时进行，这样就可以实现高度实时性，提高了工作效率。

3 终端测试

(1)基本功能测试:用户添加、删除、修改、查找 ,重复多次进行登录/注册和注销等。

(2)系统健壮性测试:重复进行各种模式呼叫、通话质量测试。

(3)可靠性测试:通过对ROIP 终端施加一定的外界环境应力如高温、低温、振动 ,或在呼叫通话过程中使用短信息等功能 ,以检查产品的可靠性指标。

(4)音频指标测试:检查或测试发送音频灵敏度、振铃响度、受话器响度、失真度、侧音等。

(5) DC功耗指标测试:关机电流、待机电流、通话电流、待机时间的测试。

测试结果：基于ARM的ROIP终端的基本功能正常，用户接入建立延时平均值 T为 3 221.6 ms，远端电台来话响应时间小于 0.5 s，呼叫完成率达到 100 %，待机平均电流为 15 mA，通话平均电流为 295 mA。

4 结论

根据本设计的ROIP网关实现了电台语音的IP接入功能，和对端的PC实现了语音通话，并且语音灵敏度可调，语音质量优秀，为各种语音通信设备之间的协同通信提供了硬件基础，对于政府和企业的公共安全应急通信平台建设意义重大。

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