双模对讲机相关技术的研究

 由于数字对讲机的频谱利用率比模拟对讲机高得多，还由于数字对讲机能够 提供模拟对讲机无法达到的数据处理种类及灵活性，因此模拟对讲机的数字化 改造进程已势不可挡。在这个过渡时期，我们需要开发数模兼容的双模对讲机， 以满足市场需要并实现平缓过渡。
本文设计了以数字信号处理器（DSP)和基于Cortex-M3内核的微控制器为 核心的数模兼容对讲机的基带信号处理系统，包括硬件系统和软件系统。完成  
了硬件电路原理图到印刷电路板的硬件设计工作，软件开发的主要内容包括底 层的硬件驱动和数字对讲机通信协议两个部分。
同时，为了简化整个数模兼容对讲机的硬件电路设计，提高集成度，减少系 统成本，降低功耗，我们将模拟对讲机的一些重要组成部分集成到了数字信号 处理器当中。以前，这些组成部分是用专用芯片实现的，如今，我们可以发挥 数字信号处理器灵活可编程的优势和强大的数字信号处理能力，用软件的方法 实现这些功能，主要包括亚音频静噪系统和模拟基带语音信号处理系统。当双 模对讲机工作在数字模式时，数字信号处理器运行的是声码器算法、数字基带 调制解调算法和数字对讲机通信协议；反之，当双模对讲机工作在模拟模式时， 数字信号处理器运行的是语音信号模拟基带处理算法，包括语音压扩器、预加 重和去加重以及限幅器等。
关键词：数模兼容对讲机数字信号处理器微控制器亚音频静噪 语音压扩
对讲机的简要介绍
对讲机作为专业移动通信系统的重要设备之一，它的最大特点是通过PTT 按键通话，即按即通，通常通话建立时间小于500毫秒[1]，可以保证在紧急情况 下，做出快速的反应；支持点对点（单呼）和点对多点（组呼）通信。一直以 来，对讲机在工业企业，政府，公共安全和其他组织部门的内部指挥调度，抢 险救灾，处理紧急突发事件中发挥着不可替代的作用。
其实早在20世纪30年代无线电对讲机就已经开始得到应用。1936年，摩 托罗拉公司的前身高尔文制造公司研制出第一台应用于警车的调幅移动无线电 通讯产品，接着公司在1940年又为美国陆军信号兵部队研制出了第一台手持式 调幅对讲机，通信距离是1.6公里。随后由于调频技术的应用，大幅度地改善了 对讲机的通信距离和抗噪声能力，二战期间，公司为军方研制的SCR300背负式 “步话机”，通信距离为16公里，这种“步话机”成为了美军的重要通信工具。 战后，对讲机从军用走向了商用，成为一种日常生活工具，在警车，救护车， 出租车，送货车甚至商场，你都能看到对讲机的身影。后来，随着集成电路技 术的发展，对讲机越做越小。1962年，摩托罗拉推出了第一台手持式无线对讲 机HT-200，下一代HT-200仅用两个集成电路模块代替了原来61个分立原件， 虽然它的重量比以前减轻了 40%，体积减少了 50%，但对讲机的输出功率却增 加了 250%，有效地增加了对讲机的通信距离[2]。
随着电子和计算机技术的不断发展，无线电对讲机也发生了日新月异的变 化。首先，在1978年，集群对讲机系统面世了，该系统每一台对讲机都拥有一 个数字号码，由计算机对所有频率进行扫描，寻找空闲信道，并利用数字式的 地址代码按一定优先级指定给各信道。这种方式可以使对讲机系统高效地把数 量有限的信道分配给具体的用户。同时，数传对讲机的发明，实现了同一信道 上语音和数据的共同传输。针对各行各业不同的要求，设计更加专业化的对讲 机通信系统，用来满足具体的需求。
进入90年代，随着数字化技术的发展，模拟常规和模拟集群对讲机都开启 了数字化的时代。1991年，摩托罗拉公司的一个重大突破是推出了第一台全数
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字的无线电对讲机——ASTRO，1995年，摩托罗拉公司又成功推出了集成数字 增强网络（iDEN) [3]，它是一种将无线调度、数据和信息处理集成为一体的全
数字通信系统。
进入21世纪，人们对专业通信的需要与日俱增，对讲机主要应用在公安、 民航、运输、水利、铁路、制造、建筑、服务等行业，用于团体成员间的联络 和指挥调度，以提高沟通效率和提高处理突发事件的快速反应能力。随着对讲 机进入民用市场，人们外出旅游、购物也开始越来越多地使用对讲机。而传统 的模拟常规对讲机和模拟集群对讲机系统对无线频谱资源的利用率有限，对讲 机系统数字化的趋势已势不可挡。相比较传统的模拟系统，数字系统具有以下 几点优势[1]:
第一，数字对讲机系统可以更高效地利用无线电频谱资源[4]。比如传统模拟 对讲机每个信道需要12.5kHz或则25kHz的信道带宽，而现有的数字对讲机只 需要6.25kHz的信道带宽，这样信道容量就提高了 2至4倍有效地解决了频谱资 源不足的问题。
第二，数字对讲机系统可以提供话音和丰富的数据业务[4]，而传统的模拟对 讲机只能提供简单的话音业务。数字对讲机提供的数据业务包括有短消息，图 片，地理位置信息等，这些都极大地丰富了对讲机的应用，更好地满足了实际 用户的需求。
第三，数字对讲机能够在更大的范围内提供清晰的话音[4]，如图1.1所示。 虽然在接收信号强度大的地方模拟对讲机的话音质量好于数字对讲机，可是随 着通信距离的增加，接收的信号强度会衰减，这时模拟对讲机的通话质量下降 很快，而数字对讲机还能保持很好的通话质量，这时因为数字对讲机拥有强大 的信道编码保护功能，可以有效地抵抗信道传输噪声，防止话音质量的下降。 而且数字对讲机系统具有语音增强的功能，可以很好地抑制嘈杂的环境噪声， 提供清晰的话音。
第四，保密性好，由于语音信号已经完全数字化处理，所以可以应用更加强 大和复杂的数字式加密技术。
第五，体积小，功耗低，一次充电后的通话时间更长。
第六，数字系统更容易组网，以及与其他网络互联，譬如公共电话网和因特 网，扩大整个系统的网络覆盖面积。
纵观整个无线电对讲机的发展历史，我们可以得出启示，对讲机系统从军用 扩展到民用，从点对点发展到通信网络，从模拟进化到数字，它的应用已经十 分普遍，如今，对讲机系统正朝着小型化，网络化，数字化，专业化的方向不 断前进。相信它势必在工业生产，政府，公共安全以及各个组织部门的内部协 同工作和应急指挥调度过程中发挥更大的作用。