MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊技術(shù)研究與應(yīng)用

一

前言

近年來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，影響著人們生活的方方面面，甚至改變了人們的生活方式。相對于近些年來蓬勃發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，短波通信技術(shù)是一種古老的通信技術(shù)。自1901年意大利工程師馬可尼實現(xiàn)了跨越大西洋的無線電通訊至今，已經(jīng)經(jīng)歷100多年的發(fā)展。短波通信具有短波通信設(shè)備價格低廉，便攜型強，傳輸距離遠且無需有源中繼等特點使之成為在應(yīng)對突發(fā)公共事件，自然災(zāi)害等重大突發(fā)事件中信息傳輸?shù)闹饕５淄ㄓ嵎绞街?。然而短波電臺的通信質(zhì)量受所使用地域的電磁環(huán)境和天線的架設(shè)方式直接影響很大。當(dāng)短波天線架設(shè)在電磁環(huán)境良好且周圍無障礙物的區(qū)域時，短波的通信質(zhì)量將得到顯著的提高。正因為如此，為了獲得更好的短波通信質(zhì)量，很多應(yīng)急部門將電臺和天線架設(shè)在指揮所附近的山上或者高層建筑物的樓頂?shù)瓤諘鐓^(qū)域。而指揮所的位置因為交通或者其他方面的原因不能設(shè)置在短波電臺所部屬的位置，有時指揮所所在的位置與短波電臺部署的位置的距離長達20KM或更遠，這就需要在指揮所通過一些遠程控制設(shè)備遠程控制架設(shè)在附近山上或高層建筑樓頂?shù)亩滩娕_。MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊就是針對這些需求而研發(fā)的具有音頻全雙工實時網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)全雙工實時網(wǎng)絡(luò)透明傳輸功能的設(shè)備，從而實現(xiàn)指揮所遠程控制系統(tǒng)和無線電通信設(shè)備特別是短波電臺之間的實時語音通信和短波電臺的遠程遙控指令控制，解決地下指揮所對地面短波電臺實時語音及數(shù)據(jù)通信問題。

二

設(shè)備介紹

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊是一種適應(yīng)長距離語音和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)脑O(shè)備。支持語音的長距離全雙工實時網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于RS232的串口數(shù)據(jù)實時網(wǎng)絡(luò)傳輸和基于CAN總線的數(shù)據(jù)實時網(wǎng)絡(luò)傳輸及電平量實時網(wǎng)絡(luò)傳輸?？捎糜谥笓]所對遠程電臺的實時語音傳輸和實時電臺控制指令的遠程傳輸，也可廣泛的用于任何需要遠程音頻和數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)膱鼍啊?/p>

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊硬件采用STM32F407芯片作為主芯片，使用WM8978音頻芯片用于音頻的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，LAN8720A網(wǎng)絡(luò)芯片用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，TJA1040 CAN總線芯片用于CAN總線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，MAX3232芯片用于RS232端口的電平轉(zhuǎn)換。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖 1 語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊框圖

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的嵌入式軟件是基于UCOSII實時操作系統(tǒng)并搭配LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進行開發(fā)。MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊同時具備音頻，串口數(shù)據(jù)，CAN總線數(shù)據(jù)和電平量的全雙工網(wǎng)絡(luò)實時傳輸功能，這就要求所使用的操作系統(tǒng)可同時執(zhí)行和調(diào)度多個任務(wù)并且各個任務(wù)之間的延時要盡可能小，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。UCOSII實時操作系統(tǒng)極好的滿足上述需求，UCOSII實時操作系統(tǒng)具有任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時間管理，內(nèi)存管理等基本功能且所占用資源小和可裁剪的特點十分適合嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)，并被廣泛的用于各類嵌入式芯片的系統(tǒng)開發(fā)。LWIP協(xié)議棧用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的搭建及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，LWIP協(xié)議?？稍赨COSII實時操作系統(tǒng)環(huán)境下運行，支持TCP和UDP協(xié)議的主要功能，并且所占用的單片機資源相對較小，十分適合用于搭建基于單片機的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的語音和數(shù)據(jù)的全雙工實時網(wǎng)絡(luò)傳輸采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)。音頻的全雙工實時網(wǎng)絡(luò)傳輸采用無連接協(xié)議的UDP協(xié)議。UDP協(xié)議不是可靠的傳輸層通信協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)繁忙或者網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的情況下，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可能會丟失，但UDP協(xié)議具有占用資源小和數(shù)據(jù)處理速度快的特點。音頻數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)的完整性要求不是很高，即使丟失一些數(shù)據(jù)包，也不會對接收的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此無連接協(xié)議的UDP協(xié)議十分適合音頻的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸。而數(shù)據(jù)的透明傳輸，則必須保證所傳輸數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，因而數(shù)據(jù)的透明網(wǎng)絡(luò)傳輸采用更安全，更可靠的TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)RFC793的定義，TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一種面向連接的，可靠的，基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊可支持單播（unicast）和組播（multicast）兩種不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，并可設(shè)置兩種不同的音頻輸入源（MIC輸入或者線輸入），音頻輸出增益可配置，音頻傳輸功能可配置等功能，使MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊可適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

三

應(yīng)用場景

3.1點對點實時音頻和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸（單播）

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊如上圖所示，可進行點對點的音頻，數(shù)據(jù)傳輸，通過公網(wǎng),專網(wǎng)或者本地局域網(wǎng)的IP網(wǎng)絡(luò)進行語音，RS232數(shù)據(jù)，CAN總線數(shù)據(jù)和電平量數(shù)據(jù)的全雙工網(wǎng)絡(luò)傳輸?？蓮V泛的用于任何需要遠距離實時傳輸音頻和數(shù)據(jù)的場景，如需要對設(shè)備進行遠程監(jiān)控的應(yīng)用場景，需要對音頻進行遠距離實時傳輸?shù)膽?yīng)用場景或者需要實時傳輸設(shè)備控制指令已實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制的應(yīng)用場景等。

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊采用網(wǎng)頁服務(wù)器對模塊的各項參數(shù)進行配置，可簡單方便對模塊的各項參數(shù)進行查看或者修改。無需安裝配套軟件，只需通過已連接到與模塊同一IP網(wǎng)絡(luò)的電腦自帶的網(wǎng)頁瀏覽器，在地址欄輸入相對應(yīng)的模塊的IP地址即可進入到模塊各項參數(shù)的配置頁面。在參數(shù)配置頁面，可查看模塊當(dāng)前的各項參數(shù)，并可對模塊的各項參數(shù)進行編輯和修改。

3.2短波電臺的遠程控制和實時語音傳輸（單播）

基于3.1所介紹的點對點音頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用場景，MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊可用于指揮所對短波電臺的遠程控制和語音實時傳輸。指揮所可通過電腦或者其他設(shè)備將電臺的控制指令通過近端MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊RS232端口發(fā)送到近端模塊，近端模塊接收到電臺的控制指令后，將所接收到的電臺控制指令根據(jù)RS232數(shù)據(jù)透明傳輸協(xié)議對數(shù)據(jù)進行拆分打包，并通過網(wǎng)絡(luò)將已打包好的電臺控制指令通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端的MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊，遠端模塊根據(jù)RS232透明傳輸協(xié)議將電臺控制指令從所接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中解析出來，并通過與透傳模塊的RS232端口將電臺控制指令發(fā)送到電臺，實現(xiàn)短波電臺的遠程控制。

語音信號同樣可通過近端MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的音頻輸入端口將模擬音頻信號進行數(shù)字化處理后通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊，遠端模塊對數(shù)字音頻信號進行解碼，并通過音頻輸出端口將解碼后的模擬音頻信號發(fā)送到短波電臺，實現(xiàn)實時語音信號的遠程傳輸。

PTT電平量可通過近端MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的電平量輸入端口將電平量信號發(fā)送到近端模塊，近端模塊接收到電平量信號后，進行數(shù)字化話處理，并將數(shù)字化處理后的電平量信號通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠端模塊，遠端模塊根據(jù)電平量透明傳輸協(xié)議解析出近端所輸入PTT電平量信號后，將PTT電平量通過電平量輸出端口發(fā)送到所連接的短波電臺。

短波電臺的遠程控制及實時語音傳輸?shù)木唧w應(yīng)用如下圖所示：

3.3 實時音頻信號的組播網(wǎng)絡(luò)傳輸（組播）

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊可實現(xiàn)音頻的組播單工實時網(wǎng)絡(luò)傳輸。將三塊或更多MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊連接在同一個IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)置其中一塊MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的工作模式設(shè)置為服務(wù)器模式，其它的MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的工作模式設(shè)置為客戶端模式，并將所有連接在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的組播地址和組播端口設(shè)置為相同的組播地址和組播端口，即可實現(xiàn)音頻信號的實時組播網(wǎng)絡(luò)傳輸。如下圖所示，當(dāng)工作模式為服務(wù)器的MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊接收到語音信號后，將接收的語音信號經(jīng)過數(shù)字化處理后通過組播（multicast）的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將音頻信號傳輸?shù)脚c服務(wù)器模塊擁有相同組播IP地址和端口的遠端的客戶端模塊，客戶端模塊接收到音頻數(shù)據(jù)后，通過音頻芯片的解碼將聲音播放出來。該應(yīng)用場景十分適合組建基于IP網(wǎng)絡(luò)的廣播系統(tǒng)，如學(xué)?；蛘咂渌矆鏊?。相比于傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)，基于IP網(wǎng)絡(luò)組播的廣播系統(tǒng)可通過調(diào)整各個模塊的組播IP地址和端口從而實現(xiàn)將特定信息發(fā)送到特定模塊的功能。將電腦或其他設(shè)備連接到模塊所屬的網(wǎng)絡(luò)中即可簡單方便的通過自帶的網(wǎng)頁瀏覽器對網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊的組播IP地址和端口或者其它參數(shù)進行設(shè)置。

四

主要功能與參數(shù)

MK-302語音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透傳模塊的主要功能是實現(xiàn)音頻的網(wǎng)絡(luò)實時傳輸和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實時透明傳輸。設(shè)備的詳細功能介紹和參數(shù)說明詳見下文的設(shè)備功能表和參數(shù)說明表。

表格 1：設(shè)備功能表

表格 2：設(shè)備參數(shù)說明表

3. 設(shè)備主要技術(shù)特性

4.模塊尺寸及接口布局