中国科学技术大学自动化系 刘振安 田刚 王岐杰 徐向东
一、 系统的提出及功能
目前我国铁路交通中的通信主要通过无线通信设备组成。经调查发现，在目前新建的铁路中，山区铁路占了很大比重。由于在这些特殊的地理环境下，无线信号的传输受到很大干扰，因此，采用有线信号传输是一种比较合理经济的通信方式。
在我国现有的铁路通信系统中，大部分采用类似于电话线路的纯模拟信道传输方式，这就不可避免地带来设备臃肿、传输能力不强及抗干扰性能差等许多弊病。数字处理系统由于其可靠性高、可编程性强等优势而广泛地应用于通信、航空和仪表等各个领域。随着我国科学技术的发展及数字化进程的不断提高，数字通信系统的开发已成为大势所趋。基于以上原因，我们提出了互控电台的设计方案。
一般的铁路车站电台下挂着很多互控电台，当处于比较复杂的地形时，车站电台的信号无法直接传到机车电台，这时就需要互控电台来充当媒介。互控电台的主要任务是把车站电台传来的信号，在条件恶劣的地形下，以有线信号方式传输，当经过复杂地形后，再以无线信号的形式发给机车电台。或者相反，由机车电台发给车站电台，实现全双工通信。每个互控电台都有一定的控制范围，当机车电台运行到互控电台（A）的覆盖范围时，通过互控电台（A）与车站电台通信，机车继续运行进入互控电台（B） 的覆盖范围内，则通过互控电台（B）与车站电台相互通信。
该系统不同于以往的模拟传输系统，而是采用在通话终端一级进行数字化处理（所谓的有线数据传输模块），即先将语音信号数字化，而后将此信号调制在模拟信道（铁路专用电缆中的两条信号线）传输，在接收端对数字信号解调以还原为模拟信号。为此，必须要求使用合适的调制解调算法及相应芯片。为了满足通话的质量和速度，必须采用一种合理高效的语音压缩编解码算法。由于使用的是专用的电缆线，所以在通信过程中的外地形或者大气中其他信号的干扰可以忽略不记，但是要特别注意调制解调器的速度和经过编码的语音的数字信号的传输速度必须匹配，否则会产生通话信号错误、通话中断、回音、通话非实时性等不良的结果。在实际的设计过程中，应该注意应用一些已开发系统的成熟技术来达到缩短开发时间和提高开发效率的目的。比如在语音的模拟量化和模拟还原及采样环节中，一些已经成熟的现有设备可以整体组合进入最终的系统中，不必要进行新的开发和调试。所以，适当地比较选择语音编码和调制解调算法，对相应芯片性能进行评估和选择，利用单片机实现对各个芯片的控制，并将各个独立环节组合成为性能良好的系统，是该通信系统的基本设计思想。
本文主要讨论的就是有线数据传输模块，它主要完成语音信号的数字化，语音数字信号的编解码，数字信号的调制解调传输等方面。
二、系统的设计要求
该系统的基本性能要求包括以下几点：(1)能在弱场区代替中继器实现正常的无线列调通信；(2)传输的电缆使用的是现在铁路通用的标准同轴电缆，采用4线与车站电台相连，其中两线用于互控电台的供电，另外两条用于传输控制信号与数字化语音信号；(3)设备应采用先进的语音处理技术，传输距离能达到15公里以上，沿线无需任何数据中继设备；(4) 采用的数据传输模块，应具有如下性能：语音压缩解压及数字化处理，数字化语音调制解调功能，全双工工作，数据传输具有一定的纠错功能等；(5)机车电台越区时要实现无缝隙切换，同一时刻只能有一个互控电台工作，但是，互控台本身可以一直接受信号并处理，只要数据线上的数据不冲突，即从互控电台（A）转向互控电台（B）时，实现通话不断音；(6) 由于从基地台传来的信号包括控制信号和语音信号，所以应把语音信号进行数据采样和压缩处理，而控制信号是以不同的频率来选择互控电台、机车电台以及要发送信号的类型，因此，如果进行压缩处理，小小的偏差都会导致很严重的错误，所以控制信号要单独发送，以亚音频信号（低于300Hz的频率）的形式发送。应选择合适的方式传输，处理这两种信号。
三、系统的构成及基本原理
因为该系统主要的技术点都在互控电台的有线数据传输模块里，所以，着重讨论有线数据传输模块的构成及基本原理。
有线数据传输模块应包括语音信号采集模块、语音压缩模块和调制解调传输模块，它们之间的联系如图1所示。
图1 有线数据传输模块示意图
（一）语音信号采集模块
语音信号经过预滤波和采样后，由A/D变换器变换为二进制字码。A/D变换器分为线性和非线性两类。目前采用的线性A/D变换器绝大部分采用线性变换。在语音信号中，样本幅度值本身并非均匀分布，出现小信号样值的概率比出现大信号样值的概率要大得多。况且人耳对语音信号感知也是呈类对数性规律的，因此可以让量化区间在小信号时取得较小，而在大信号时取得较大，就可以既提高了量化信噪比，又保证了足够大的动态范围，使大信号时不会出现过载现象。
（二）语音数字信号压缩模块
64kbit/s的PCM信号发出后，由于占用较大的带宽，因此需要对采样的数据进行记录和处理。语音的数字化有不同的方式，而不同的处理角度和方法就形成了不同的语音编码技术。用于通信传输的语音编码系统的框图如图2所示。
在现有的基础上，采用ADPCM和CELP混合进行语音的采样量化以及压缩编码是十分可行的，而且据调查所知，目前世界上比较成熟的数字移动通信产品绝大多数都是利用类似的技术组合。但后来发现这种混合的组成系统的方法并不适用于该项目。在对许多现有技术和相应系统进行比较和鉴别之后，最终选择了Digital Voice Systems, Inc公司的独立于ITU.T的G.7语音信号采集模块主要处理以下工作：预滤波、采样和A/D变换。在此项目中所使用的数字信号编解码器就是能够把输入的模拟信号转化成数字信号，或反过来把数字信号转化成模拟信号。
预滤波的目的有两个：（1）抑制输入信号各频预分量中频率超出fs/2的所有分量（fs为采样频率），以防止混叠干扰。（2）抑制50Hz的电源干扰。预滤波器必须是一个带通滤波器，其上、下截频分别是3400Hz和300Hz。
先将人的语音转化为模拟信号，再经过采样环节将其数字化。人的语音频带决定了我们选择的采样频率。根据采样定理，采样频率ωm≥2ω(所采样信号的最大频率)，所以我们的采样频率ωm应为2x3400Hz=6800Hz,约为7kHz。但是根据CCITT的长途通信协议的标准，目前各国一般采用的声音采样频率为8kHz；所以，为了将来系统与其他通信设备交流的方便，最终采样频率确定为8000Hz。采样的结果用1字节（8位）数据表示，所以其最终的输出的信号速率为64kbit/s。需要指出的是，目前各个专用于音频采样的A/D转换芯片的输出信号均为64kbit/s的PCM信号，因为其语音质量很好，可以还原为十分逼真的语音。
2X系列标准的AMBE语音编解码算法，其性能完全满足各个性能指标。AMBE 算法的性能如下，比特率为4kbit/s，编码质量可以达到4.3左右，采用多波段激励编码，消除了冗余的纠错信号，完全满足性能要求。尤其值得提到的是该公司已经开始发布AMBE1000+系列语音编解码芯片，随时可以得到及时的货源和高质量的技术支持。
图2 语音编码系统框图
在实际的系统中，由于AMBE1000系列语音编解码芯片并没有像其他公司那样集成模数和数模转换模块，所以必须为语音的量化和还原环节采用合适的A/D-D/A转换芯片以及相应的滤波处理环节。
（三）数字语音信号传输模块
该系统的另一个重要的组成部分是载波通信系统，也就是模拟信道的数字信号的传输环节。为了使在传输的过程中尽量避免偶然性误码的累积影响和脉冲干扰引起的群误码，在目前信道媒介材料基本确定的情况下，选择合适和经济的数字信号传输方案尤为重要。
数字信号的传输方式主要有两种，一种是基带传输，一种是载波传输。基带传输主要应用于距离不太长，影响因素不太多的情况之下。在长距离的情况下，与一般的传输介质相适应，一般都不能直接传送基带信号，必须用基带信号对载波波形的某些参量进行控制，使这些参量随基带信号的变化而变化，即所谓的调制，与此相反，称之为解调。因为数字调制是用载波信号的某些离散状态来表示所表达的信息，在接收端也只要对载波信号的离散调制参量进行检测。因此，数字调制信号又称之为键控信号。
在二进制情况下，主要有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）、相移键控（PSK）等三种方式。其中，频移键控在目前得到了最广泛的应用。
相位调制由于占用频带少、抗噪声性能好、抗衰落能力强等特点，是很有发展潜力的一种调制方式。但是经过我们的实际分析和实验，认为在目前的系统中采用相位调制是不可取的。
从以上得知，最终选择的传输速率为9.6kbit/s，在这种相对中低速的传播速率上，基于FSK发展起来的MSK（最小频移键控）尤其是GMSK（高斯滤波最小频移键控）方案有很好的应用范围。其基本原理是采用高斯型低通滤波器对基带信号进行平滑预处理，调制后的信号相位在码元转换时刻不仅连续而且变化平滑，从而达到改善频谱特性的目的。
GMSK在中低速传输时，有着和PSK相近的抗衰落性能和更高的抗干扰特性，具有调制速度更快，实现更方便，系统构成简单，集成度高等优点，而且目前在移动通信和图像传输以及语音的低码率传输中得到最广泛的使用。所以，再经过对货源市场等因素经过考虑，我们最终确定了CML公司的FX系列的调制解调芯片为传输的调制环节。FX系列调制解调芯片提供帧的传送方式，提供FEC（前向误码纠正）和CRC（误码检测）等保障，有力地保证了声音数据的正确传输。在传输命令或者状态信息时，需要的误码率低而且并不需要很高的传输速度，为保证传输质量，选用了9.6kb/s的GMSK FX909A作为调制解调器。
