基于公网集群对讲系统的应用与设计

李玉

（广东佛山，528311）

0 引言

如今，人类已经跨越2G，3G时代，进入4G普及的社会，并开始向5G迈进。随着科学技术不断发展，尤其是在移动通讯领域已经取得了翻天覆地的变化，而且还在日新月异的不断进步中，并不断带动各行各业的发展。对讲机提供一对一，一对多的通话方式，一按就说，操作简单，令沟通更自由，特别在紧急调度和集体协作工作的情况下，这些特点是非常重要的。

1 现有对讲技术分类

■1.1 模拟对讲机

传统对讲机是采用模拟通信技术设计的模拟对讲机，它是将存储的信号调制到对讲机传输频率上，进行模拟信号的发射、模拟信号的接收，以及信号的调制和解调等技术实现的。模拟对讲机发展已经相当成熟，使用非常广泛，价格也比较低廉。

但是模拟信号的发射和接收有距离限制，通信一般距离在10公里以内。再大一点范围就需要架设中继台，这样会造成成本上升，功耗加大。由于精度问题，其频段利用率比较底。

■1.2 数字对讲机

数字对讲机的基本原理是先把模拟语音转换成数字信号，然后调制到射频上去，以数字编码的形式进行传播，在接收端，再对接收的数字信号进行解调，并转换成模拟信号，放大输出。数字对讲机的出现节省了无线电频谱，一般一个话音信道等效占用6.25kHzk带宽，比一般模拟对讲机省一半频率。

但其依然有模拟对讲机的缺点，即传输范围受限制。并且需要专门的模块在对模拟信号进行数字化转换，以及对接收端进行信号解调的过程中，设计体积受限制，以及成本会有所增加。

■1.3 公网对讲机

公网对讲机是基于公网通讯的一种对讲机。公网集群对讲依托电信运营商网络，即将语音信号转换成数字信号，利用公网通讯介质进行信号传输，突破了传统集群网络覆盖有限的瓶颈，实现了全国范围内的互联互通。

公网集群对讲的通讯步骤如下：

步骤1，发射端接收到呼叫指令；

步骤2，发射端采集模拟语音信号，并将模拟语音信号转换成数字信号；

步骤3，发射端利用公网将数字信号分包传输至服务器组网平台；

步骤4，服务器组网平台根据接收指令要求，将数字信号再分包传递给需要接收终端；

步骤5，接收端接收到数字信号后，对数字信号转化成模拟信号；

步骤6，对模拟信号进行功率为运算放大，进行语音输出；

步骤7，发射端接如果继续收到呼叫指令，则重复上述步骤，否则停止信号传输。

上述通讯方式可以实现一对一或一对多点通讯传输。公网对讲拓扑图如图1所示。

图1

根据实现技术的不同，公网集群也对讲分为很多种。本文讨论基于POC（PTT Over Cellular）技术的一种公网集群对讲系统，即可以通过一键通（Push-to-Talk），实现“一对一”或者“一对多”进行快速通话的公网集群对讲系统。

2 公网对讲机终端设计原理

公网对讲机终端设计原理图如图2所示。

图2

如上述原理框图，公网对讲终端包括MCU控制模块，按键触发请求模块，编码模块，解码模块，通讯模块，以及蜂鸣器，喇叭，天线等。

上述MCU控制模块控制整个终端进行呼叫请求和对被呼叫语音播放，负责控制逻辑的运行；

按键触发请求模块包括PTT控制按键和组员选择控制按键按键，当PTT控制按键按下时，触发本机呼叫请求，松开PTT控制按键时，即请求呼叫结束，组员选择控制按键可以选择被呼叫的组员；

编码输入模块用于对采集到的语音信号进行信号的输入和编码，编码输入模块一般包含信号采样部分，A/D转换器，语音压缩算法部分。信号采样部分用于对输入信号进行连续采集，A/D转换器用于将模拟语音信号转换成数字信号，而语音压缩算法部分采用语音压缩算法将采集到的信号进行压缩处理；

解码输出模块用于对呼入的语音信号进行解码和输出，解码输出模块一般包括数据解码部分，数据输出部分，D/A转换器，功率放大器等。数据解码部分用于对输入数据进行算法解码，实现编解码数据格式的统一，数据输出部分以一定的频率对解码信号输出，达到数据输出速率一致，D/A转换器用于将数字信号转出成模拟信号，功率放大器用于对模拟音频信号进行信号放大，从而实现语音信号输出；

通讯模块是一种具有无限数据传输能力的蜂窝型模块，内部包含基带芯片，射频部分，存储部分，通信接口部分等。通讯模块种类很多，通信方式上可分为基于GPRS数据传输或CDMA的2G模块，以及3G模块,4G模块和NB-IOT模块等等。通讯模块可利用公网信息通信平台与后台服务器连接，实现各个终端不限距离通信。

通讯模块是以UDP和TCP协议方式进行远程数据传输。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）和UDP（User Data Protocol，用户数据报协议）是TCP/IP体系结构中的两个传输层协议，它们使用IP路由功能把数据包发送到目的地,从而为应用程序及应用层协议提供网络服务[1]。TCP是基于连接的协议。UDP是与TCP相对应的协议。UDP是面向非连接的协议，即不与对方建立连接，而是直接就把数据包发送过去。在进行选组，查询，呼叫请求，呼叫停止等命令传输时，一般采用TCP方式传输；在进行语音呼叫和语音监听时，一般采用UDP进行传输。

通讯模块与MCU控制模块采用UART或SPI方式进行双向通讯。通讯格式是以数据包的方式进行传输，当终端PTT按下时，本机进行主叫呼出，MCU控制模块将语音数据包发送给通讯模块；当本机出现被叫时，通讯模块将无线接收数据以数据包的形式发送给MCU主控模块。

3 低速率语音通信

在基于公网集群对讲系统中，由于传输的语音数据量比较多，需要传输数据精简编解码处理。低速率语音通信的好处如下：

(1）节省无线传输数据量，减少输出传输占有带宽。由于集群对讲的终端数量比较大，语音通讯又是实时多点传出，传输数据流量过多，不仅会造成网络运输的拥堵，也会有偿费用的上升。

(2）减轻服务器端对海量数据处理的压力。对于服务器平台来说，不仅要存储大量终端

数据和通讯数据，还要对传输的数据进行接收，中转和发送。为了提高服务器数据处理效率，减少崩溃频率，对语音数据的精简压缩至关重要。

需要低速率语音通讯方式也有很多种，MBE(多带激励)语音编码技术是一种具有较高语音质量和强鲁棒性的低速率语音编解码技术。这种方法在频域中按基音各个谐波频率，将一帧语音的频谱划分多个频带，对每个频带作清，浊音判决[2]。DVSI 公司的 AMBE2000 就是这样一种高性能、低功耗的实时语音编码解码芯片，它的压缩率在2.0-9.6kbps 范围内可以调节，并且它本身具备 FEC （前向纠错）,VAD（语音激活检测）和DTMF信号检测功能[3]。

AMBE编解码的语音数据处理芯片AMBE2000集成了语音编码和解码等功能，在编解码速率和语音处理清晰度上比较适合公网对讲系统的应用。语音传输结构图如图3所示。

AMBE2000编码速率可以调节最小编码速率可设到2kbps时，依然可以保持语音清晰传输。若设MCU取包周期为20毫秒，则每包为5个字节数。经过MCU主控缓冲，设缓冲时间为100毫秒，则通讯模块每帧传输仅为25个字节数。经过测试，以上数据传输量对于一般服务器而言，能够处理的终端数据达到100K台以上。并能保证数据传输流畅，以及各个终端对不同组员的集群呼叫或者监听响应及时，语音清晰。

图3

4 结论

如今，各大通讯公司正在紧锣密鼓布局5G市场，而通讯模块的发展也越来越成熟、多样且价格低廉，基于公网的流量资费也越来越低，服务器平台日趋稳定，传统的模拟对讲方式被公网对讲取代将会成为一种趋势。随着无线传输速度的增加，基于高清晰对讲和可视化即时通讯也会成为公网对讲的发展方向。而平台管理技术、定位控制等应用结合，对于远距离调度平台需求的行业，如出租、物流等，也会得到广泛应用。