先進的數(shù)字對講機公共平臺

郭榮新　林興龍

摘 要：在“模轉(zhuǎn)數(shù)”的特殊時期，針對目前多功能數(shù)字對講機領(lǐng)域的空白，以ST3258為核心芯片，以當前較為成熟的WiFi技術(shù)、藍牙技術(shù)、北斗/GPS技術(shù)構(gòu)造一個具有模塊化、多功能的數(shù)字對講機公共平臺，實現(xiàn)數(shù)字對講機多制式兼容、多模式無線數(shù)字語音通信、北斗/GPS數(shù)據(jù)通訊、支持主控端調(diào)度、接受遠程監(jiān)控及數(shù)字語音加密、語音錄放音、無線數(shù)傳、中繼和集群為附加功能的多功能整合。

關(guān)鍵詞：數(shù)字對講 WiFi技術(shù) 藍牙技術(shù) 北斗/GPS技術(shù) 模塊化 多功能 通用數(shù)字對講機平臺

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（c）-0250-03

對講機通信目前是我國最主要的專用無線通信系統(tǒng)，它已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟各部門和人們生活各個領(lǐng)域，對各個行業(yè)的發(fā)展作出了巨大的貢獻，因其具有免通信費、高數(shù)據(jù)率、自動組網(wǎng)等其它通信設(shè)備無法代替的優(yōu)點仍會長期存在并不斷發(fā)展。但是，目前市場上的大部分對講機仍延用幾十年來的傳統(tǒng)，其功能單一，除了對講通話之外，鮮有其他實用性功能，局限了其使用領(lǐng)域。與此同時，過度緊張的頻譜資源也導致了對講機的局限性。因此，提供具有創(chuàng)新性、實用性的多功能高端通信設(shè)備來滿足各種需求，特別是具有互通互聯(lián)的通信功能要求日益迫切。2013年底，我國首款具有自主知識產(chǎn)權(quán)的多制式數(shù)字對講機芯片ST3258在中國問世，其旨在推動國內(nèi)通信對講行業(yè)的發(fā)展，是國內(nèi)無線電通信領(lǐng)域的又一次突破。

平臺以ST3258為核心芯片，構(gòu)建多模數(shù)字對講機公共平臺。通過嵌入WiFi通信協(xié)議[1]、藍牙通信協(xié)議[2]使數(shù)字對講擺脫傳統(tǒng)對講模式對日益趨于緊張的頻譜資源的依賴，實現(xiàn)基于WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和藍牙技術(shù)的功能數(shù)字對講，實現(xiàn)IP互通互聯(lián)。平臺所具有的北斗/GPS定位功能[3]，保證后臺終端簡單清晰、快速有效地確認和監(jiān)督每位成員的具體位置及統(tǒng)一指揮、協(xié)調(diào)、調(diào)度，大大提高了整個團隊的工作效率及人身安全系數(shù)同時也完善了整個生產(chǎn)過程或活動的有效監(jiān)控機制。在引入新型通信渠道進行數(shù)字對講的基礎(chǔ)上，融合數(shù)字語音加密、語音錄放音、無線數(shù)傳、中繼和集群[4]等附加功能提高平臺的附加值，以及拓展其使用范圍。平臺的硬件均為模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計使平臺具備開放性，便于系統(tǒng)升級和進一步的功能擴展，從而能夠適用于更多的領(lǐng)域。

1 WiFi無線通信技術(shù)

設(shè)計中嵌入的WiFi無線通信協(xié)議能夠完全兼容當前無線通信的三種主流標準：IEEE802.11b、IEEE802.11n、 IEEE802.11g，其發(fā)射功率不超過100 mw。WiFi無線技術(shù)通過展頻技術(shù)、擴頻技術(shù)、調(diào)頻技術(shù)使得數(shù)據(jù)傳輸過程能夠更大程度上抗干擾，同時接收方對所收到數(shù)據(jù)進行的Error Checking（偵錯）操作，確保了傳輸數(shù)據(jù)的正確性，若發(fā)現(xiàn)收到的數(shù)據(jù)中不符合偵錯算法的內(nèi)容，那么就會使用一定的措施來修復該錯誤，例如：要求發(fā)送方重新發(fā)送被偵察到的錯誤位。收發(fā)雙方每次接受通信前都會有3次“握手”的過程[5]，這3次“握手”可以保證傳送數(shù)據(jù)的雙方能在可靠的連接下進行通信，從而達到設(shè)備之間的互通性和資源共享。

2 藍牙通信技術(shù)

藍牙無線通信以2.4 GHz的頻段為工作頻段，以時分雙工傳輸方案實現(xiàn)全雙工數(shù)據(jù)傳輸，具備功耗低、靈活性高、可靠性強等優(yōu)勢。該技術(shù)以快速確認和調(diào)頻方案確保了鏈路的穩(wěn)定，其采用的調(diào)頻技術(shù)中基于“偽隨機碼”的快速信道跳變使得藍牙的穩(wěn)定能夠優(yōu)于其他系統(tǒng)。與此同時，F(xiàn)EC（Forward Error Correction，前向糾錯）技術(shù)[6]抑制了長距離鏈路的隨機噪聲，使得數(shù)據(jù)傳輸過程更加可靠和更加穩(wěn)定。基于藍牙技術(shù)的無線發(fā)射機采用FM調(diào)制方式，也降低了設(shè)備的復雜性，其數(shù)據(jù)傳輸過程采用數(shù)據(jù)包的形式按一定時隙傳送。

3 先進的數(shù)字對講機公共平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

先進的數(shù)字對講機公共平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要分為7部分：MCU系統(tǒng)、藍牙模組、IP互聯(lián)模組、三聯(lián)模塊、北斗/GPS模塊、發(fā)射模塊、接收模塊。

4 技術(shù)路線及性能指標

4.1 技術(shù)路線

通過大量的前期市場、技術(shù)調(diào)研確定平臺的設(shè)計方案及性能指標，設(shè)計包括發(fā)射模塊、接收模塊等在內(nèi)的獨立性模塊，各模塊單獨測試達到規(guī)定的性能指標，并采用統(tǒng)一接口將各模塊化的電路與主控系統(tǒng)形成模塊化的功能平臺，實現(xiàn)多模式數(shù)字對講及其附加功能。最后整合平臺完成整體的測試與完善[7]。（見圖2）

4.2 發(fā)射機指標

（1）輸出功率：Hi=5 W；Lo=2 W；

（2）發(fā)射電流：Hi=1.2 ALo=0.6 A；

（3）調(diào)制失真：≤3%；

（4）調(diào)制限制：W≤5 kHz；N≤2.5 kHz；

（5）雜散輻射：≤1 μW；

（6）調(diào)制方式：4 FSK；

（7）鄰道功率：≤-65 dBm。

4.3 接收機指標

（1）參考靈敏度：≤0.165 μV（12 dB SINAD）；

（2）額定功率：>500 mW；

（3）最大功率：≥800 mW；

（4）音頻失真：≤3%；

（5）鄰道選擇性（寬帶，窄帶）：≥65 dB，

≥ 60dB；

（6）互調(diào)抗干擾（寬帶，窄帶）：≥60 dB，

≥55 dB；

（7）信噪比：≥45 dB；

（8）接收阻塞：≥85 dB。

4.4 藍牙指標

（1）降噪性能：35 dB；

（2）接收靈敏度：≥-90 dBm；

（3）工作電流：≤20 mA。

4.5 GPS指標

（1）靈敏度（捕獲，追蹤）：≤-150 dBm，

≤-155 dBm；

（2）冷啟動：≤50 s；

（3）熱啟動：≤5 s；

（4）定位精度：≤5 m。

5 先進數(shù)字對講機公共平臺的創(chuàng)新

5.1 理論創(chuàng)新

（1）高效的抗干擾技術(shù)。利用語音去噪算法和語音增強技術(shù)，使處于復雜噪聲干擾環(huán)境下的數(shù)字對講設(shè)備具有優(yōu)質(zhì)的語音傳輸質(zhì)量。

（2）具備寬窄帶兼容，內(nèi)置調(diào)制解調(diào)，可支持綜合通訊能力。

（3）獨特的數(shù)字語音加密算法讓無線語音通信更加的安全。

5.2 應(yīng)用創(chuàng)新

（1）多制式通信方式；

（2）多模式定位方式；

（3）多種聲碼器自適應(yīng)切換方式。

（4）IP互聯(lián)互通，即采用WiFi技術(shù)、藍牙技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)真正意義的網(wǎng)絡(luò)化的中繼和集群功能。

5.3 技術(shù)創(chuàng)新

（1）目前市面上大部分集群對講設(shè)備為模擬設(shè)備為主（包括對講機、車載臺等），僅有個別大企業(yè)具備數(shù)字對講設(shè)備的研發(fā)能力，同時現(xiàn)有數(shù)字對講設(shè)備由于使用的均是國外核心技術(shù)方案，因此，開發(fā)難度大、周期長，束縛了該項技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展。該方案突破了數(shù)字對講設(shè)備的技術(shù)瓶頸，降低了設(shè)計門檻和成本，有利于大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化。

（2）現(xiàn)有數(shù)字對講設(shè)備大多采用歐洲的DMR模式，其價格昂貴，然而我們的方案可根據(jù)實際需求，實現(xiàn)三模通信，即在不改變?nèi)魏斡布幕A(chǔ)上靈活切換三種通信協(xié)議兼容的工作模式：模擬通信、dPMR（價格低廉）和DMR，實現(xiàn)多協(xié)議模式的兼容，增強了設(shè)備的可擴展性及應(yīng)用面。

（3）具備北斗/GPS/北斗雙模網(wǎng)絡(luò)定位功能。設(shè)備的準確定位對于建立對講通信和應(yīng)急通信具有十分重要的作用。（4）具有后臺管理軟件，能夠?qū)?shù)字對講設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)超遠距離的無線通信網(wǎng)絡(luò)。

5.4 工藝創(chuàng)新

現(xiàn)有的數(shù)字對講設(shè)備方案中聲碼器采用硬件（固件）模塊加入模式，一旦要更換聲碼器整個硬件系統(tǒng)都要重新設(shè)計或者重新架構(gòu)軟件版本，增加了開發(fā)周期，不利于系統(tǒng)的更新?lián)Q代，可擴展性差，我們的方案使用國內(nèi)自主研發(fā)的ST3258芯片，該芯片可支持多種聲碼器模式，并將聲碼器移植到處理器當中，可在原有硬件基礎(chǔ)上隨時更換聲碼器版本，有利于生產(chǎn)廠家對產(chǎn)品的更新?lián)Q代，可以大大縮短產(chǎn)品的上市周期。

5.5 結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

（1）結(jié)構(gòu)上該方案設(shè)計出的產(chǎn)品為數(shù)字對講機公共平臺；該平臺將設(shè)計成公板結(jié)構(gòu)和公共模塊結(jié)構(gòu)，可以讓對講機廠家根據(jù)用戶需求，在最短時間內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)以及更新?lián)Q代。

（2）備RS232通信接口，可外接多種傳感器，有利于方便設(shè)備間的信息傳遞。

（3）具備USB HOST功能，以便今后能夠使用U盤對原有設(shè)備進行程序升級，便于算法移植。

6 結(jié)語

該文實現(xiàn)了一種先進的數(shù)字對講機公共平臺的設(shè)計，以國產(chǎn)ST3258為核心芯片。實現(xiàn)了基于多功能的數(shù)字對講功能。通過分析與測試，本平臺同時具有多制式、WiFI/藍牙、IP互聯(lián)和北斗/GPS定位功能，符合高端通信設(shè)備、高端裝備智能化、多功能化的要求，應(yīng)用范圍更為廣泛，一方面打破了摩托羅拉等國際巨頭對高端對講機的壟斷，一舉填補了國內(nèi)在該類型產(chǎn)品核心技術(shù)自主研發(fā)的空白。項目產(chǎn)品能為生產(chǎn)作業(yè)中最為重要的通信裝備提供保障，在提升安全生產(chǎn)通信裝備水平的同時，亦有助于推動對講機行業(yè)的升級換代。

參考文獻

[1] 張鑫鋒.嵌入式多媒體終端的WIFI功能研究與設(shè)計[D].上海：華東師范大學，2009.

[2] 朱俊德.藍牙核心技術(shù)[M].機械工業(yè)出版社，2008.

[3] Elliott D.Kaplan，著.GPS原理與應(yīng)用[M].邱致和，王萬義，譯.電子工業(yè)出版社.2002.

[4] 邵汝峰.現(xiàn)代通信網(wǎng)[M].北京師范大學出版集團，2009.

[5] 溫曉軍，文光斌.基于IEEE802.11標準的無線局域網(wǎng)組網(wǎng)方案[J].計算機應(yīng)用研究，2002（3）：120-122.

[6] 朱剛.藍牙技術(shù)原理與協(xié)議[M].北方大學出版社，2002.

[7] 程世海，楊立民.數(shù)字雙向?qū)χv機的發(fā)展前景[J].信息技術(shù)，2001（2）：44-45.