中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系 劉振安 田剛 王岐杰 徐向東
一、 系統(tǒng)的提出及功能
目前我國鐵路交通中的通信主要通過無線通信設(shè)備組成。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在目前新建的鐵路中，山區(qū)鐵路占了很大比重。由于在這些特殊的地理環(huán)境下，無線信號的傳輸受到很大干擾，因此，采用有線信號傳輸是一種比較合理經(jīng)濟(jì)的通信方式。
在我國現(xiàn)有的鐵路通信系統(tǒng)中，大部分采用類似于電話線路的純模擬信道傳輸方式，這就不可避免地帶來設(shè)備臃腫、傳輸能力不強(qiáng)及抗干擾性能差等許多弊病。數(shù)字處理系統(tǒng)由于其可靠性高、可編程性強(qiáng)等優(yōu)勢而廣泛地應(yīng)用于通信、航空和儀表等各個領(lǐng)域。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字化進(jìn)程的不斷提高，數(shù)字通信系統(tǒng)的開發(fā)已成為大勢所趨。基于以上原因，我們提出了互控電臺的設(shè)計(jì)方案。
一般的鐵路車站電臺下掛著很多互控電臺，當(dāng)處于比較復(fù)雜的地形時，車站電臺的信號無法直接傳到機(jī)車電臺，這時就需要互控電臺來充當(dāng)媒介。互控電臺的主要任務(wù)是把車站電臺傳來的信號，在條件惡劣的地形下，以有線信號方式傳輸，當(dāng)經(jīng)過復(fù)雜地形后，再以無線信號的形式發(fā)給機(jī)車電臺。或者相反，由機(jī)車電臺發(fā)給車站電臺，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。每個互控電臺都有一定的控制范圍，當(dāng)機(jī)車電臺運(yùn)行到互控電臺（A）的覆蓋范圍時，通過互控電臺（A）與車站電臺通信，機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行進(jìn)入互控電臺（B） 的覆蓋范圍內(nèi)，則通過互控電臺（B）與車站電臺相互通信。
該系統(tǒng)不同于以往的模擬傳輸系統(tǒng)，而是采用在通話終端一級進(jìn)行數(shù)字化處理（所謂的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊），即先將語音信號數(shù)字化，而后將此信號調(diào)制在模擬信道（鐵路專用電纜中的兩條信號線）傳輸，在接收端對數(shù)字信號解調(diào)以還原為模擬信號。為此，必須要求使用合適的調(diào)制解調(diào)算法及相應(yīng)芯片。為了滿足通話的質(zhì)量和速度，必須采用一種合理高效的語音壓縮編解碼算法。由于使用的是專用的電纜線，所以在通信過程中的外地形或者大氣中其他信號的干擾可以忽略不記，但是要特別注意調(diào)制解調(diào)器的速度和經(jīng)過編碼的語音的數(shù)字信號的傳輸速度必須匹配，否則會產(chǎn)生通話信號錯誤、通話中斷、回音、通話非實(shí)時性等不良的結(jié)果。在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該注意應(yīng)用一些已開發(fā)系統(tǒng)的成熟技術(shù)來達(dá)到縮短開發(fā)時間和提高開發(fā)效率的目的。比如在語音的模擬量化和模擬還原及采樣環(huán)節(jié)中，一些已經(jīng)成熟的現(xiàn)有設(shè)備可以整體組合進(jìn)入最終的系統(tǒng)中，不必要進(jìn)行新的開發(fā)和調(diào)試。所以，適當(dāng)?shù)乇容^選擇語音編碼和調(diào)制解調(diào)算法，對相應(yīng)芯片性能進(jìn)行評估和選擇，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對各個芯片的控制，并將各個獨(dú)立環(huán)節(jié)組合成為性能良好的系統(tǒng)，是該通信系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思想。
本文主要討論的就是有線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它主要完成語音信號的數(shù)字化，語音數(shù)字信號的編解碼，數(shù)字信號的調(diào)制解調(diào)傳輸?shù)确矫妗?/P>
二、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
該系統(tǒng)的基本性能要求包括以下幾點(diǎn)：(1)能在弱場區(qū)代替中繼器實(shí)現(xiàn)正常的無線列調(diào)通信；(2)傳輸?shù)碾娎|使用的是現(xiàn)在鐵路通用的標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜，采用4線與車站電臺相連，其中兩線用于互控電臺的供電，另外兩條用于傳輸控制信號與數(shù)字化語音信號；(3)設(shè)備應(yīng)采用先進(jìn)的語音處理技術(shù)，傳輸距離能達(dá)到15公里以上，沿線無需任何數(shù)據(jù)中繼設(shè)備；(4) 采用的數(shù)據(jù)傳輸模塊，應(yīng)具有如下性能：語音壓縮解壓及數(shù)字化處理，數(shù)字化語音調(diào)制解調(diào)功能，全雙工工作，數(shù)據(jù)傳輸具有一定的糾錯功能等；(5)機(jī)車電臺越區(qū)時要實(shí)現(xiàn)無縫隙切換，同一時刻只能有一個互控電臺工作，但是，互控臺本身可以一直接受信號并處理，只要數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)不沖突，即從互控電臺（A）轉(zhuǎn)向互控電臺（B）時，實(shí)現(xiàn)通話不斷音；(6) 由于從基地臺傳來的信號包括控制信號和語音信號，所以應(yīng)把語音信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和壓縮處理，而控制信號是以不同的頻率來選擇互控電臺、機(jī)車電臺以及要發(fā)送信號的類型，因此，如果進(jìn)行壓縮處理，小小的偏差都會導(dǎo)致很嚴(yán)重的錯誤，所以控制信號要單獨(dú)發(fā)送，以亞音頻信號（低于300Hz的頻率）的形式發(fā)送。應(yīng)選擇合適的方式傳輸，處理這兩種信號。
三、系統(tǒng)的構(gòu)成及基本原理
因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要的技術(shù)點(diǎn)都在互控電臺的有線數(shù)據(jù)傳輸模塊里，所以，著重討論有線數(shù)據(jù)傳輸模塊的構(gòu)成及基本原理。
有線數(shù)據(jù)傳輸模塊應(yīng)包括語音信號采集模塊、語音壓縮模塊和調(diào)制解調(diào)傳輸模塊，它們之間的聯(lián)系如圖1所示。
圖1 有線數(shù)據(jù)傳輸模塊示意圖
（一）語音信號采集模塊
語音信號經(jīng)過預(yù)濾波和采樣后，由A/D變換器變換為二進(jìn)制字碼。A/D變換器分為線性和非線性兩類。目前采用的線性A/D變換器絕大部分采用線性變換。在語音信號中，樣本幅度值本身并非均勻分布，出現(xiàn)小信號樣值的概率比出現(xiàn)大信號樣值的概率要大得多。況且人耳對語音信號感知也是呈類對數(shù)性規(guī)律的，因此可以讓量化區(qū)間在小信號時取得較小，而在大信號時取得較大，就可以既提高了量化信噪比，又保證了足夠大的動態(tài)范圍，使大信號時不會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。
（二）語音數(shù)字信號壓縮模塊
64kbit/s的PCM信號發(fā)出后，由于占用較大的帶寬，因此需要對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和處理。語音的數(shù)字化有不同的方式，而不同的處理角度和方法就形成了不同的語音編碼技術(shù)。用于通信傳輸?shù)恼Z音編碼系統(tǒng)的框圖如圖2所示。
在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上，采用ADPCM和CELP混合進(jìn)行語音的采樣量化以及壓縮編碼是十分可行的，而且據(jù)調(diào)查所知，目前世界上比較成熟的數(shù)字移動通信產(chǎn)品絕大多數(shù)都是利用類似的技術(shù)組合。但后來發(fā)現(xiàn)這種混合的組成系統(tǒng)的方法并不適用于該項(xiàng)目。在對許多現(xiàn)有技術(shù)和相應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行比較和鑒別之后，最終選擇了Digital Voice Systems, Inc公司的獨(dú)立于ITU.T的G.7語音信號采集模塊主要處理以下工作：預(yù)濾波、采樣和A/D變換。在此項(xiàng)目中所使用的數(shù)字信號編解碼器就是能夠把輸入的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，或反過來把數(shù)字信號轉(zhuǎn)化成模擬信號。
預(yù)濾波的目的有兩個：（1）抑制輸入信號各頻預(yù)分量中頻率超出fs/2的所有分量（fs為采樣頻率），以防止混疊干擾。（2）抑制50Hz的電源干擾。預(yù)濾波器必須是一個帶通濾波器，其上、下截頻分別是3400Hz和300Hz。
先將人的語音轉(zhuǎn)化為模擬信號，再經(jīng)過采樣環(huán)節(jié)將其數(shù)字化。人的語音頻帶決定了我們選擇的采樣頻率。根據(jù)采樣定理，采樣頻率ωm≥2ω(所采樣信號的最大頻率)，所以我們的采樣頻率ωm應(yīng)為2x3400Hz=6800Hz,約為7kHz。但是根據(jù)CCITT的長途通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)，目前各國一般采用的聲音采樣頻率為8kHz；所以，為了將來系統(tǒng)與其他通信設(shè)備交流的方便，最終采樣頻率確定為8000Hz。采樣的結(jié)果用1字節(jié)（8位）數(shù)據(jù)表示，所以其最終的輸出的信號速率為64kbit/s。需要指出的是，目前各個專用于音頻采樣的A/D轉(zhuǎn)換芯片的輸出信號均為64kbit/s的PCM信號，因?yàn)槠湔Z音質(zhì)量很好，可以還原為十分逼真的語音。
2X系列標(biāo)準(zhǔn)的AMBE語音編解碼算法，其性能完全滿足各個性能指標(biāo)。AMBE 算法的性能如下，比特率為4kbit/s，編碼質(zhì)量可以達(dá)到4.3左右，采用多波段激勵編碼，消除了冗余的糾錯信號，完全滿足性能要求。尤其值得提到的是該公司已經(jīng)開始發(fā)布AMBE1000+系列語音編解碼芯片，隨時可以得到及時的貨源和高質(zhì)量的技術(shù)支持。
圖2 語音編碼系統(tǒng)框圖
在實(shí)際的系統(tǒng)中，由于AMBE1000系列語音編解碼芯片并沒有像其他公司那樣集成模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，所以必須為語音的量化和還原環(huán)節(jié)采用合適的A/D-D/A轉(zhuǎn)換芯片以及相應(yīng)的濾波處理環(huán)節(jié)。
（三）數(shù)字語音信號傳輸模塊
該系統(tǒng)的另一個重要的組成部分是載波通信系統(tǒng)，也就是模擬信道的數(shù)字信號的傳輸環(huán)節(jié)。為了使在傳輸?shù)倪^程中盡量避免偶然性誤碼的累積影響和脈沖干擾引起的群誤碼，在目前信道媒介材料基本確定的情況下，選擇合適和經(jīng)濟(jì)的數(shù)字信號傳輸方案尤為重要。
數(shù)字信號的傳輸方式主要有兩種，一種是基帶傳輸，一種是載波傳輸。基帶傳輸主要應(yīng)用于距離不太長，影響因素不太多的情況之下。在長距離的情況下，與一般的傳輸介質(zhì)相適應(yīng)，一般都不能直接傳送基帶信號，必須用基帶信號對載波波形的某些參量進(jìn)行控制，使這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂的調(diào)制，與此相反，稱之為解調(diào)。因?yàn)閿?shù)字調(diào)制是用載波信號的某些離散狀態(tài)來表示所表達(dá)的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調(diào)制參量進(jìn)行檢測。因此，數(shù)字調(diào)制信號又稱之為鍵控信號。
在二進(jìn)制情況下，主要有振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）、相移鍵控（PSK）等三種方式。其中，頻移鍵控在目前得到了最廣泛的應(yīng)用。
相位調(diào)制由于占用頻帶少、抗噪聲性能好、抗衰落能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是很有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N調(diào)制方式。但是經(jīng)過我們的實(shí)際分析和實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為在目前的系統(tǒng)中采用相位調(diào)制是不可取的。
從以上得知，最終選擇的傳輸速率為9.6kbit/s，在這種相對中低速的傳播速率上，基于FSK發(fā)展起來的MSK（最小頻移鍵控）尤其是GMSK（高斯濾波最小頻移鍵控）方案有很好的應(yīng)用范圍。其基本原理是采用高斯型低通濾波器對基帶信號進(jìn)行平滑預(yù)處理，調(diào)制后的信號相位在碼元轉(zhuǎn)換時刻不僅連續(xù)而且變化平滑，從而達(dá)到改善頻譜特性的目的。
GMSK在中低速傳輸時，有著和PSK相近的抗衰落性能和更高的抗干擾特性，具有調(diào)制速度更快，實(shí)現(xiàn)更方便，系統(tǒng)構(gòu)成簡單，集成度高等優(yōu)點(diǎn)，而且目前在移動通信和圖像傳輸以及語音的低碼率傳輸中得到最廣泛的使用。所以，再經(jīng)過對貨源市場等因素經(jīng)過考慮，我們最終確定了CML公司的FX系列的調(diào)制解調(diào)芯片為傳輸?shù)恼{(diào)制環(huán)節(jié)。FX系列調(diào)制解調(diào)芯片提供幀的傳送方式，提供FEC（前向誤碼糾正）和CRC（誤碼檢測）等保障，有力地保證了聲音數(shù)據(jù)的正確傳輸。在傳輸命令或者狀態(tài)信息時，需要的誤碼率低而且并不需要很高的傳輸速度，為保證傳輸質(zhì)量，選用了9.6kb/s的GMSK FX909A作為調(diào)制解調(diào)器。
