远距离无中继有线语音通信系统
远距离无中继有线语音通信系统采用ＡＭＢＥ１０００ＴＭ ＣＯＤＥＣ结合ＬＳＰ１０２７
语音ＰＣＭ信号处理ＤＳＰ芯片进行语音信号的处理，同时它采用ＦＸ９０９Ａ和ＦＸ４２９Ａ传
输数字化后的语音信号。在整体上，该系统采用ＡＴ８９Ｃ５２单片处理器负责接口、各环节之间
的数据通信和必要的数据处理，由于该系统具有比较鲜明的设计针对性，并且采用了先进的语音压
缩技术和具开发潜力的载波传输技术，因而具有无中继传输距离远、语音质量好、抗干扰性好等特
点，而且使其在完全满足具体工程的技术要求的基础上，获得了在语音固态录音、卫星移动通讯、
无线电台、ＩＰ电话等领域内的广阔的应用前景。
一、系统硬件设计
最初，远距离无中继有线语音通信系统是为铁路系统设计的。当时根据铁道部的要求，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，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，在接收端对模拟信号解
调，而后还原为数字信号，从而实现半双工通信。这里需要解决的问题就集中在语音信号的压缩解
压、数字信号的调制解调、以及解调信号的传输等方面。
１．语音信号的压缩解压。对于９．６ｋｂｉｔ／ｓ的长话系统，适用普通的加感电缆线，
其可用功率比最小为１３ｄＢ，减去系统留用容限，再减去各个接头的总损耗，传输后的功率比为
１３－４－５．５＝３．９ｄＢ最小。若电缆衰减特性为０．３２８ｄｂ／ｋｍ，以最小传输
后功率比除以线路的衰减，就是无中继情况下理想的传输距离：３．９／０．３２８＝１１．８９
ｋｍ。同时，９．６ｋｂｉｔ／ｓ的传输速率比较符合性能要求，而且此传输速率有比较广的使用
面（如一般的中远程电话，ＧＳＭ传输等），对应此速率的Ｍｏｄｅｍ（调制解调器）的生产厂商
和生产型号也较多，比较合适，因此将其作为传输的基本速率。
现在，一般使用的有包括ＰＣＭ、ＡＤＰＣＭ、ＣＥＬＰ、ＬＰＣ、ＶＱ－ＬＰＣ以及ＡＭ
ＢＥ等的语音压缩算法，这些算法有各自的适用速率和特点，表１中对这些算法的性能作了一个比
较。
综合上表的内容，我们选择Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｏｉｃｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ公司的ＡＭ
ＢＥ算法，此算法独立于ＩＴＵ．Ｔ的Ｇ．７２Ｘ系列标准，而且性能指标非常好，因此，本系统
使用该公司最新的ＡＭＢＥ１０００ＴＭ语音编解码芯片。应该指出的是，此芯片并没有内置ＡＤ
Ｃ和ＤＡＣ，因此需要另外选择合适的模数及数模转换芯片。
２．模数／数模转换。
上面提到，由于ＡＭＢＥ１０００芯片没有内置的ＡＤＣ和ＤＡＣ，我们必须选择合适的数
模模数转换芯片。本系统中使用的是ＬＵＣＥＮＴ（朗讯）公司专为蜂窝移动通讯系统和解调器应
用研制的ＣＳＰ１０２７型语音数字化芯片。该芯片为串行输出，与ＡＭＢＥ１０００进行串行通
信，同时该芯片具有可编程控制功能，可以通过编程控制其采样速率。
３．信号的传输。数字信号的传输方式主要有两种：基带传输和载波传输。前者应用于距离
短、干扰小的情况下；在远距离时，使用一般的传输介质，必须进行调制。远距离无中继有线语音
通信系统在传输命令或状态信息时，需要较低的误码率但速率要求不高。因此，我们选择速率为
２．４ｋｂｉｔ／ｓ的ＦＦＳＫ调制芯片ＦＸ４２９；而语音信号传输速率为９．６ｋｂｉｔ／
ｓ，在这种相对中低速的传播速率上，我们选择基于ＦＳＫ发展起来的ＧＭＳＫ（高斯滤波最小频
移键控）方案，使用ＦＸ９０９Ａ芯片。
４．系统总体控制。在该系统中，我们使用了现今使用较广的ＡＴＭＥＬ ８９Ｃ５２单片处
理机，系统的整体结构如图３所示。单片机负责整个系统的协调工作，ＦＸ４２９与ＦＸ９０９Ａ
都被设置为被动工作模式，由ＡＴ８９Ｃ５２负责它们与ＡＭＢＥ１０００之间的数据交换。
二、系统软件设计
远距离无中继有线语音通信系统软件主要完成各芯片的状态管理、各芯片之间的数据通信以
及ＡＭＢＥ１０００的帧处理等数据处理工作。模块上主要分为主程序模块、帧处理模块、数据通
信模块以及各个可编程芯片的中断服务程序模块。
１．主程序模块。该模块执行整个程序的运行控制，包括对ＡＭＢＥ１０００、ＦＸ４２９
以及ＦＸ９０９Ａ的模式设置，整个系统的初始化，提供对各芯片的中断服务程序的调度控制以及
对各功能模块的调用等工作。
２．数据通信模块。该模块主要完成从ＡＭＢＥ１０００向ＡＴ８９Ｃ５２的内部存储器存
入一帧数据以及向调制器发送若干字节数据（对于声音数据而言是１８字节／次），或从调制器接
收若干字节数据并将组成的帧传送给ＡＭＢＥ１０００处理。这些通信工作主要是通过对ＡＴ８９
Ｃ５２的数据端口Ｐ０、Ｐ１进行读写来完成的。
３．调制解调器模块。调制解调器的工作模块主要是通过单片机对调制解调器的中断请求进
行响应，并调用相应的中断服务模块而完成的。
三、关键技术讨论
１．帧处理。ＡＭＢＥ１０００芯片的数据是以帧为单位，从应用的角度而言，将全帧进行
传输可保留全部的状态信息，并使灵活性和功能有所提高；但在本系统中，需要考虑到整个系统性
能的实现与发挥，所以必须重组数据帧。前面已经提到本系统的数据传输速率为９．６ｋｂｉｔ／
ｓ，这样，ＡＭＢＥ１０００的编解码速率必须小于或等于这个值，同时帧头还有１８字节的数
据，但若选小于９．６ｋｂｉｔ／ｓ的速率，在帧尾会有若干字节的无效０数据。若以全帧的形式
（缺省如此）进行传输，这些实际上无用的数据也会参与传输，每次传输（２０ｍｓ／次）的数据
量将达到３４字节，那么１秒需要传递的数据量为：
３４ｂｙｔｅｓ×８ｂｉｔｓ／ｂｙｔｅ×５０ｔｉｍｅｓ＝１３６００ｂｉｔｓ
这样，调制解调器的速率（９．６ｋｂｉｔ／ｓ）根本无法进行传输。因此，即使从节省带
宽考虑，也必须进行帧头和帧尾的处理，并重组数据帧。为此，程序中先将ＡＭＢＥ１０００每２
０ｍｓ的数据存入一个缓冲区，去掉不必要的帧头、帧尾，得到纯语音数据，然后重组包进行传
输；在接收端反之，先进行必要的帧头设置，再添加必要的０字节数据得到完整的帧传给ＡＭＢＥ
１０００进行解码。实际上，接收时对音量等的调整操作也是通过在接收时对所加的帧头进行设置
而实现的。
２．数据压缩量的大小和传输。由于ＡＭＢＥ１０００的工作方式是每２０ｍｓ发送一次数
据，因此，单片机的帧处理、调制解调器的数据调制和传输操作必须在２０ｍｓ内完成，现在关键
的问题是由ＡＭＢＥ１０００传输的不连续性所导致的数据传输的困难。
在一般的数据传输系统中，比如手机等，传输过程要么是输出数据完全连续（比接收信号时
稍有延迟），要么延迟相对较小≤５ｍｓ（虽然话音质量要差），这时，一般调制解调器的工
作空闲允许时间都会满足，从而可以保证信号的连续传输。而对于ＡＭＢＥ１０００而言，其２０
ｍｓ的时间差使得多数调制解调器工作极不稳定，每次传输时都会由于不必要的空闲等待而进入关
机或休眠状态，这也正是我们无法选择在性能上看似更好的ＦＸ５２９Ａ芯片的原因。而ＦＸ９０
９Ａ芯片的工作方式虽然也是连续模式，但它是以ＴＡＳＫ（任务）方式工作，每次的ＴＡＳＫ允
许较长的间隔。每一个ＴＡＳＫ中包含一个帧头一个帧尾，帧头中包括控制字、同步位、帧同步等
信息；在帧头和帧尾中间包含若干块数据，每块的数据包括从其自己的数据缓冲区中得到的１８字
节数据、２字节ＣＲＣ数据和相应的ＦＥＣ数据。这样，我们可以每２０ｍｓ进行一次ＴＡＳＫ发
送，但是由于每次最多可以发送９６００／５０＝１９２ｂｉｔ／ｓ（２４ｂｙｔｅｓ）的数据，
所以，每ＴＡＳＫ中只能包含至多两个数据块。
同时，由于ＦＸ９０９Ａ是ＧＭＳＫ调制，调制时间较长，而且只提供１８字节的缓冲区，
这样，为了避免每周期读和处理一次６字节（相对于每次发送２４字节实际数据）的不完全块，最
好是一次写满缓冲区，从而引起一次最小的ＴＡＳＫ。因此，综合上述，我们决定将ＡＭＢＥ１０
００的输出速率设为１８×８×５０＝７２００ｂｉｔ／ｓ，这也是我们为ＡＭＢＥ１０００选取
非标准传输速率的主要原因。
另外，由于要处理的数据块太多，也为了系统工作稳定，我们最终还划分了３个缓冲区，一
个用于读入的原始数据，一个用于存放处理后的帧，一个用于和ＦＸ９０９或ＦＸ４２９进行传
输。３个缓冲区大约最多要占用单片处理器的１１４字节内存。
四、系统性能测试
远距离无中继有线语音通信系统选用ＡＭＢＥ１０００ＴＭ作为声码器，ＡＴ８９Ｃ５２作
为中央控制／处理单元，ＦＸ４２９（ＦＦＳＫ）作为状态和命令信息的调制解调器，ＦＸ９０９
Ａ（ＧＭＳＫ）作为声音的数字化信号的调制解调器，ＬＳＰ１０２７负责语音的采样和ＰＣＭ编
码。
本系统可以与一般的通话设备组成远距离的轻便有线传输系统，具有抗干扰性强、无中继传
输距离远、声音质量好（ＭＯＳ分可达３．７以上）、需要设备少、可扩展性好等特点。目前，该
系统所能达到的性能标准已经远远超过了目前投入使用的模拟电路或一般声码电路所组成的其他系
统。
由于该系统选用了ＡＭＢＥ１０００的语音处理和ＦＸ９０９Ａ的传输技术，因而不仅在有
线长距离语音通信方面获得了很高的通信质量和应用范围（铁路，公路，隧道状态检测等等），而
且也提供了进一步扩展为高技术含量的其他系统的可能。
从已有的问题出发，我们可以对整个系统进行以下的扩展前景展望：如果去除ＦＸ４２９的
命令和状态传输单元，利用ＦＸ９０９Ａ分时传输命令和状态信息，则整个系统可以很方便地扩展
为全双工工作系统；在选用更加快速的微处理器或者采用ＤＳＰ处理后，可以将帧处理模块和传输
模块进一步集成语音平滑、锐声处理等技术，使整个系统工作速度更快，性能更好，并增加更多的
功能；由于ＦＸ９０９Ａ本身的ＰＡＣＫＥＴ（包）传输模式的使用前景十分广泛，如无线移动通
信，卫星通信等，这样，最近的可能就是加上必要的天线和电台环节，使之成为性能良好的无线通
信或卫星移动通信；同时，在目前长途电话的线路质量提高的情况下，如果将ＡＭＢＥ的低速率语
音技术投入电话长途业务，其极低的带宽占用和更高的语音质量将大幅度提高线路可用负荷和语音
质量；同样，由于ＦＸ９０９Ａ的包传输特性，使得其在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务上也会得到很大的
发展，比如有声ＥＭＡＩＬ和更多路的实时国际网上会议等等；特别是对于目前刚起步的、仍然以
包为单位进行通讯的ＩＰ电话业务来说，ＡＭＢＥ＋ＦＸ９０９Ａ不失为很有发展潜力的技术组
合。最后，还应看到，由于本系统的编解码系统本身相对独立，因此，只要换上外部高容量的存储
器，就可以扩展成为高记忆时间的通话记录器。这在飞机"黑盒子"、铁路、保密通讯等方面应用前
景极为广阔。
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