采用基站技術的對講通訊系統

杜彥峰

（鄭州新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 450001）

采用基站技術的對講通訊系統

杜彥峰

（鄭州新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 450001）

本文設計了一種新型的、可多人同時說話的對講系統，從原理到具體的圖紙都做了比較詳細的說明。

基站；PCM；混音

現有的對講機系統，一般都是一對一，或者一對多，無法做到同時多人對多人的功能。但是在人們的實際工作中，有很多情況是需要同時多對多說話。例如某些危險作業中，如果有突發狀況，等一個人說完話再切換到另一個人喊危險，那就有可能來不及了，特別是建筑施工和野外電力施工的時候，是有可能造成危險發生的。而且，在例如酒店管理、工廠內部、物流運輸等場合，多對多對講系統也是很實用的。

在這里，我們主要研究設計一種多對多的新型對講系統。

在開始之前，要介紹一下移動通信技術的重要元素——基站，它是連接全世界億萬臺手機的樞紐。基站的工作過程是這樣的，我們用手機說話的時候，語音信號首先要被轉換成數字信號，通過手機以無線方式上傳到附近的基站，然后基站通過有線網絡傳到上一級的交換機，再通過有線網絡傳到對方所在位置附近的基站，最后才用無線方式傳到對方的手機，完成整個語音傳送的過程。現在，我們的多對多對講系統，也要引用基站的概念進行研發。

圖1是無線移動網絡的結構示意圖。

圖1 無線蜂窩網的結構示意圖

現在的對講機一般都是沒有基站的，從這點就可以看出，本文介紹的對講系統和傳統的對講機有明顯的區別。圖二是采用基站技術的對講通訊系統示意圖。

圖2 采用基站技術的對講通訊系統示意圖

圖二中，一個中心基站臺，五個子機組成了一個多人對講通訊系統，各個子機先把數字語音信號統一發到中心基站臺，由中心基站臺對語音信號進行PCM混音，混音完成后，中心基站臺再把數字語音信號發到各個子機，從而實現同時的多人說話、多人收聽的功能。

下面先研究中心基站臺的設計。中心基站臺采用意法半導體的STM32F103RCT6作為中央處理器，用美國德州儀器公司的tlv320aic1106作為PCM編解碼芯片；射頻方面，采用的是2.4G技術的多信道無線模塊。整個系統的設計框圖如下：

圖3 系統設計框圖

由圖3可以看到，這個基站的設計分為五個部分：

一是液晶屏。用于顯示基站的運行情況，顯示各個子機的通訊情況，以及顯示控制信息等。現在我們選用了128*64的點陣式液晶屏，根據實際的調試，我們發現要清晰顯示漢字，至少需要16*16大小的字庫，這樣滿屏可以顯示4*8共32個漢字，足夠顯示各種信息了。

二是鍵盤，給用戶輸入控制使用。用戶可以設定通訊的子機數量和編號。因為有時需要私下溝通，那就不需要多人對講了，用戶可以通過按鍵設置私聊的子機編號來實現這個功能。另外，還可以翻查和播放以前的通話錄音。

三是SRAM和FLASH。SRAM是用于語音信息的緩存，因為SRAM的數據操作速度比較快，所以在做語音數據混音的時候，以及語音播放的時候都適合用來做緩存。至于FLASH，是用作通話語音的永久存儲，以便用戶日后翻查通話錄音；在這里，建議語音數據的名稱包含日期、時間和項目名稱，這樣就可以很方便地查找到所需要的通話錄音了。

材料多樣且裝飾豐富的蓋碗茶具，適應著現代茶事活動需求，依然活躍在茶空間中。工藝及裝飾保留優秀傳統技藝的同時與時俱進，形制上并無明顯突破，依舊是傳統的氣質。功能上的新發展，使其漸漸成為適應各類茶事活動需求的不可或缺的一類茶具（如圖10）。

四是PCM語音數模轉換部分。語音的數模轉換、語音的數字處理是這個系統的核心。我們必須要有一個良好的語音質量解決方案。如果用模擬的方法來傳輸語音信號，容易受環境干擾，包括電磁干擾、大氣離子干擾、電路板級干擾等。因此，我們用PCM數字編碼的方式來采集語音信號。PCM是Pulse Code Modulation的縮寫（又叫脈沖編碼調制），是將語音信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，然后將抽樣值取整量化，最后把抽樣的幅值用二進制碼來表示。

一般來說，話音PCM的抽樣頻率為8kHz，采樣位數為一個8位二進制碼，所以話音數字編碼信號的速率為8bits×8kHz= 64kb/s。但是我們在實際研究中發現，對比8K采樣率的音質和4K采樣率的音質，基本沒有差別，使用者不容易分辨出來，另外為了減少無線傳輸的帶寬壓力，我們最后按實驗結果用4Khz的采樣率。即話音數字編碼信號的速率為8bits×4kHz=32kb/s。根據需要，我們選擇美國德州儀器公司的tlv320aic1106作為PCM編解碼芯片。這個IC有13位線性編碼和8位u-law兩種編碼方式，我們采用的是8位u-law編碼。下面是這個IC的應用電路圖：

圖4 應用電路圖

如圖四，MIC2是麥克風，經過C101、C102隔直濾波后，通過U102的第10、11腳輸入到PCM編解碼芯片。中間的R103，R104、R105、R106可以調節麥克風信號的放大倍數，計算公式為：

放大倍數=20*log(R105/R103)

由設計圖紙的參數可知，現在的放大倍數約為14.15倍。這個參數已經驗證可行。

至于音頻的播放，音頻信號從U102的第5、7腳輸出，經過C111、C112的隔直濾波，直接驅動32歐姆的耳機（元件號為SPK）。

五是多個射頻模塊，用于連接各個子機。至于射頻模塊的數量，取決于射頻模塊的通訊速率、語音數據的大小和子機的數量。現在先做一個8子機的多人對講系統，那就需要4個射頻模塊，下面我們來分析具體的設計思路。我們選用了LRF010作為我們系統的射頻模塊，這個模塊標稱的通訊速率是250kb/s，但這個是理想情況，在實際使用中，因為往往有障礙物，無線通訊的效果是要打折扣的，我們通過多次實驗，得出這個射頻模塊的平均通訊速率為80kb/s左右。采用的語音編碼速率是32kb/s，那么無線模塊的傳輸帶寬是語音數據大小的兩倍還多16kb/s，那么這個無線系統可以這樣建立：基站的一個無線模塊可以同時接收2個子機的語音數據，此時，因為還剩余16kb/s的帶寬，這個16kb/s的帶寬剛好可以用于基站對這2個子機的控制。也就是說，這個基站系統需要4個射頻模塊來接收和控制8個子機。圖5是一個LRF010射頻模塊的連接設計圖。

圖5 連接設計圖

最后，在這個基站系統里要說的就是CPU了。本系統采用的是意法半導體的STM32F103RCT6，它擁有Cortex-M3的內核，處理速度可達1.25DMIPS/MHZ，最高運行頻率為72MHZ，足以滿足我們語音處理的需要。另外在接口方面，它有2個I2C接口，3個SPI接口，5個串口，1個工業CAN接口，1個USB接口和1個SDIO接口；輔助功能方面，有3個12位的ADC，2個12位的DAC，以及16位的PWM、計數器等。

圖6是STM32F103RCT6的設計原理圖。

圖6 設計原理圖

在圖6里，各個部分的接口都用網絡名稱做了明確的標記。具體如下：PCM芯片控制接口就是控制tlv320aic1106語音芯片；RF控制接口就是控制LRF010A模塊；232串口用于外部通訊；KEY1—KEY4是4個鍵盤輸入；存儲器接口采用的是SPI方式，而且用的是同一個SPI口，只用不同的片選來區分開；最后是液晶屏接口，用的是I2C接口方式。

基站系統工作的時候，具體流程如下：CPU首先通過LRF010A模塊發送指令給8個子機，子機接收到指令后，就同時把前1秒的語音數據傳回基站（因為是同時傳輸，所以8個子機要設置成不一樣的信道頻率，這樣才不會互相干擾）；基站接收到語音數據后，要把這8個語音數據先存在SRAM，然后進行逐個混音，PCM數字混音的公式為

DATA3=（DATA1+DATA2）/2

DATA1代表了第1路二進制數據，DATA2代表了第2路二進制數據，DATA3代表結果。在得到DATA3這個結果后，再和第3路語音數據進行運算，得到第2個結果，然后再和第4路語音數據進行運算……以此類推，就可以得到8路語音數據的混音值。最后把這個語音數據通過LRF010A模塊發給8個子機，各個子機就可以聽到所有人一起說話的聲音。當然，CPU還要把8個子機的語音數據都存到FLASH中，以便日后有需要時查詢。

從這個工作流程可以看出，數據運算雖然不復雜，但是要求速度快，不然聲音播放出來就是斷斷續續的。而且，現在的系統是有1秒通話延時的，如果要減少延時，例如減少到0.5秒，那就更要注意軟件的處理方式，不然很可能造成系統速度跟不上，出現語音斷續的情況。

最后要設計的就是子機（手持設備）了。由于子機只是采集和發送語音數據，并且把接收到的語音數據播放出來，所以要簡單一些。我們選用高速51單片機（STC）來做這個子機控制器，盡量把成本降下來。由于這個圖紙比較簡單，只要參考基站的原理圖就可以設計出來，在這里我們就不畫它的原理圖了，但是把這個子機的軟件工作流程闡述一下：

圖7 工作流程圖

單片機始終周期性地采集語音數據和播放語音數據，并且把采集到的語音數據存儲到SARM中——等待無線模塊的中斷信號——如果有無線模塊的中斷信號，就把接收到的語音數據存到SRAM中，準備播放。如果沒有無線模塊的中斷信號，就返力下，安裝渦流工具的氣井能量消耗更少，產氣量更高。

井下渦流工具具有操作簡單，成本低，投資少的特點。

（3）打撈式渦流工具設置在專用油管短節中或環形回擋中，通過鋼絲/測井電纜嵌入油管，安裝操作簡單，減少了操作成本。

（4）投入成本低體現：一方面起泡劑用量減少，減少費用；另一方面由于柱塞被替代，節省了井積液時修復柱塞所需費用；另外，井下渦流工具安裝后氣井可連續生產，大大減少了人工維護管理所需費用，適合蘇里格氣田地廣人稀、井多面廣的情況。

（5）與常規排水采氣技術相比，井下渦流工具不但能高效排液，節約地層能量，而且工具成本低、安裝與回收費用低，可預見經濟效果顯著，有很好的應用前景。由于在蘇77-4-4與試驗77-4-6井現場試驗效果顯著，可進一步擴大該技術的應用。

[1]樂宏,康建榮,葛有琰.排水采氣工藝技術[M].北京:石油工業出版社，2011:50～53.

[2]裘湘瀾.氣井排水采氣工藝原理及應用[J].油氣田地面工程，2010,5,10～15.

這樣，整個基站式的多人對講系統就設計完成了，其中的技術難點有基站對子機的控制、PCM語音質量和混音功能。在設計這個系統的過程中，需要花時間去解決這些困難，但是最終完成了設計。經過實際的通話測試，可以實現多人同時說話，同時聽到多人聲音的功能，系統設計基本達到了目標。

參考文獻：

[1]劉云，沈連豐，朱惠芬.語音編碼技術及其實驗研究[J].電氣電子教學學報,2004(03)

TN929

A

1003-5168(2014)03-0078-03

宋蘇涵（1988—），男，天津薊縣人，西安石油大學機械工程學院機械電子工程專業研究生，研究方向：石油鉆采自動化理論和智能裝備。回到周期性地采集語音數據和播放語音數據的主體程序中。在這里要注意，接收到的語音數據播放一次就要清除掉，防止重復播放。