中國科學技術大學自動化系 劉振安 田剛 王岐杰 徐向東
一、 系統的提出及功能
目前我國鐵路交通中的通信主要通過無線通信設備組成。經調查發現，在目前新建的鐵路中，山區鐵路占了很大比重。由于在這些特殊的地理環境下，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濟的通信方式。
在我國現有的鐵路通信系統中，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備臃腫、傳輸能力不強及抗干擾性能差等許多弊病。數字處理系統由于其可靠性高、可編程性強等優勢而廣泛地應用于通信、航空和儀表等各個領域。隨著我國科學技術的發展及數字化進程的不斷提高，數字通信系統的開發已成為大勢所趨。基于以上原因，我們提出了互控電臺的設計方案。
一般的鐵路車站電臺下掛著很多互控電臺，當處于比較復雜的地形時，車站電臺的信號無法直接傳到機車電臺，這時就需要互控電臺來充當媒介。互控電臺的主要任務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，當經過復雜地形后，再以無線信號的形式發給機車電臺。或者相反，由機車電臺發給車站電臺，實現全雙工通信。每個互控電臺都有一定的控制范圍，當機車電臺運行到互控電臺（A）的覆蓋范圍時，通過互控電臺（A）與車站電臺通信，機車繼續運行進入互控電臺（B） 的覆蓋范圍內，則通過互控電臺（B）與車站電臺相互通信。
該系統不同于以往的模擬傳輸系統，而是采用在通話終端一級進行數字化處理（所謂的有線數據傳輸模塊），即先將語音信號數字化，而后將此信號調制在模擬信道（鐵路專用電纜中的兩條信號線）傳輸，在接收端對數字信號解調以還原為模擬信號。為此，必須要求使用合適的調制解調算法及相應芯片。為了滿足通話的質量和速度，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，但是要特別注意調制解調器的速度和經過編碼的語音的數字信號的傳輸速度必須匹配，否則會產生通話信號錯誤、通話中斷、回音、通話非實時性等不良的結果。在實際的設計過程中，應該注意應用一些已開發系統的成熟技術來達到縮短開發時間和提高開發效率的目的。比如在語音的模擬量化和模擬還原及采樣環節中，一些已經成熟的現有設備可以整體組合進入最終的系統中，不必要進行新的開發和調試。所以，適當地比較選擇語音編碼和調制解調算法，對相應芯片性能進行評估和選擇，利用單片機實現對各個芯片的控制，并將各個獨立環節組合成為性能良好的系統，是該通信系統的基本設計思想。
本文主要討論的就是有線數據傳輸模塊，它主要完成語音信號的數字化，語音數字信號的編解碼，數字信號的調制解調傳輸等方面。
二、系統的設計要求
該系統的基本性能要求包括以下幾點：(1)能在弱場區代替中繼器實現正常的無線列調通信；(2)傳輸的電纜使用的是現在鐵路通用的標準同軸電纜，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字化語音信號；(3)設備應采用先進的語音處理技術，傳輸距離能達到15公里以上，沿線無需任何數據中繼設備；(4) 采用的數據傳輸模塊，應具有如下性能：語音壓縮解壓及數字化處理，數字化語音調制解調功能，全雙工工作，數據傳輸具有一定的糾錯功能等；(5)機車電臺越區時要實現無縫隙切換，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，只要數據線上的數據不沖突，即從互控電臺（A）轉向互控電臺（B）時，實現通話不斷音；(6) 由于從基地臺傳來的信號包括控制信號和語音信號，所以應把語音信號進行數據采樣和壓縮處理，而控制信號是以不同的頻率來選擇互控電臺、機車電臺以及要發送信號的類型，因此，如果進行壓縮處理，小小的偏差都會導致很嚴重的錯誤，所以控制信號要單獨發送，以亞音頻信號（低于300Hz的頻率）的形式發送。應選擇合適的方式傳輸，處理這兩種信號。
三、系統的構成及基本原理
因為該系統主要的技術點都在互控電臺的有線數據傳輸模塊里，所以，著重討論有線數據傳輸模塊的構成及基本原理。
有線數據傳輸模塊應包括語音信號采集模塊、語音壓縮模塊和調制解調傳輸模塊，它們之間的聯系如圖1所示。
圖1 有線數據傳輸模塊示意圖
（一）語音信號采集模塊
語音信號經過預濾波和采樣后，由A/D變換器變換為二進制字碼。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，出現小信號樣值的概率比出現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性規律的，因此可以讓量化區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范圍，使大信號時不會出現過載現象。
（二）語音數字信號壓縮模塊
64kbit/s的PCM信號發出后，由于占用較大的帶寬，因此需要對采樣的數據進行記錄和處理。語音的數字化有不同的方式，而不同的處理角度和方法就形成了不同的語音編碼技術。用于通信傳輸的語音編碼系統的框圖如圖2所示。
在現有的基礎上，采用ADPCM和CELP混合進行語音的采樣量化以及壓縮編碼是十分可行的，而且據調查所知，目前世界上比較成熟的數字移動通信產品絕大多數都是利用類似的技術組合。但后來發現這種混合的組成系統的方法并不適用于該項目。在對許多現有技術和相應系統進行比較和鑒別之后，最終選擇了Digital Voice Systems, Inc公司的獨立于ITU.T的G.7語音信號采集模塊主要處理以下工作：預濾波、采樣和A/D變換。在此項目中所使用的數字信號編解碼器就是能夠把輸入的模擬信號轉化成數字信號，或反過來把數字信號轉化成模擬信號。
預濾波的目的有兩個：（1）抑制輸入信號各頻預分量中頻率超出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。
先將人的語音轉化為模擬信號，再經過采樣環節將其數字化。人的語音頻帶決定了我們選擇的采樣頻率。根據采樣定理，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應為2x3400Hz=6800Hz,約為7kHz。但是根據CCITT的長途通信協議的標準，目前各國一般采用的聲音采樣頻率為8kHz；所以，為了將來系統與其他通信設備交流的方便，最終采樣頻率確定為8000Hz。采樣的結果用1字節（8位）數據表示，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轉換芯片的輸出信號均為64kbit/s的PCM信號，因為其語音質量很好，可以還原為十分逼真的語音。
2X系列標準的AMBE語音編解碼算法，其性能完全滿足各個性能指標。AMBE 算法的性能如下，比特率為4kbit/s，編碼質量可以達到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開始發布AMBE1000+系列語音編解碼芯片，隨時可以得到及時的貨源和高質量的技術支持。
圖2 語音編碼系統框圖
在實際的系統中，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和數模轉換模塊，所以必須為語音的量化和還原環節采用合適的A/D-D/A轉換芯片以及相應的濾波處理環節。
（三）數字語音信號傳輸模塊
該系統的另一個重要的組成部分是載波通信系統，也就是模擬信道的數字信號的傳輸環節。為了使在傳輸的過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，選擇合適和經濟的數字信號傳輸方案尤為重要。
數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，與一般的傳輸介質相適應，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行控制，使這些參量隨基帶信號的變化而變化，即所謂的調制，與此相反，稱之為解調。因為數字調制是用載波信號的某些離散狀態來表示所表達的信息，在接收端也只要對載波信號的離散調制參量進行檢測。因此，數字調制信號又稱之為鍵控信號。
在二進制情況下，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用。
相位調制由于占用頻帶少、抗噪聲性能好、抗衰落能力強等特點，是很有發展潛力的一種調制方式。但是經過我們的實際分析和實驗，認為在目前的系統中采用相位調制是不可取的。
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行平滑預處理，調制后的信號相位在碼元轉換時刻不僅連續而且變化平滑，從而達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，具有調制速度更快，實現更方便，系統構成簡單，集成度高等優點，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，再經過對貨源市場等因素經過考慮，我們最終確定了CML公司的FX系列的調制解調芯片為傳輸的調制環節。FX系列調制解調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據的正確傳輸。在傳輸命令或者狀態信息時，需要的誤碼率低而且并不需要很高的傳輸速度，為保證傳輸質量，選用了9.6kb/s的GMSK FX909A作為調制解調器。
