一种窄带无线数字语音时分双工对讲系统的制作方法

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种窄带无线数字语音时分双工对讲系统。

背景技术：

目前，ISM频段的远距离双向无线语音对讲由模拟语音方案占据市场主导地位，但是无线模拟语音方案频率利用率低、功耗大、体积大，而且无线模拟语音技术无法实现数传功能，在实际应用中往往需要传递除语音之外的数据信息。

当前已有的双向无线数字语音技术主要有无线宽带语音（比如2.4G赫兹）和基于公网的无线语音技术两种。

1. 无线宽带语音载波频率高（常用2.4G，5G等），最大的缺点就是通信距离短，绕射能力弱，信号容易被物体阻挡；

2.基于公网的无线语音技术固然可以解决通信距离问题，但是本身是基于公网的对讲技术，在公网覆盖不到的地方无法应用，而且费用高，需要持续付费。而且公网系统复杂，响应速度无法和ISM频段的对讲技术媲美。

上述语音技术都有固有的缺陷，限制了应用场景，现在很多场合看不到无线语音的产品，比如楼宇对讲，还是有线对讲的天下。酒店、咖啡厅、饭店用的呼叫器只有单纯的响铃功能，不能对讲，作用非常有限。电梯对讲还是老旧的无线模拟对讲技术。

1. 无线模拟对讲需要双频点实现，一个频点接收，一个频点发送，频率利用率低，持续发射导致功耗大；

2. 无线数字宽带语音对讲，载波频率高，一般是2.4G，绕射能力差，通信距离短；

3.基于公网的无线对讲技术，需要在有网络覆盖的区域才能使用，而且需要持续付费，响应速度慢。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的不足，提供一种替换掉老旧的无线模拟语音对讲技术，同时大大拓宽无线语音对讲，特别是双向语音对讲的应用市场，采用无线数字窄带技术，采用低于1G赫兹的载波频率，绕射能力强，通信距离远，没有地域限制，使用不需要付费，可实现双向通信。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种窄带无线数字语音时分双工对讲系统，包括一个双向对讲系统，该双向对讲系统均包括一个用于控制整个系统的CPU控制模块、以及一个用于信号传输用的无线接收、发送模块，该无线接收、发送模块为对讲系统外接或者嵌入于对讲系统内部；

还包括一个语音信号输入端、一个语音信号输出端、一个语音信号转换模块和一块控制主板，CPU控制模块安装于该控制主板上；

控制主板上还包括一个回声消除模块，用自适应滤波器估计回声信号，从麦克的被污染的语音信号中减去该估计的回声信号，实现回声消除；

一个语音编码器，用于对数据进行压缩编码，并将编码后的语音数据传输给空口协议层；

一个语音解码器，用于对语音数据进行解码，空口协议层将语音数据传输给语音解码器，语音解码器解码完成传输给语音信号输出端；

一个控制逻辑层，负责和空口协议层交换数据，通过串口实现人机接口，接收来自串口的命令，实现系统控制和系统状态显示；

以及一个空口协议层，空中接口协议层为两个或者多个平等的设备之间传递信息服务，空口协议层分为三层，物理层、数据链路层以及呼叫控制层；

控制逻辑层上设置有人机接口以及参考时钟，参考时钟是保证时隙对齐的基础，综合成本与精度的考虑。

作为优选的技术方案，语音信号输入端包括设置于每个对讲系统内的咪头，而语音信号输出端为设置在于每个对讲系统内的喇叭。

作为优选的技术方案，语音信号转换模块包括音频DAC转换电路以及音频ADC转换电路，音频DAC转换电路连接语音信号输出端，而音频ADC转换电路连接语音信号输入端，模拟信号经过音频ADC，变成数字语音信号，而音频DAC转换电路用于转换成模拟语音信号驱动喇叭。

作为优选的技术方案，空口协议层连接无线接收和发送模块，空中接口协议栈垂直划分成控制面和用户面，控制面处理控制信息和短数据业务，用户面处理语音数据业务。

作为优选的技术方案，采用单频点的时分复用技术，把时隙划分为接收时隙和发送时隙，进行语音数据的实时双向传输，从而实现双向对讲。

作为优选的技术方案，语音双向通话过程中，以发起呼叫方或者是接收呼叫方的时隙为基准，对通信双方的时隙进行对齐。

作为优选的技术方案，音频ADC转换电路的数字语音信号传输给回声消除模块，回声消除后将其数字语音信号传输给语音编码器进行压缩编码，从而实现无线窄带传输。

作为优选的技术方案，所述参考时钟用高精度的恒温或者温度补偿晶体振荡器。

作为优选的技术方案，所述人机接口采用串口之外的任何总线或者用LCD加键盘。

本发明的有益效果是：1、本发明用单频点，语音数据的接收和发送在不同的时隙完成，相对无线模拟双向对讲的持续发射，发射功耗明显变小，频率利用率高；

2、采用无线数字窄带技术，采用低于1G赫兹的载波频率，绕射能力强，通信距离远；

3、没有地域限，使用无需收费，本身就是双向通话。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整体系统方框图；

图2为空中接口协议栈

图3为回声消除模块流程图；

图4为呼叫流程图；

图5为点对点短数据发送流程图；

图6为点对多点短数据发送流程图；

图7为语音帧时隙同步示意图。

图8为控制面帧结构；

图9为用户面语音帧结构；

图10为用户面特殊控制帧结构。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图1-10所示，包括一个双向对讲系统，该双向对讲系统均包括一个用于控制整个系统的CPU控制模块、以及一个用于信号传输用的无线接收、发送模块，该无线接收、发送模块为对讲系统外接或者嵌入于对讲系统内部；

还包括一个语音信号输入端、一个语音信号输出端、一个语音信号转换模块和一块控制主板，CPU控制模块安装于该控制主板上；

控制主板上还包括一个回声消除模块，用自适应滤波器估计回声信号，从麦克的被污染的语音信号中减去该估计的回声信号，实现回声消除；

一个语音编码器，用于对数据进行压缩编码，并将编码后的语音数据传输给空口协议层；

一个语音解码器，用于对语音进行解码，空口协议层将语音数据传输给语音解码器，语音解码器解码完成传输给语音信号输出端；

一个控制逻辑层，负责和空口协议层交换数据，通过串口实现人机接口，接收来自串口的命令，实现系统控制和状态显示；

以及一个空口协议层，空中接口协议层为两个或者多个平等的设备之间传递信息服务，空口协议层分为三层，物理层、数据链路层以及呼叫控制层，如图2所示；

控制逻辑层上设置有人机接口以及参考时钟，参考时钟是保证时隙对齐的基础，综合成本与精度的考虑。

语音语音信号输入端包括设置于每个对讲系统内的咪头，而语音信号输出端为设置在于每个对讲系统内的喇叭。

语音信号转换模块包括音频DAC转换电路以及音频ADC转换电路，音频DAC转换电路连接语音信号输出端，而音频ADC转换电路连接语音信号输入端，模拟信号经过音频ADC，变成数字语音信号，而音频DAC转换电路用于转换成模拟语音信号驱动喇叭，空口协议层双向连接无线接收和发送模块，空中接口协议栈垂直划分成控制面和用户面，控制面处理控制信息和短数据业务，用户面处理语音数据业务。

音频ADC转换电路的数字语音信号传输给回声消除模块，回声消除后将其数字语音信号传输给语音编码器。

参考时钟用高精度的温度补偿晶体振荡器TCXO，人机接口采用串口之外的任何总线或者用LCD加键盘。

CPU控制模块是整个系统的核心，它完成回声消除、语音编码、语音解码、空口协议、逻辑控制等核心功能。

系统最核心的功能是语音通话功能，当本地设备和远端设备呼叫建立以后，对每个设备来说，都是发送时隙和接收时隙依次交替，本地的发送时隙是远端的接收时隙，反之亦然。

发送时隙时，咪头的模拟信号经过音频ADC，变成数字语音信号，由CPU进行回声消除处理，去掉咪头采集到的喇叭发出的声音信号，再由CPU进行语音编码，对语音数据进行压缩处理，经过空口协议层打包成语音数据帧，通过无线发送模块发送。

接收时隙时，无线接收模块接收到的数据，首先由空口协议层解包，送给语音解码模块进行解压缩，还原成原始语音数字信号，再由音频DAC转换成模拟语音信号驱动喇叭。

控制逻辑层和空口协议层交换数据，通过串口实现人机接口，接收来自串口的命令，实现系统控制，比如发起呼叫，接收呼叫，参数设置，使能或者禁止音频DAC、ADC，并给其提供时钟源，控制无线接收和发送模块的工作状态。同时，通过串口显示状态信息。

参考时钟的精度对整个系统的正常运行至关重要，它通过控制逻辑层给空口协议层提供时钟基准，是发送时隙和接收时隙对齐的基础。

人说话的声音频率一般小于3400HZ，所以8KHZ的采样率对于对讲系统来说，已经足够了。基于对讲的应用一般采用16BIT精度的AD转换，一个采样点两个字节。如果原始数字语音在信道上传输的话，码率是8K×16，也就是128K bits/s，再考虑到是双向对讲，实际需要的空中（OTA: over the air）码率大于256K bits/s（至少还需要传输帧同步信息、前导码等），这么高的传输速率在窄带无线系统上是难以实现的，需要对数据进行压缩处理。

语音编码主要分为时域波形编码和参数编码。波形编码音质好，但是压缩率低，不适合窄带无线传输，有代表性的是国际电信联盟的G.711，码率是64K bits/s；参数编码原理是提取语音的参数模型，解码时根据参数来合成语音。现在基于线性预测（LPC）的参数编码的发展越来越成熟，涌现出了很多音质好，码率低的声码器，这里采用SPEEX，SPEEX是开源软件，包括声码器和回声消除算法，而且没有版权的问题。SPEEX声码器有多种码率可以选择，我们选用最低的码率5.95K bits/s。采样率是8K，每采集20毫秒的数据为一帧，也就是160个采样点为一帧，编码后，每帧压缩为119bit，每秒总共50帧。

回声，就是自己说的话又被自己听到，是远端设备的扬声器的声音又重新回到麦克风引起的。回声消除，顾名思义就是消除回声，这样自己就不会听到自己的声音。回声消除我们采用SPEEX开源软件。回声消除的基本思想是构造一个自适应滤波器，用该自适应滤波器估计回声信号，从麦克的被污染的语音信号中减去该估计的回声信号，实现回声消除，如图3所示。

d(n)是麦克采集的信号，是本地实际语音信号v(n)和实际回声信号y(n)的和，h(n)是实际回声路径的冲激响应。(n)是估计的回声路径冲激响应，(n)是估计的回声信号，d(n)减去(n)得到实际语音信号v(n)的估计值e(n)。

所以回声消除模块的输入是接收的远端的语音信号x(n)和麦克采集的信号d(n)，输出是本地实际语音信号v(n)的估计值e(n)，然后e(n)将进行语音编码，传给远端，驱动远端扬声器。

空中接口协议为两个或者多个平等的设备之间传递信息服务（多个设备之间传递信息仅限于广播短数据业务），所谓平等的设备，是由于没有基站，不存在上行传输和下行传输，设备拥有的逻辑功能和权限都是一样的。空口协议分为三层：物理层（L1）、数据链路层（L2）、呼叫控制层（L3），如图2所示。

1. L1 物理层

物理层是空中接口的最底层，比特流在此信道上直接传输。系统工作在433M赫兹ISM频段，数字调制采用GMSK，它有好的功率频谱特性和抗噪声性能，带外辐射小，频带利用率高。空中码率采用20K bit/s。物理层主要有如下功能：

a)物理信道比特流的调制解调；

b)射频发射和接收切换；

c)符号同步。

2. L2数据链路层

数据链路层分为媒体接入控制（MAC）子层和逻辑链路控制（LLC）子层。

媒体接入控制（MAC）子层

A. MAC子层主要是无线信道的接入，主要功能如下：

a)帧同步；

b)逻辑信道分配；

c)MAC地址管理（不同设备仅用三字节长的MAC地址唯一确定）；

d)加扰和解扰；

e)错误检测。

在MAC层实现用户面和控制面的分离，用户面和控制面的帧结构也有所区别。

l 控制面帧结构

控制面的帧同步是五个字节长度，为了节省带宽，目的设备的MAC地址信息也在帧同步信息中，所以必须保证帧同步信息的唯一性，也就是不同设备的控制面帧同步信号是完全不同的。MAC地址0x000000被保留用做公共信道，实现点对多点的信息传输。

帧同步由三字节的MAC地址做8b10b编码，得到30比特，再和10个比特的固定序列“b1010101010”，组合成40比特，也就是五个字节的帧同步信息。

帧结构比用户面的帧结构多了16bit的校验信息，因为控制面的帧必须保证数据的完整性，而且，帧长是变化的，也就是数据段的长度不是固定的，帧结构如图8所示。

l 用户面帧结构

用户面帧结构用户面主要用来传输语音数据，语音业务数据没有校验信息，因为，在实时传输场景，语音数据业务可以不要求信息的100%正确。帧同步也只有三个字节，比控制面的帧同步少两个字节，语音业务数据是基于连接的同步传输，同步信息由发起呼叫方传送，建立连接后，对接收端来说，语音帧到来的时间是可以预测的（以比特数度量，通过实验来测定），只需要在特定的时间段搜索同步信号，因此，较短的帧同步信号也不会导致帧同步的误判，同时，由于语音数据业务是基于连接的传输，没有控制面的帧同步信号的唯一性要求。当然，这么做的目的都是为了节省无线带宽。

帧同步由MAC地址和部分语音数据生成，由三字节的MAC地址和一个字节的语音数据组成两个uint16_t类型的数，异或，得到一个新的uint16_t类型的数，再做8b10b编码，目的是做DC平衡（DC balance），同时保持较小的游程长度（run length），得到20比特的新数后。再和4比特的“0101”组成24比特，也就是3个字节的帧同步信号，用”SYNC”表示。”SYNC”按位取反后用””表示。由于帧同步信号包含语音信息，所以，每一帧的帧同步长度固定，但是内容都是变化的，一个时隙持续10毫秒，接收时隙和发送时隙依次交替。

帧同步为”SYNC”时，该帧为语音帧，如图9所示，帧同步为””时，该帧为特殊的控制帧，如图10所示，用于实现语音通话时的基本系统控制，比如结束呼叫。该特殊的控制帧的长度等于语音帧的长度，不够用二进制“b0101”补齐。

语音数据部分的长度由声码器决定，这里是119比特，整个帧长是固定的175比特，每秒50帧，需要的码率是8.75K bit/s，考虑到是时分复用的双向通信，接收时隙和发送时隙依次交替，码率增加一倍，也就是17.5K bit/s。射频的接收和发送切换需要近1毫秒的时间，所以最终空中码率（OTA码率）定为20K bit/s。

B. 逻辑链路控制（LLC）子层

LLC子层位于MAC子层之上，主要为设备间建立点对点的逻辑连接，LLC子层的主要功能如下：

a)处理逻辑连接；

b)重发机制；

c)错误检测；

d)接收数据响应。

3. L3 呼叫控制层

呼叫控制层完成呼叫控制功能（包括发起呼叫、接收呼叫、拒绝呼叫），短数据业务（支持点对点，点对多点），以及附加业务功能。

呼叫流程

各个设备的功能和权限都是一样的，空闲时都处于接收状态，使用者通过人机接口（串口）发起各种控制。假设A为发起呼叫方，B为接收呼叫方，基本流程：A发出呼叫请求命令“Call req”，B收到请求，B发送“online”消息给A，表示B在线，同时，B开始响铃，使用者听到铃声，通过人机接口发出接收呼叫命令“ACCEPT”，A收到ACCEPT，通话连接建立，开始通话,由发起呼叫方A首先发起语音帧“Audio frame”，B同样以语音帧响应，循环往复，直到A或者B发出结束命令“End”，如果A发送的某一帧B没收到，B的相应帧也不会发送给A，如图4所示。

点对点短数据发送流程

数据由A发往B，B收到后会回复“ACK”表示收到数据正确，如果收到数据校验错误则回复“NACK”，如图5所示。

点对多点短数据发送流程

点对多点短数据发送实际上就是通过公共地址广播数据，没有“ACK”确认包，如图6所示。

语音帧时隙同步

假设有两个设备，分别是A和B，由A发起呼叫。呼叫连接建立以后，不管是A还是B，发送时隙和接收时隙都是依次交替，一个时隙的时间是10毫秒，A的发送时隙就是B的接收时隙，反之亦然。一个时隙发送一个语音帧，帧长是175比特，空中码率是20Kbit/s，所以一个帧的时间长度是8.75毫秒，还有1.25毫秒作为射频收发切换时间。如图7所示，图中A和B的F1到F6时隙时间都是对齐的。

整个呼叫过程中，以发起呼叫方也就是A的发送时隙为基准。A的发送时隙是A以自身的参考时钟为基础，主动发出的。A每间隔20毫秒发送一帧，而不管B能否收到。A每发完一帧数据，马上切换到接收模式，不管是否A收到数据，接收时隙时间到，马上进入发送时隙，发送下一帧。

被呼叫方B只有收到一个完整的语音帧，才能触发发送模式，发完一帧，马上进入接收模式，如此循环往复。如图7所示，如果在F3时隙，B没有收到A发送的语音帧，F3将不是一个有效的接收时隙，从而不会启动F4发送时隙，也就是F4不会发送，F4时隙也处于接收状态，直到收到来自A的一个完整的语音帧，才会触发下一个发送时隙。

参考时钟是保证时隙对齐的基础，综合成本与精度的考虑量，参考时钟用2PPM的高精度温度补偿晶体振荡器TCXO，每经过2.78小时，参考时钟有20ms的误差，这样时钟较快的一方需要丢弃掉一个语音帧，从而和参考时钟较慢的一方保持同步，因此短暂时间内，对通话音质会有一定损伤（只有时钟较慢一方的音质受损伤），考虑到实际使用环境，一次通话2.78小时的情况不会太多，所以2PPM的高精度的参考时钟源还是能满足使用要求。

本发明的有益效果是：1、本发明用单频点，语音数据的接收和发送在不同的时隙完成，相对无线模拟双向对讲的持续发射，发射功耗明显变小，频率利用率高；

2、采用无线数字窄带技术，采用低于1G赫兹的载波频率，绕射能力强，通信距离远；

3、没有地域限，使用不需要付费，本身就是双向通话。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。