基于ARM的ROIP系統設計與實現

裴學武

（青島科技大學，山東青島 266042）

0 引言

無線電對講機作為最早被人類使用的無線移動通信設備，早在20世紀30年代就開始得到應用。在經過幾十年的發展后對講機的應用已十分普遍，已從專業化領域走向普通消費，從軍用擴展到民用，在處理緊急突發事件中，在進行調度指揮中其作用是其它通信工具所不能替代的。

但無線通訊距離受到大氣、障礙物的阻礙而傳輸不可能太遠，傳統方法也無法做到太遠距離傳輸， ROIP是將無線電所承載的語音信號通過IP網進行傳輸的一種技術。它要解決的主要問題是實時性和PTT信號的無錯誤傳輸，從而解決無線電傳輸中受發射功率、天線靈敏度等約束傳輸距離的難題，不但實現了超長距離無中繼互聯的目的，同時可以組成小功率分布式對講機信號覆蓋系統。從而實現ROIP語音通信的方式，徹底解決了大范圍、遠距離、跨城市無線對講難題。

1 ROIP的技術原理

ROIP（Radio Over IP）技術主要是指從無線電臺上發出的語音信號不是選擇傳統的電磁波在空氣中傳播，而是通過Internet實時傳送語音信號。其基本原理是通過語音壓縮算法對話音進行壓縮編碼處理。然后把這些語音數據按IP等相關協議進行打包，經IP網絡或Internet把數據報傳輸到目的地，再把這些語音數據包串起來，經過解碼解壓處理恢復成原來的語音信號，從而達到由IP網絡傳送話音的目的。

2 ROIP網關系統實現

2.1 總體構成

如圖1所示，音頻信號通過AC97芯片的數據處理后通過串口發送給CPU，CPU接收數據并通過網卡驅動傳送到網口，網關主要由ARM最小系統、音頻解碼模塊以及電臺接口模塊組成。

2.2 ARM微處理器系統

微處理器系統是ROIP網關的核心單元，是系統主體程序的載體，負責不同功能協議棧的正常運行和各分系統模塊的管理控制，本設計中選用三星的s3c2440微處理器。

圖1 ROIP網關系統硬件架構示意圖

2.3 音頻解碼模塊

通常的語音信號經采樣編碼成PCM語音流后帶寬為64 Kb/s，如此高的帶寬如直接接入到IP網絡勢必會造成網絡資源的極大浪費，如并發數過多會引起網絡鏈路的阻塞從而嚴重影響語音質量。

音頻解碼模塊主要負責完成語音的壓縮解壓工作，將CODEC編碼后的PCM碼流經過算法處理后變成帶寬極小的壓縮語音碼流，而語音質量卻不會太大損傷。另外由于語音業務對實時性要求較高，需要對語音碼流封成合適IP網絡傳輸的RTP包，使之具有較高的網絡傳輸優先級。

本方案利用ARM微處理器自帶的AC97控制器單元，控制器發送立體聲PCM數據給編解碼器。編解碼器中的外部數模轉換其轉換音頻采樣到模擬音頻波形。控制器也從編解碼器接收立體聲PCM數據單聲道的MIC數據，然后將數據存儲在內存中，基于DMA操作和基于中斷操作，所有通道都僅支持16位采樣，壓縮算法采用G.729。

2.4 電臺接口模塊

電臺接口模塊主要實現兩個功能：一是對電臺/對講機的語音信號實現匹配、放大、采樣、編碼功能，將模擬的語音信號變成適合處理傳輸的數字信號，音頻轉換芯片采用OP279，將電臺出來的平衡信號轉換成適合網絡傳輸的非平衡信號，并自帶電位器實現音頻信號的放大，減小。

電臺接口模塊的另一個重要的功能是對對講機的控制和狀態信號實現操作，多個對講機同時只能有一路處于發送狀態，其它幾路只能處于收聽狀態，這就需要根據對講機的狀態對對講機進行有效的控制，對講機主要的控制信號有PTT和COR，在對講機端，針對沒有COR信號輸出的手持對講機設備，將由對講機語音網關內部通過對語音信號的處理產生VOX信號，作為對講機通信方式的狀態識別；而在網絡端，可以通過對RTP數據流的處理產生VOX信號。

2.5 軟件系統

考慮到系統的穩定性和實時性，軟件平臺選用了Linux，系統的軟件部分主要分為AUDIO,COM_232，DATABASE,G729A_ARM,THREADPOOL等模塊。各模塊功能描述如下：

AUDIO模塊：即對講機交換模塊，此模塊主要完成所有和對講機接口相關的配置。根據對講機端口的狀態變化，報告給應用程序模塊相應的事件。

COM_232模塊：此模塊主要完成對串口驅動功能，配置統一的串口波特率和校驗位。

DATABASE模塊：此模塊主要是對各模塊數據進行保存和初始化讀取工作。可以將用戶對系統進行的配置通過此模塊保存起來，關機后下次啟動時，用戶不需要重新配置設備。此模塊將從Flash中讀取上次保存的信息，初始化各個模塊。

G729A_ARM模塊：G729語音壓縮算法，對高寬帶的PCM語音流進行壓縮，方便在網絡上傳輸。

THREADPOOL模塊：線程池，支持多個線程同時工作，本設計需要語音發送和語音解碼同時進行，這樣就可以實現高度實時性，提高了工作效率。

3 終端測試

(1)基本功能測試:用戶添加、刪除、修改、查找 ,重復多次進行登錄/注冊和注銷等。

(2)系統健壯性測試:重復進行各種模式呼叫、通話質量測試。

(3)可靠性測試:通過對ROIP 終端施加一定的外界環境應力如高溫、低溫、振動 ,或在呼叫通話過程中使用短信息等功能 ,以檢查產品的可靠性指標。

(4)音頻指標測試:檢查或測試發送音頻靈敏度、振鈴響度、受話器響度、失真度、側音等。

(5) DC功耗指標測試:關機電流、待機電流、通話電流、待機時間的測試。

測試結果：基于ARM的ROIP終端的基本功能正常，用戶接入建立延時平均值 T為 3 221.6 ms，遠端電臺來話響應時間小于 0.5 s，呼叫完成率達到 100 %，待機平均電流為 15 mA，通話平均電流為 295 mA。

4 結論

根據本設計的ROIP網關實現了電臺語音的IP接入功能，和對端的PC實現了語音通話，并且語音靈敏度可調，語音質量優秀，為各種語音通信設備之間的協同通信提供了硬件基礎，對于政府和企業的公共安全應急通信平臺建設意義重大。

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