有/无线转接系统的实现

    摘要：本文介绍了一种有无线转接系统的功能特点、硬件方案、关键技术和软件设计技工。

    关键词：转接 程控交换 单片机

引言

    有无线转接系统应用于综合移动通信系统。该系统通过采用可靠的语音检测技术，将短波自适应跳频电台、UHF超短波电台、VHF超短波电台和有线通信网经人工应答转接方式可靠的连成一体，完成短波、超短波单工电台间及短波、超短波单工电台与有线网间的转信功能。系统及外围设备的连接关系如图1所示。

    有无线转接系统可以工作于自动或操作员干预模式下完成短波、超短波、和有线通信网等信道之间的转接。

    系统实现

    这里着重介绍系统实现的关键技术，对其它方面只作简要说明。

    硬件部分功能

    接口功能：单工电台接口（短波电台、短波声码话、超短波电台和话务员接口）-----包括音频信号的输入/输出隔离放大和阻抗匹配、控制信号输入/输出的隔离、PTT控制信号选择。有线信道接口------包括音频信号二/四线变换、有线输入音频信号自动电平控制、讲话方识别、振铃信号检测、摘挂机与脉冲拨号。

    输入与状态指示功能，该功能由键盘、显示单元电路和450Hz振荡器电路实现。

    音频信号连接功能，由大于9×8的模拟交换矩阵完成。

    利用可靠的语音信号检测产生PTT控制信号。

    脉冲/双音多频拨号功能。

    硬件系统总体构成和各单元电路的连接关系如图2所示。

    系统控制单元接收键盘和信道接口传来的信号，按照指定方式更改系统的工作状态，改变各接口单元间的模拟信号连接方式及数字控制信号，完成指定的功能。各单元接口的模拟信号的连接是通过单片机控制下的8×16模拟交换矩阵来实现的。

    系统中共有八个模拟输入信号，分别为：短波信道音频输入信号HFR、超短波音频输入信号UHFR、声码器音频输入信号VCR、有线信道输入信号TELR、话务员语音输入信号SVRR、语音延时输出信号VOXO、450Hz单音信号SD和DTMF输出信号DTMFI。

    系统的模拟输出信号共有九个，分别为：短波信道音频输出信号HFT、超短波信道输出信号UHFT、声码信道输出信号VCT、有线信道输出信号TELT、第一路话务员音频输出信号SVRT1、语音延时检测输入信号VOXI、第二路话务员音频输出信号SVRT2、有线信道DTMF信号输入DTMFT和超短波信道DTMF信号输入。

    考虑到将来扩充功能的需要，系统的模拟输出信号构成了交换矩阵的行信号，模拟输入信号构成了交换矩阵的列信号。交换矩阵的连接关系如图3所示。

    系统中的数字信号分为控制信号和单工电台键控信号两部分。控制信号均由单片机产生并通过I/O扩展接口输出到相应的电路单元。单工电台键控信号包括有线语音键控信号、语音检测信号、超短波静音信号和话务员PTT键控信号。根据工作方式的不同由这些信号经GAL芯片逻辑组合得到提供给单工短波电台所需的PTT信号。

    关键技术

    可靠的语音检测技术

    进行可靠的语音存在检测是实现单工电台入有线通信网及不同频段单工电台间实现转信的基础。早期一般采用比较简单的能量检测方法，对噪声很敏感，只适用于高信噪比的条件。改进后的一些方法，如过零率和自适应门限等，虽然抗噪声能力有了较大提高，但是对于干扰强度大、类型复杂的短波无线信道或存在强干扰噪声条件下的战场有线信道仍然难以适应。随着DSP技术的快速发展，使利用语音频谱特征进行语音存在检测的复杂算法得以实时实现，为在强噪声环境下进行可靠的语音存在检测开辟了新的途径。在本系统中，我们采用了在以TMS320C25DSP为核心实现的基于谱相关的语音存在检测算法作为语音检测单元。

    采用该算法具有如下特点：

    * 对输入信号幅度不敏感。

    * 延时时间较短，可以在256ms内检测出语音是否存在。

    * 具有良好的敏感度和精度，可以在0dB以下的噪声环境中可靠地检测出语音信号，对大多数噪声类型不会发生误检。

    * 不会将正弦波误检为语音。

    上述特点基本满足有无线转接系统对语音检测的要求，有效的改善了噪声环境下转信的效果。

    有线信道与无线短波信道转信

    在各种转接关系中，有线信道与无线短波信道间的音频转接性能是转接控制系统性能水平的重要标志，是有/无线转接系统设计过程中所需解决的难点问题。

    普通的语音键控有/无线转接模型如图5所示。该方式通过检测有线信道有无话音来确定PTT的状态（握键或释放）。这种方式在实际应用中存在如下问题：

    * 侧音回波问题

    由于二/四线变换过程中出现的不匹配，在本地和远地形成侧音和回波，使得语音检测装置检测到无线短波信道传来的语音信号，造成短波讲话过程中PTT信号振荡，无法进行转接。

    当前，通常采用人工或自动的均衡网络调整或自适应回波抵消技术来消除侧音和回波的影响。另外，通过改造短波电台，增加PTT状态信令标志的方法，使语音检测装置在短波信道讲话时停止工作，也可以克服侧音和回波造成的影响。

    上述方法中，人工或自动的均衡网络调整均会给使用方造成不便。自适应回波抵消技术的均衡算法在某些噪声环境下会不收敛，并且技术复杂功能单一，增加了设备的成本。PTT状态信令标志法虽然原理上简单可靠，但是面临着对众多短波电台的改造，并使其通用性下降。

    * 剪音问题

    由于语音检测及PTT握键等造成的延时，使短波用户可能听不到有线用户开始讲话时的几个音节，降低了转接的通信效果。通过调节语音检测的灵敏度从一定程度上可以使该问题得到改善，但降低了语音检测的抗噪声性能，并且无法克服由PTT延时造成的剪音现象。对有线语音信号进行可靠的延时，是解决该问题的根本途径。

    * 干扰长发问题

    在民用领域，通过采取消侧音回波及语音延时技术就可以实现可靠的有无线转接。但在军用野战通信中，普通的能量检测或能量过零率算法无法适应在强噪声环境下进行可靠的话音检测，将噪声识别为语音信号，使PTT信号常有效，无法进行语音转接。可靠的语音检测算法是解决该问题的根本途径。实验表明，语音谱分析加相关检测方法可以在强噪声环境下进行可靠的语音检测。

    在本方案中，采用讲话方识别与谱相关语音检测相结合的方法克服侧音回声和有线用户方强干扰环境对转接造成的影响。具有经济可靠的特点。其原理框图如图5所示。

    讲话方识别电路通过四点语音电平检测和噪声监测电路，能够给出有线用户是否讲话的初步指示，该信号与谱相关语音检测电路给出的信号经一定的逻辑运算形成PTT控制信号。设计的逻辑关系如下:

    TXI =>

    !VOX & TI & MOD0 & MOD1

    # !VOX & MOD0 & BACK & MOD1

    # !VOX & TI & MOD0 & !CTL1

    # !VOX & MOD0 & BACK & !CTL1

    # !VOX & TI & MOD1 & !CTL2

    # !VOX & BACK & MOD1 & !CTL2 

    TXI => BACK --------(a) 

    PTT =>

    I2 & !S0 & S1

    # TXI & S0 & !S1

    # !S0 & MPTT & !S1 --------- (b)

    当系统控制单元使（a）式中的MOD0=1，MOD1=1；（b）式中的S0=1，S1=0进入有/无线模式。此时的真值表如下表所示。

    上表说明只有当受话方有话（TI=1），并且语音检测单元也给出语音存在信号时（VOX=0），有线语音键控信号才有效（TXI=1）。但是只有当语音检测单元给出语音不存在信号时（VOX=1），有线语音键控信号才无效（TXI=0），而不随讲话方识别的结果而变化。由此得出控制逻辑：只有谱相关语音检测电路与讲话方识别电路均给出有线用户讲话的指示时，PTT信号才有效。而只有当谱相关语音检测电路指示有线用户讲话结束时PTT信号才释放。同时，谱相关语音检测电路还完成语音信号的数字延时，以克服剪音现象。讲话方识别电路克服了侧音与回波对语音检测的影响，而谱相关语音检测电路又消除了干扰噪声的作用。两方面结合起来形成了可靠的PTT控制信号。谱相关语音检测电路即具有克服剪音的语音延时功能，又可以通过交换矩阵用于短波与超短波间的转接过程，充分发挥其作用，降低了系统的成本。

软件设计

    有无线转接系统软件是为了满足多种通信手段之间的连接而设计的，其基本任务是识别各种输入信号，控制有关硬件电路完成转接关系并输出规定的显示信息。系统的输入包括操作过程中的按键输入和各信道远端的呼叫请求，输出则体现为操作目的的实现和相应的声光信号。另外，为了保证系统在移动通信系统的电磁环境中正常运转，软件中必须采取抗干扰措施，提高系统的可靠性。

    本软件采用结构化程序设计方法，把按键处理、呼叫处理、灯光指示、自动拆线分别作成模块，彼此通过一组系统变量建立联系。这一组系统变量包含了接口控制、状态序号以及显示模式三部分。在不影响程序可读性的前提下，还加入了系统重入、复位陷阱等安全措施。

    CPU选择89C51，其P0口完成地址译码并输出控制信号，P1口采集键输入和呼叫信号，计时中断0用作指示灯多种闪烁模式的信号发生器，计时中断1放置监控程序体。

    芯片8255用于单片机接口的扩展，共提供PA,PB,PC三个八位并行口，本系统将它们全部定义为输出方式，输出控制信号。

    芯片8816是主要的转接执行器件。芯片DS1232用作看门狗，通过CPU控制。

    系统的状态转换是通过查表操作完成的。软件中最复杂的部分是按键处理。本设计采用在有限范围内转移的方法，即键输入与当前系统状态共同决定次态。

    确定按键后，第一步算出键编码作为查表变址，当前状态序号与状态转移表首址相加做为基址,利用查表指令从“状态转移表”中读出次态的序号；第二步以次态序号为变址，参数表首址为基址，从“参数表”中查出次态对应的系统变量；第三步修改原来的系统变量，完成状态转移。这样每次转移都以现状态为起点，实现了在有限范围内（几个键就有几种转移方向）转移的目的。

    按键处理模块后接着执行自动拆线模块和呼叫处理模块，先判断是否已存在连接，如果有连接就停止当前的呼叫处理并禁止响应后续呼叫申请。无连接时读入呼叫申请，判断到有呼叫而且允许响应时（该信道未被激活），置该信道呼叫；若无任何呼叫申请，则停止当前的呼叫处理。当参与连接的二信道均无信号时（或有线信道挂机出现忙音），立即开启自动拆线计时器，当自动拆线计时器计满时，发出声光信号提示操作者，提示持续一定时间后自动拆除连接。自动拆线模块执行期间，不影响对呼叫的响应。自动拆线计时过程可以被任意一次按键、任一信道的信号复位。

    每一个有效状态都对应一组声光指示，程序中把这些指示纳入系统变量。在键处理模块中除了要转移到正确的次态，也要修改各个指示灯的闪烁模式，灯光指示模块按照这些模式控制所有指示灯。

    本控制器利用LED亮和/或灭时间的长短表示“无效”、“应答”、“保持”、“连接”、“插入”、“呼叫”、“警告”等七种灯光指示信号。利用BUZZER鸣和/或停时间的长短表示“呼叫”、“确认”、“非法”三种声音提示信号。 

    程序框图示与图6。

应用

    本有/无线转接系统采用目前先进的语音检测、处理及控制技术，提高了系统的可靠性、稳定性和实用性，转接系统经过性能测试、功能试验、通信试验，其性能指标及控制功能均达到要求。该转接系统得到了广泛应用，已大量装备到我军的１２５Ｗ跳频移动综合电台车上，满足了装车和战技要求。

结语

    有/无线转接系统与国内同类产品相比，具有功能全、可靠性高、抗干扰能力强、通话质量好的特点，达到国内先进水平。

    随着DSP芯片性能价格比的迅速提高,各种实用化语音信号处理系统的性能会得到进一步的完善．同样, 随着相关实用技术的进一步发展，采用更先进的语音处理芯片和技术，可使本有/无线转接系统的实用性更强。