基于“北斗”的虛擬多SIM卡語(yǔ)音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏 輝

(中國(guó)人民解放軍92728部隊(duì)，上海200436)

0 引言

“北斗”是我國(guó)自主研制、獨(dú)立運(yùn)行的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，其目的在于為全球帶來(lái)便利，同時(shí)也為保障國(guó)防安全。80年代，我國(guó)就開(kāi)始研制自己的北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)愈發(fā)成熟，為我國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益?！氨倍贰毙l(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱北斗系統(tǒng)，是我國(guó)自行研制的區(qū)域性無(wú)源衛(wèi)星定位系統(tǒng)和有源三維衛(wèi)星定位系統(tǒng)。北斗系統(tǒng)還提供了簡(jiǎn)短雙向報(bào)文通信的功能，使用戶機(jī)與中心站、用戶機(jī)與用戶機(jī)之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，極大地豐富了系統(tǒng)功能。除此之外，北斗系統(tǒng)還具備定時(shí)、授時(shí)功能?，F(xiàn)有的北斗用戶機(jī)只具備普通的報(bào)文通信、定位和導(dǎo)航功能。但是，在抗險(xiǎn)救災(zāi)等惡劣環(huán)境中，有時(shí)需要實(shí)時(shí)進(jìn)行語(yǔ)音通信，這是當(dāng)前的用戶機(jī)所不具備的[1-3]。針對(duì)現(xiàn)有用戶機(jī)的上述不足與缺陷，在前人基礎(chǔ)之上提出一種基于北斗通信的虛擬多SIM卡語(yǔ)音通信傳輸技術(shù)[4-7]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

系統(tǒng)由硬件和軟件2部分組成。硬件部分包括外設(shè)模塊、語(yǔ)音處理模塊以及北斗處理模塊。軟件部分包括DSP信息處理軟件。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

系統(tǒng)工作流程：語(yǔ)音發(fā)送端北斗用戶機(jī)外設(shè)模塊的話筒獲取外界語(yǔ)音信息發(fā)送給語(yǔ)音處理模塊，語(yǔ)音處理模塊把語(yǔ)音信息壓縮編碼后形成的數(shù)據(jù)流通過(guò)MCU接口模塊發(fā)送給北斗處理模塊，北斗處理模塊封包成短報(bào)文后由北斗天線發(fā)送給語(yǔ)音接收端北斗用戶機(jī)，語(yǔ)音接收端北斗用戶機(jī)將接收數(shù)據(jù)經(jīng)北斗處理模塊拆包后發(fā)送給語(yǔ)音處理模塊，語(yǔ)音處理模塊通過(guò)MCU接口模塊接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)流并對(duì)語(yǔ)音壓縮碼流進(jìn)解碼，還原成模擬語(yǔ)音由外設(shè)模塊聽(tīng)筒輸出。

圖1 系統(tǒng)組成

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 北斗處理模塊

北斗處理模塊包含基帶處理單元和信息處理單元2部分。基帶處理單元負(fù)責(zé)語(yǔ)音信號(hào)的發(fā)射與接收；信息處理單元負(fù)責(zé)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的拆包、封包、語(yǔ)音數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)發(fā)送、虛擬多卡的管理以及丟包重發(fā)的處理。

基帶處理單元由接收通道和發(fā)射通道組成，衛(wèi)星信號(hào)通過(guò)天線進(jìn)入射頻模塊，采用2次變頻，最后輸出2路相位相反的零中頻信號(hào)，經(jīng)A/D 芯片(AD9288)采樣后，F(xiàn)PGA(芯片EP3C120F484)根據(jù)信號(hào)格式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤、解調(diào)、幀同步以及譯碼。發(fā)射通道由FPGA對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)按格式要求進(jìn)行卷積編碼，并擴(kuò)頻調(diào)制，經(jīng)射頻模塊一次變頻并放大，由天線發(fā)射出去。

信息處理單元CPU由TMS320C6747DZKBA3，工作主頻300 MHz，是TI公司推出的極低功耗DSP芯片、SPI FLASH、SDRAM以及外圍電路組成。衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)FPGA譯碼后，通過(guò)EMIF總線送DSP處理解析出語(yǔ)音數(shù)據(jù)并封包發(fā)送給語(yǔ)音處理模塊播放語(yǔ)音。

2.2 語(yǔ)音處理模塊

語(yǔ)音處理模塊采用深圳市邁可為科技有限公司自主研發(fā)的一款多碼率語(yǔ)音編解碼芯片MA24126-P1[8-9]。該語(yǔ)音處理算法結(jié)合了二元激勵(lì)、碼激勵(lì)和多帶激勵(lì)的優(yōu)點(diǎn)，將短時(shí)語(yǔ)音劃分為若干子帶，在每個(gè)子帶中分別進(jìn)行清濁音判決。在合成端，采用周期性脈沖和隨機(jī)噪聲的混合序列去激勵(lì)語(yǔ)音合成濾波器，能在較低的碼率下(小于2 400 bps)得到較高質(zhì)量的再生語(yǔ)音。MA24126-P1 支持600，1 200，2 400 bps 三種編碼速率，速率的選擇可由芯片外部管腳或軟件命令進(jìn)行控制。包含語(yǔ)音接口模塊、語(yǔ)音算法模塊、MCU接口模塊和語(yǔ)音配置模塊4部分。

算法模塊：實(shí)現(xiàn)與語(yǔ)音編解碼算法相關(guān)的功能，是語(yǔ)音處理模塊的核心模塊。

語(yǔ)音接口模塊：與外設(shè)模塊相連，用于傳輸語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

MCU接口模塊：與北斗處理模塊相連，用于傳輸編解碼數(shù)據(jù)及配置數(shù)據(jù)。

語(yǔ)音配置模塊：根據(jù)配置引腳狀態(tài)或外部配置數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)語(yǔ)音處理模塊功能進(jìn)行配置。

2.3 外設(shè)處理模塊

處理模塊包含話筒和聽(tīng)筒，與語(yǔ)音處理模塊進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)模擬語(yǔ)音的輸入和輸出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分由DSP信息處理軟件完成。

3.1 總體設(shè)計(jì)

北斗數(shù)據(jù)傳輸有頻度限制，即一次通信完成需要等待一段時(shí)間才能再次通信，每次通信的字節(jié)數(shù)也有限制，而語(yǔ)音信息數(shù)據(jù)量都相對(duì)普通短報(bào)文通信較大，單張卡不能保證語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性且完成一次語(yǔ)音通信的耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。

為了解決頻度和字節(jié)數(shù)限制，本系統(tǒng)采用虛擬多SIM卡實(shí)現(xiàn)并合理規(guī)劃SIM卡張數(shù)、發(fā)射頻度、通信等級(jí)和語(yǔ)音模塊編碼之間的關(guān)系；為了解決語(yǔ)音的實(shí)時(shí)性和完成一次語(yǔ)音通信的耗時(shí)較長(zhǎng)問(wèn)題，本系統(tǒng)采用接收語(yǔ)音數(shù)據(jù)和發(fā)射北斗報(bào)文同時(shí)進(jìn)行的設(shè)計(jì)策略。

下面從虛擬多SIM卡實(shí)現(xiàn)、語(yǔ)音通信的傳輸協(xié)議、SIM卡和語(yǔ)音模塊編碼速率選擇、語(yǔ)音發(fā)送和接收兩端分別說(shuō)明北斗語(yǔ)音通信工作流程。

3.2 虛擬多SIM卡實(shí)現(xiàn)

3.2.1 多SIM卡信息存儲(chǔ)

由于體積限制，本系統(tǒng)北斗處理模塊硬件上只保留一個(gè)SIM卡槽，卡槽用于北斗處理模塊讀取SIM卡信息。SIM卡信息被讀取后存入DSP的SPI FLASH中。多SIM卡信息存儲(chǔ)流程圖如圖2所示[16-18]。

圖2 多SIM卡信息存儲(chǔ)流程

3.2.2 多SIM卡接收和發(fā)射管理

在所有讀取的多個(gè)SIM卡中，設(shè)置一個(gè)主卡用于接收語(yǔ)音通信和請(qǐng)求發(fā)送方重發(fā)語(yǔ)音信息。

語(yǔ)音發(fā)送時(shí)語(yǔ)音數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)最高，需要對(duì)多SIM卡合理管理才能更高效更充分地利用北斗資源和更合理地使用SIM卡。多SIM卡發(fā)射管理流程圖如圖3所示。

圖3 多SIM卡發(fā)射管理流程

3.3 語(yǔ)音通信的傳輸協(xié)議

發(fā)送端北斗處理模塊接收語(yǔ)音處理模塊發(fā)來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，當(dāng)接收的語(yǔ)音數(shù)據(jù)滿足當(dāng)前IC卡允許發(fā)射的最大數(shù)據(jù)，馬上發(fā)射語(yǔ)音通信數(shù)據(jù)給接收端北斗用戶機(jī)，此時(shí)完成一次語(yǔ)音通信的用時(shí)最短。

在既要保證用時(shí)最短又要保證語(yǔ)音通信成功率的前提下，制定語(yǔ)音通信數(shù)據(jù)幀格式如表1所示，N為一次語(yǔ)音通信的總幀數(shù)，M為IC卡允許一次發(fā)送的最大字節(jié)數(shù)。

表1 語(yǔ)音通信數(shù)據(jù)幀格式

在語(yǔ)音發(fā)送過(guò)程中無(wú)法獲取本次語(yǔ)音通信的總幀數(shù)，除最后一幀外總幀數(shù)字段都填0，最后一幀填寫總幀數(shù)，用于本次語(yǔ)音通信接收端用戶機(jī)判斷是否成本次語(yǔ)音通信和保證語(yǔ)音通信成功率向發(fā)送端用戶機(jī)申請(qǐng)重發(fā)未收到的數(shù)據(jù)幀。

3.4 SIM卡和語(yǔ)音模塊編碼速率選擇

在實(shí)際申請(qǐng)北斗SIM卡時(shí)，運(yùn)營(yíng)部門對(duì)高頻度SIM卡管理比較嚴(yán)格，本系統(tǒng)采用60 s最低頻度北斗SIM卡。對(duì)語(yǔ)音處理模塊在600、1 200，2 400 bps三種不同編碼速率下進(jìn)行通話質(zhì)量測(cè)試，語(yǔ)音清晰，語(yǔ)音質(zhì)量沒(méi)有明顯差別都滿足設(shè)計(jì)要求。

下面對(duì)語(yǔ)音處理模塊選擇不同編碼速率和SIM卡選擇不同通信等級(jí)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信時(shí)間不受頻度限制所使用的SIM卡張數(shù)進(jìn)行比較分析，發(fā)射1 s語(yǔ)音SIM卡使用張數(shù)如表2所示。

表2 語(yǔ)音時(shí)間不受限SIM卡使用張數(shù)

由表2可知，選擇速率600 bps和通信等級(jí)4級(jí)時(shí)SIM卡使用張數(shù)最少，42張就能保證語(yǔ)音通信時(shí)間可以不受SIM卡頻度限制一直發(fā)射語(yǔ)音通信。考慮到高通信等級(jí)北斗SIM卡在申請(qǐng)流程上受限本系統(tǒng)使用通信等級(jí)為3級(jí)的北斗SIM卡。

綜合考慮，本系統(tǒng)使用60 s頻度通信等級(jí)為3級(jí)的北斗SIM卡，語(yǔ)音處理模塊編碼速率使用600 bps來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通信功能。

3.5 語(yǔ)音發(fā)送端北斗處理模塊工作流程

發(fā)射端北斗處理模塊工作的關(guān)鍵在于語(yǔ)音信息的發(fā)射流程和虛擬多SIM卡發(fā)射的配合使用管理，其中關(guān)鍵問(wèn)題有，語(yǔ)音重發(fā)判斷、語(yǔ)音結(jié)束判斷，語(yǔ)音重發(fā)優(yōu)先級(jí)最高，保證當(dāng)前語(yǔ)音完畢后才能進(jìn)行下一次語(yǔ)音通信，在沒(méi)有重發(fā)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)時(shí)才進(jìn)行正常的語(yǔ)音發(fā)射流程，語(yǔ)音說(shuō)完或者達(dá)到限定的最大長(zhǎng)度字節(jié)限制都可以結(jié)束發(fā)端語(yǔ)音通信流程。

發(fā)端工作流程如圖4所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下[10-12]：

① 判斷是否需要重發(fā)語(yǔ)音數(shù)據(jù)，如果不需要，轉(zhuǎn)步驟2執(zhí)行。

② 接收語(yǔ)音處理模塊發(fā)來(lái)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，同時(shí)判斷是否到達(dá)最大語(yǔ)音時(shí)間限制。如果沒(méi)有，轉(zhuǎn)步驟③執(zhí)行；如果達(dá)到，轉(zhuǎn)步驟⑤執(zhí)行。

③ 判斷接收的語(yǔ)音數(shù)據(jù)是否達(dá)到當(dāng)前SIM的發(fā)送最大字節(jié)限制，如果是轉(zhuǎn)步驟④執(zhí)行，如果沒(méi)有回到步驟②執(zhí)行。

④ 發(fā)送非尾包數(shù)據(jù)，判斷本次語(yǔ)音是否完畢，如果完畢轉(zhuǎn)步驟⑤執(zhí)行，如果沒(méi)有回到步驟②執(zhí)行。

⑤ 發(fā)送尾包數(shù)據(jù)，本次語(yǔ)音通信完畢。

圖4 發(fā)端工作流程

3.6 語(yǔ)音接收端北斗處理模塊工作流程

接收端北斗處理模塊工作的關(guān)鍵在于本次語(yǔ)音通信結(jié)束的判斷和超時(shí)請(qǐng)求重發(fā)的判斷，由于語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸，只有尾包中包含總包數(shù)，收到總包數(shù)后才能判斷語(yǔ)音數(shù)據(jù)丟包情況，所以如果在沒(méi)收到尾包是定時(shí)器超時(shí)，一直請(qǐng)求重發(fā)尾包，知道收到然后統(tǒng)計(jì)接收情況，請(qǐng)求重發(fā)直至語(yǔ)音通信完成。

發(fā)端工作流程如圖5所示，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下[13-15]：

① 接收端用戶機(jī)接收到電文信息，根據(jù)電文信息頭判斷電文類型，根據(jù)不同電文類型轉(zhuǎn)相應(yīng)步驟(步驟②、步驟③)執(zhí)行。

② 普通北斗電文走普通北斗電文處理流程。

③ 如果是語(yǔ)音電文首先存儲(chǔ)然后判斷是否為尾包或者重發(fā)數(shù)據(jù)包(尾包和重發(fā)包中帶有本次語(yǔ)音通信的總包數(shù))，如果是轉(zhuǎn)步驟④執(zhí)行，如果不是轉(zhuǎn)步驟⑤執(zhí)行。

④ 統(tǒng)計(jì)電文語(yǔ)音電文接收狀態(tài)判斷電文是否收齊，如果是轉(zhuǎn)步驟⑧執(zhí)行，如果沒(méi)有轉(zhuǎn)步驟⑦執(zhí)行。

⑤ 打開(kāi)動(dòng)態(tài)超時(shí)定時(shí)器(根據(jù)包號(hào)的不同超時(shí)時(shí)間也不同，包號(hào)越小超時(shí)時(shí)間越長(zhǎng))判斷是否超時(shí)，如果是轉(zhuǎn)步驟⑥執(zhí)行，如果沒(méi)有回到步驟①執(zhí)行。

⑥ 請(qǐng)求發(fā)送方重發(fā)尾包數(shù)據(jù)。

⑦ 請(qǐng)求發(fā)送方重發(fā)相應(yīng)數(shù)據(jù)包。

⑧ 語(yǔ)音數(shù)據(jù)發(fā)送語(yǔ)音處理模塊解碼，本次語(yǔ)音通信完畢。

圖5 收端工作流程

4 語(yǔ)音通信測(cè)試結(jié)果

使用2臺(tái)新型車載“北斗”用戶機(jī)(CZ1機(jī)和CZ2機(jī))，每臺(tái)車載機(jī)采用北斗SIM卡57張，發(fā)射頻度60 s，通信等級(jí)3級(jí)(最多發(fā)射長(zhǎng)度78.5 Bytes)。分別讀取57張SIM卡信息存儲(chǔ)到車載用戶機(jī)中，語(yǔ)音模塊采用600 bps(每秒語(yǔ)音模塊編解碼75 Bytes)編解碼速率的配置進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。分開(kāi)兩地，核對(duì)好時(shí)間，語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出，利用“北斗”車載用戶機(jī)在不影響其定位位置報(bào)告等功能的情況下，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音通信傳輸功能，語(yǔ)音被叫方播放語(yǔ)音清晰，語(yǔ)音模塊采用600 bps編解碼速率語(yǔ)音通話質(zhì)量較好，但發(fā)送語(yǔ)音較長(zhǎng)時(shí)有重發(fā)的情況。

在第1，2，4，5次沒(méi)有重發(fā)的情況下，主叫方語(yǔ)音說(shuō)完2 s(車載機(jī)處理時(shí)延)后被叫方開(kāi)始播放語(yǔ)音。

第3次測(cè)試時(shí)，有重發(fā)的情況，重發(fā)1包語(yǔ)音數(shù)據(jù)，主叫方15 s語(yǔ)音說(shuō)完4 s(車載機(jī)處理時(shí)延2 s，請(qǐng)求重發(fā)和重發(fā)時(shí)延2 s)后，被叫方開(kāi)始播放語(yǔ)音。

本次測(cè)試發(fā)送語(yǔ)音數(shù)據(jù)共94 s，發(fā)射語(yǔ)音通信共96次(語(yǔ)音數(shù)據(jù)94次、被叫方CZ2請(qǐng)求重發(fā)1次和主叫方CZ1重發(fā)1次)。

表3 語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

在音頻信號(hào)高質(zhì)量壓縮的基礎(chǔ)上，利用北斗通信信道和虛擬多SIM卡技術(shù)實(shí)現(xiàn)北斗用戶機(jī)語(yǔ)音通信功能。該設(shè)計(jì)已在新型車載“北斗”用戶機(jī)中實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用，達(dá)到了預(yù)期要求。豐富了“北斗”用戶機(jī)在各個(gè)科研領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。隨著對(duì)北斗語(yǔ)音通信技術(shù)研究的進(jìn)一步加深，其應(yīng)用將擴(kuò)展到漁船通訊、艦隊(duì)指揮、抗震和抗洪指揮等更加寬廣的領(lǐng)域。