煤矿数字通信系统设计

煤矿数字通信系统设计（精选10篇）

煤矿数字通信系统设计 第1篇

1 ZST-48铁路数字专用通信系统概述

ZST-48铁路数字专用通信系统是目前铁路通信系统中较为常见的一种, 该系统具有很强的综合性、专用性和一体性, 主要是将铁路通信中所需要的各类业务和专用通话的调度接入到一台调度设备中, 然后通过特定的数字接口和各个铁路沿线站点的数字通道将铁路运行过程中所需要的语音信息、数据信息以及图像信息等传达到指定的位置。与此同时, 该专用通信系统还能够兼容以往的模拟共线调度设备, 并且还包含了程控交换机的大部分功能, 比如说免打扰服务、呼叫转移、遇忙回叫以及呼出限制等。

从ZST-48铁路数字专用通信系统的整体设计来看, 主要采用的是国内外诸多先进的技术, 不仅能够为铁路运行提供必要的调度、全自动电话以及站间和区间的信息传输, 而且经过技术人员对系统的不断优化与完善, 还使系统具备了远端调度和通话录音等功能。目前, ZST-48铁路数字专用通信系统已经凭借着自身组网灵活、设备操作简便以及可靠性高等诸多优势在我国铁路通信中得到了广泛应用, 不仅促进了我国铁路通信的数字化和智能化, 而且对我国煤矿企业的发展也发挥了不可或缺的作用。

2 ZST-48铁路数字专用通信系统在煤矿铁路中的应用

本文在介绍ZST-48铁路数字专用通信系统在煤矿铁路中的应用的时候, 主要从系统的构成及容量、系统的主要功能以及系统日常检修要点和工作流程三个方面进行分析。

2.1 系统的构成及容量

ZST-48铁路数字专用通信系统的构成主要包括3个部分, 即中心主系统、站场分系统和网管系统。由于各个铁路通信网的实际情况不同, 因此, 在对系统进行设置的时候, 要充分结合煤矿企业的实际情况, 从而将ZST-48铁路数字专用通信系统的作用最大限度地发挥出来。在构成ZST-48铁路数字专用通信系统的3个部分中, 中心主系统是核心部分, 其主要由调度主机、调度台和录音台等几个部分组成, 通常情况下, 为了能够更好地方便工作人员进行操作控制, 在对中心主系统进行设置的时候, 要将调度主机和调度台放在铁运处调度室, 每个站场的调度室内要配置调度台, 调度台的数量应该根据铁路通信的实际情况来具体设定。站场分系统是在中心主系统下的一个分支, 主要设置在各个站场, 站场分系统的构成主要包括车站分系统主机、值班台、值班分机以及站间电话等设备。站场分系统的交换容量、可分配最大时隙数以及会议资源没有一个硬性的标准, 工作人员应该根据煤矿铁路对通信网的实际要求来具体设定。网管系统在整个系统的作用也是不容忽视的。该系统的构成主要由软件和硬件两个部分, 通过网管系统, 工作人员可以方便地对系统运行状态进行监控, 从而第一时间对故障进行处理, 确保系统运行的安全性和可靠性。

2.2 系统的主要功能

无论是中心主系统还是站场分系统和网管系统, 都承担着各自的责任。ZST-48铁路数字专用通信系统的中心主系统, 主要是将铁运处运行工作中所有总机和调度台以及专用电话等设备融合到一台主机上, 然后通过该主机对铁路的各个沿线提供数字、模拟共线调度接口, 并在此基础上对设备进行编程, 从而确保每个主机都能够对其管辖范围内的设备起到控制和调节的作用。此外, 中心主系统不仅能够实现每个调度员之间的双向交流沟通, 而且还能够实现全呼、组呼以及任意呼叫, 在很大意义上实现了铁路通信的根本目标。

由于站场分系统的工作范围较小, 因此其功能相对来说比较简单, 只要能够充分实现区间电话转接机功能便可。就目前ZST-48铁路数字专用通信系统中站场分系统所提供的业务功能来看, 主要包括以下几个方面:首先, 该系统能够实现与调度中心的数字、模拟共线连接及通讯功能;其次, 能够实现站场内部自动电话以及相关的调度功能;最后, 该系统还具有系统数字环故障直通功能。

网管系统的功能主要体现在配置管理、性能管理和故障管理几个方面。配置管理的目的主要是对系统中设备之间的结合使用进行管理, 确保设备的作用最大限度的发挥出来;性能管理是通过监测对设备的运行情况进行了解, 从而维护整个系统的质量和效率;故障管理主要是对系统运行中出现的故障进行全面系统地分析, 从而第一时间采取合理的措施将故障解决, 确保系统的稳定运行。从某种意义上来看, 网管系统在整个ZST-48铁路数字专用通信系统中, 可以视为一个辅助系统, 从多个方面来确保系统的可靠运行。

2.3 日常检修要点及工作流程

为了确保ZST-48铁路数字专用通信系统能够安全可靠的运行, 定期对系统进行日常检修是不容忽视的, 如果想要确保日常检修工作全面、系统, 那么检修人员就必须充分掌握系统检修的要点以及相应的工作流程。就目前ZST-48铁路数字专用通信系统的运行现状来看, 日常检修要点主要包括以下几个方面:首先, 检修人员应该观察操作台的各个指示灯, 是否都处在正常的状态, 各个用户的按键是否正常, 通话及切换功能是否良好;其次, 要对系统各个模块的指示灯进行查验, 看其是否保持常亮的状态;最后, 要对相应的电缆进行检查, 查看是否都处在连接良好的状态, 这些电缆主要包括同轴电缆以及各个用户电缆。以上就是系统的检修要点, 如果在检修过程中, 检修人员发现某处不符合系统运行的要求, 应该第一时间对其进行处理, 以免影响系统的正常运行。

3 结语

综上所述, 随着我国专用铁路发展脚步的不断加快, 对其通信设施进行不断地优化与完善也成为了相关部门未来工作中的核心部分。本文中介绍的ZST-48铁路数字专用通信系统, 在目前铁路通信发展中起到了重要的作用, 为了能够将通信设施的作用更好地在煤矿铁路中发挥出来, 技术人员就必须根据铁路通信未来的发展需求对该通信系统进行优化, 从而更好地促进我国煤矿企业的可持续发展。

参考文献

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[2]吴永平.大同矿区特厚煤层综放采场矿压显现规律研究[J].煤炭科学技术, 2008 (01) .

[3]刘新梅.ZST-48铁路数字专用通信系统在大屯铁路的应用[J].大众科技, 2011 (11) .

[4]陈志强.ZST-铁路数字专用通信系统维护[J].铁道通信信号, 2009 (07) .

煤矿通信系统组网模式探讨 第2篇

四、组网模式

一个现代化的矿井，其通信系统必须做到行政、调度通信相互补充，有线、无线通信手段相配套，以应急通信作保证，这样才有较大的发展空间。只有这样，通信网才既能保证煤炭生产、安全、经营及人们生活的需要，又能实现在紧急情况下的通信保障，才能为向下一代网络的演进打下基础。所以，新的煤矿通信网将是集安全性、管理性、扩展性、生存性于一身的网络。没有这样一个网络支撑，通信很难保证煤矿安全生产的正常进行，很难适应煤矿发展的需要。下图1是煤炭网的具体组网模式。

根据多年现场通信管理经验，煤炭网组网模式所示，一台行政交换机、一台生产调度交换机、一台洗煤厂专用调度交换机（有些矿井没有独立的洗煤厂，故不设此交换机），再配备一些井下有线、无线通信系统即构成了理想的煤矿通信网。

（一）行政通信系统

该系统主要为矿井生产、经营等管理和人们生活提供通信保障，行政通信系统在煤矿通信网中占主导地位。特别是市场经济时代，煤矿通信要向可运营的方向迈进，也就是说行政通信不仅满足电话能打的现状，而要站在大通信、可运营的高度，重点考虑设备运行可靠性、增值业务开发能力、综合计费能力以及汇接能力等，不断满足煤矿通信走向市场的需要。

行政交换机的选型一般在整个矿区通信发展规划的指导下进行，不提倡各个矿井各行其是，以免造成矿区通信网上设备型号多、组网困难、开展增值业务受限等问题。作为矿务局通信专网，其网络结构应该是“中心局带远端模块”的组网模式最为合理，这属矿区通信专网的组网方式的问题，在此不再多涉及。

（二）生产调度通信系统

该系统是煤矿安全生产管理中的重要手段之一，在煤炭生产中发挥着非常重要的作用。在地面，它是行政通信系统不可缺少的重要补充部分，因为煤矿生产规程中规定，在地面如绞车房、中央变电站等重点部位要安装行政、生产两套通信设备，保证在一个系统出现故障，另一个系统能满足生产的需要。在井下，生产调度通信系统则是主要的通信手段，井下各生产环节的信息主要通过该系统来传递。对生产调度通信系统的要求主要是运行可靠。就目前看，在系统中开展增值业务、安装计费系统的必要性还不大。

（三）洗煤调度通信系统

洗煤厂生产环节多、系统复杂，在煤矿的经营中处于非常重要的地位。由于它与井下生产联系不十分紧密，所以在考虑组网模式时，洗煤厂应该独自建一套调度通信系统，供厂内生产调度指挥用。该调度机必须与矿井行政、生产两通信系统实现NO.1信令组网。

（四）计算机、安全监测、监控系统

矿井计算机、安全监测、监控系统等配套的系统种类较多，传输信号制式各异。系统内的各种信息要及时地传递到矿井主调度室，同时部分信息要进入生产调度通信系统供有关部门掌握，所以要求生产调度通信系统要有各种可扩展的接口，能够与各系统联网。

（五）井下有线、无线通信系统 1.井下无线通信系统

作为生产管理人员、电机车司机、皮带维护工和其它流动人员的主要通信手段，井下无线通信系统保证了这些人员能够与生产调度室及时取得联系。它具有安装快捷，能在较短时间内形成局部移动通信系统的特点。系统能与矿井行政、生产通信系统实现组网，特别是当井下发生紧急情况时，可为井下提供能及时与地面联系的工具，对抢险的组织非常有帮助。井下无线通信系统作为生产调度通信系统的补充在矿井生产安全等方面起重要作用，但目前国内非常成熟的产品还不是很多。

2.载波电话通信系统

主要用于井下电机车的通信。载波电话在矿井的应用时间较早，为电机车的调度发挥着重要作用。但由于其音质、音量较差，难以大量使用。但对于井型规模不大，经济等条件又有限的单位，载波电话仍不失为一种投资小、见效快、又能解决问题的有效办法。

3.扩音电话系统

该系统主要应用在采煤工作面、斜井运输、长距离运输皮带等部位。扩音电话系统为保证工作面的正常生产，皮带的正常运行起到了关键作用。扩音电话的使用将大大提高采煤工作面工人的工作效率，减少事故发生。

4.个人应急通信系统

有代表的产品包括井下人员跟踪系统、紧急通信系统（井下BP机）等，这些产品主要用于生产管理人员、矿山救护队、井筒抢修、斜井人车等流动性大以及工作性质较重要的个人使用，尤其适用于井下事故的抢险，是煤矿通信系统应该必备的辅助通信手段。但目前由于系统造价较高，大量普及还有一定的困难。

五、几个注意问题

（一）矿井通信网的建设必须满足矿区通信发展规划，在矿务局主管部门指导下进行。

（二）行政交换机与矿区行政通信专网组网主要采用NO.7信令，尽量不用NO.1信令，生产调度组网主要用NO.1信令，有条件也可采用NO.7信令，不采用环路中继组网。

（三）大力采用光纤传输方式。除矿井周边地形环境以及与专网汇接局间的路由非常不利于杆路的架设外，矿井行政交换机与专网汇接局间应主要采用光纤传输方式。因为光纤通信有频带宽、信号容量大、传输质量高、保密性好、可靠性高、对杆路要求低等很多优点。随着矿区计算机广域网、有线电视网的逐步建设，利用通信光缆形成话音、数据、图像三网同缆不同芯甚至同芯“三网合一”已经成为矿区信息化建设的首选，可以说光缆的综合利用性非常强。

（四）新机房的建筑面积要适当调整。在设计行政通信总机房、蓄电池室、配线架室等房间时，面积要尽量缩小，以最大限度减少投资。相反，根据现在系统多为计算机控制、且朝着值班人员一职多能、集中维护的方向发展等特点，要适当加大程控机维护终端室的面积，有条件的要为计费系统单独设计出房间。可以不考虑设专用的114值班室（因为全矿区统一查号已是必然）。同时注意通信设备与计算机网络设备机房的和谐，程控机房与蓄电池室、电力室、配线架室、传输室的和谐，便于实现集中管理、集中维护。

（五）一般矿井自建的职工住宅离主生产区域较远，而在宅区居住的煤矿主要管理者的家中必须安装煤矿电话，一般情况下可以直接敷设通信电缆解决。但如果距离超过2公里，电话容量在500门以上时，要考虑在住宅区安装无人值守的远端模块，宅区电话从远端模块放出，这样才经济合理。

（六）强调接地系统的完备。由于很多矿井处在落雷区，其通信网必须具备良好的接地系统，推荐采用联合接地方式，接地电阻要在1Ω以下（有特殊要求的设备除外），每年春秋两季要进行接地电阻的测试，同时重点检查各个接地端子、接地引下线的完好情况。

（七）有可靠的备用电源系统作保证。虽然煤矿的电力系统都有很可靠的保证，但由于煤矿生产的特殊性，煤矿的通信任何时候都不能中断。一旦矿井动力电源中断，通信的备用电源必须对本系统内的所有设备实现不间断的投入，且供电时间不小于8小时，为矿井抢险提供保障。

（八）不需购置价值高且利用率低的备品备件、仪器仪表，一般由矿务局通信主管部门统一配备。井下通信系统要以建立全系统的本质安全型为目标，设备要选用本安型设备，不采用隔爆通信设备。

煤矿数字通信系统设计 第3篇

【关键词】铁路;专用数字通信;应用

铁路专用通信系统是铁路运输调度指挥的神经中枢,是为运输生产一线服务的。它包括调度电话、各站(养路)电话、站场电话和区间电话等。既有的专用通信设备大部分由分立元件构成,模拟方式传输,维修量大,故障率高,不具备集中监控和管理的条件。铁路光通信的发展,为专用通信的数字化提供了良好的基础,实现了调度、站场、各站、区间电话的数字化、统一化。

１．系统的组成、结构及关键技术

专用数字通信系统由调度所交换机(FAS)、车站调度交换机和网管系统3部分组成。调度所交换机设在铁路局调度指挥中心或局调度所。车站调度交换机设在各车站,它们之间通过2 Mb/s光数字传输通道组成区段调度指挥系统。根据需要可在调度工区或车站通信工区设置网管终端,接入相应的调度交换机,对全线或部分系统设备进行管理和维护。

1.1灵活的组网方式

专用数字通信系统具有灵活的组网功能，可支持多种组网方式，组网方式可以根据用户的实际情况和业务需求灵活采用链形方式、数字环方式、星形方式、树形方式和双中心网状方式等。系统支持通过2M接口级联功能，支持DSS1信令、NO.7信令、NO.1信令或私有专用信令。

同时系统为不具备数字接入通道的站场提供了通过2B+D接口级联的功能，使车站调度交换机在没有光接入的情况下可以延长接入距离至5.5公里。

1.2自愈环技术和断电保护技术

在一般情况下，通信使用下行E1通道，系统实时监测2M口的通信状态，当检测到数字环下行E1通道的某处断开时，立刻切换至上行E1通道方向进行通信，从而保证数字环的任何一处断开都不会影响系统的正常通信，切换时间为毫秒级。有些情况下，某个车站由于一些特殊原因系统出现断电的情况，调度系统的上、下行E1口将自动对接起来，还构成一个封闭的数字环从而不会影响系统正常通信。

1.3时隙分配

一个2M数字环中共有32个时隙，其中Ts0和Ts16时隙为帧同步时隙和信令时隙，剩余的30个时隙中的3个时隙作为调度系统的内部通信时隙使用，其余的27个时隙可作为话音时隙使用。系统采用通话占用时隙的方式，每一组通话动态的占用一个空闲时隙，当通话结束时，该时隙通道被释放；在进行组呼或召开会议时，只占用数字环中的一个共线时隙。

数字环组网时一次出局（出站，非站内）呼叫需要占用环中一个时隙，其中组呼和会议可以看作是一次呼叫，总共只占用一个数字环时隙。一个2M数字环共有27个中继时隙可作为话音时隙使用，为保证呼叫成功，一个数字环通常情况下可按6－10个车站设计。

1.4统一编号方案功能

系统支持对固定用户终端进行统一编号，分配唯一的ISDN号码。编号方案符合《铁路GSM-R数字移动通信网络编号计划》的要求。

当调度台（车站值班台）发起紧急呼叫时，调度员（车站值班员）先按紧急呼叫键再按相应的按键即可提高此次呼叫的级别。此时，对于级别低的呼叫即可实现强插、强拆。

2.系统在高铁通信中的应用

2.1在局线调度系统中的应用

通过各铁路局调度所汇接调度交换机连接实现干线调度。还可在紧急模式下，接管北京、上海、广州、西安、成都、武汉客专调度所的客专调度业务功能。

设置调度所调度交换机3套，铁道部交换机一（主用）和铁道部交换机二（备用）用于干线调度业务，铁道部交换机三用于接管模式下的客专调度业务。调度所调度交换机间采用网状网连接。

铁道部的战时外部指挥所，设有调度所调度交换机，平时与铁道部运输调度指挥中心的调度所调度交换机相连，战时与各铁路局汇接调度所调度交换机相连。

在武汉客专调度所建立备份中心，一旦铁道部运输调度指挥中心瘫痪，武汉客专调度所可以接管其基本职能，继续进行调度组织工作。因此北京、上海、广州、西安、成都客专调度所的汇接交换机需设置保护通道，与武汉客专调度所的汇接交换机连通。

2.2在区段专用调度系统中的应用

专用数字通信系统已在太焦线、宝成线、襄石线、哈大线、盘西线、广深线、徐沪线、朔黄线等开通使用,下面以成灌线为例加以讨论。

成灌线调度通信系统采用中软CTT4000调度通信系统。成都局调度所一楼通信机械室和六楼GSM-R设置FAS主系统各一套，实现冗余备份保护；设成灌列车调度台、成都枢纽列车调度台、成灌电调台，调度台主用2M接口接入主用FAS主系统，备用2M接口接入冗余FAS主系统。

成都、安靖、犀浦东、犀浦、红光镇、郫县东、郫县、郫县西、安德、聚源、都江堰、青城山、迎賓路、李冰广场、漓堆公园车站通信机械室分别设FAS车站设备一套。成都牵引变电所、安靖开闭所、郫县东分区所、崇义牵引变电所、石马村开闭所、青城山分区所设电调分机。

利用本线干线层传输系统（STM-16）和接入层传输系统(STM-4)中的2M通道构成4个数字环。其中A环:成都站至安靖站；B环：安靖站至郫县西站；C环：郫县西站至青城山站；D环：都江堰至漓堆公园站。

与GSM-R系统的连接：主用FAS主系统与成灌MSC间有2×2M中继线，为保证固定用户与移动用户间的呼叫，冗余FAS主系统与成灌MSC间开设2×2M中继线，采用DSS1信令，实现有线无线调度一体化。调度台通过无线直接呼叫机车，调度命令通过GPRS传到机车上。

与应急通信系统的连接：成灌FAS主系统通过2个30B+D接口与成都铁路局应急通信中心相连。

与既有数调系统的连接：成灌FAS主系统与既有集成数字主系统采用一个2M接口互联。实现与既有枢纽调度之间的通信。

冗余FAS主系统网管设在调度工区，和主用FAS主系统网管设在一起，便于维护管理。采用两条不同路由的以太网通道连接冗余FAS主系统，一条成都调度工区至成都传输室：成都调度工区2.5G，成都传输室至成都GSM-R核心网中心：成都G网中心2.5G（I）；另一条成都调度工区至成都G网中心：G网中心2.5G（Ⅱ）。

3.应用中的问题及处理

3.1地线的连接

地线对数字通信设备能否正常工作有着重要的作用,专用数字通信系统要求主机工作地线电阻≤5Ω,保护地线电阻≤8Ω。根据工程开通经验,工作地线接地良好,而保护地线接地不良时,会出现设备运行不稳和错码现象。因此,机箱的接地不仅起保护作用,还起电磁屏敝作用。尤其在电气化区段,良好的地线系统对设备的稳定起着重要的作用。

3.2调度前台与主机的连接

调度前台与主机的连接采用2B+D数字通道,并且采用实回线连接。传输线线径不同传输距离也不同,一般情况下0.5mm线传送500 m,0.9mm传送2 km,1.2mm传送4km。超过4km,需采用2B+D数字话机代替调度前台,这样1.2mm线路传输距离可提高到8km,这种情况一般在机务段、车务段和供电段设专用调度前台。

而车站调度前台使用双端口2M接入车站调度交换机，实现双路由保护，保证了应用安全，必将对我国高铁通信现代化起到更大的推动作用。

【参考文献】

［１］吴春可.数字调度通信系统在铁路专网中的应用[J].通信管理与技术,2004,(05).

［２］张晓斌.铁路专用数字通信系统及组网方式[J].电信工程技术与标准化,2005,(12).

数字通信系统关键技术设计 第4篇

在特定区域通信的应用环境中,由于成员彼此间的任务及分工不同,虽然距离较近,但各有自己的工作岗位,彼此间通信需要借助于特殊的通信装置通话联络。数字通信有着比模拟通信诸多的优点,包括话音清晰、抗干扰强、操作简单、稳定可靠,并可传输信令数据。该系统适用于内部有多个舱室的大型车辆,各个舱室需要协同工作时,相互之间需要通话联络,必要时,有人需要下到车外和车内人员通话,或人员全部在车外时彼此还需要通话。另一种应用环境是在多个房间内工作的人员之间的通话。该系统提供了多种通话方式,包括一对一通话、一对多通话、多对一通话、通播、会议等。系统的特点是话音清晰,操作方便,使用灵活,通话关系清晰、明确。

1 总体设计

1.1拓扑结构设计

该通信系统为一个小区域通信系统,用户数量有限,功能要求明确。考虑系统的组成情况、应用环境、使用及功能需求等因素,系统的拓扑结构设计如图1所示。

由于不同位置的通话需求,需要为其提供通话终端。不同的使用环境需要的终端类型也不相同。内部采用RS485总线接口类型的终端,其特点是布线简便,便于内部终端数量扩展、配置灵活,主控交换器对外接口数量较少。外部采用2种类型的终端:远传终端和无线终端。远传终端采用有线连接,便于外部人员和内部人员的有线联系;无线终端便于下车人员在没有布置电缆时,和内部人员的通话联系。无线终端和有线终端通信需要借助于综合接入终端,在无线信号和有线信号之间进行相互转换。各类终端的数量可根据需求相应增减。

1.2功能设计

系统设计的主要功能应满足用户的基本需要及特殊要求,主要功能要求如下:

① 各位置为通播的关系,一个人讲话时其他人员均能听到,同一时间只允许一个人发言;

② 各位置为会议的方式,多个人可同时讨论问题,同一时间允许多人加入;

③ 呼叫方式,其中一部终端可通过拨号呼叫其他终端;

④ 来电状态显示,终端可根据显示确知呼叫自己的信号来源。

1.3远传接口设计

该系统设计有远传接口,用于解决在距离通信区域较远的位置时,可以和内部人员进行必要的通话联系。通过远传接口能很方便地将该系统的终端置于距离该系统3 km之内的任一位置。该接口采用具有远传功能的数字K接口实现。并采用二线方式,传输介质为非屏蔽双绞线或被复线,传输码型为NRZ编码,信号线有效传输距离3 km(远端供电)。而且接口采用变压器隔离带过压保护装置,有效防止接口损坏,并可带电插拔。

远传接口采用自定义复帧结构,话音、信令分别在2个时隙中同时传输,其中帧头信息在一个复帧传输一次,每个时隙8 bit,时隙速率为:64 kb/s;16时隙组成一帧,每帧包括8个话音时隙(1、3、5、7、9、11、13、15时隙)、一个帧头时隙(0时隙)、6个信令时隙(2、4、6、8、10、12)、一个时隙预留(14时隙)。由于复帧结构的特殊性,在FPGA内需要作相应的逻辑,分别将帧头、信令、空闲、话音比特复接到相应的时隙位置,其中话音数据来自编解码器,帧头信息在FPGA内部产生,信令信息由主处理器控制,只发送一次,FPGA内部由自动发送寄存器,在接收到主处理器的新信令之前,该信令保持连续发送。

远传接口的信令拟采用CPC信令,但由于该系统信令控制较为复杂,CPC信令码字数量有限,不能满足设计需要,但CPC信令具有其独特的抗误码、抗丢失等优点,系统在设计信令时则采用类CPC信令,既保留CPC信令的优点,又使信令码字的数量比CPC信令多出几倍,满足了设计需要。复帧结构如表1所示。

1.4总线接口设计

为了解决在设备硬件不做任何改变的情况下,灵活配置终端的接入数量问题,采用RS485总线接入方式。终端根据编号占用RS485总线的时隙,各终端均挂接在总线上,各占自己对应的时隙,其他非自己的时隙采用高阻方式不影响其他终端通信。系统在布线时可根据需要预留终端接口,只在实际使用时才接终端。在未布线而又临时需要时,可通过分线盒的方式,将终端扩展。

总线接口也有缺点,各终端都挂接到总线上,如果某终端接口故障或短路,将影响其他总线终端不能正常工作。所以在设计时,充分考虑接口的抗毁性,增加必要的保护电路。

为了有效地保护接口电路,在设计时,采取了只传高电平、不传低电平,在信号为低电平时将接口电路高阻,通过下拉电阻完成低电平的传输。这种传输方式可以有效地避免临近时隙的终端在总线上由于线路长短不同造成延时的不同,而导致的时隙重叠所造成的器件损坏。如图2所示,前一时隙为低电平,后一时隙为高电平,在总线上出现电平相反的时隙重叠,如果使用普通传输方式,将导致接口芯片瞬间短路而损坏。如果不传低电平,则在传输时向高电平靠拢,即有高电平传输时不管重叠的低电平,总线上保持高电平传输,因为重叠区域很小,数据接收时采用的时钟沿离重叠区较远,因此收取的数据不会发生错误。

1.5有、无线一体化设计

方案中包括一套有线通信系统和一套无线通信系统,2套系统既可分别独立使用:有线终端之间互相通话,无线终端之间互相通话;也可以综合使用:无线终端和有线终端之间可相互通话。综合使用的前提是设计一个综合终端,该综合终端包括一个与普通有线终端功能相同的终端和一个无线接入终端,无线接入终端将无线信号接收后转换为有线TTL信号送给有线终端,有线终端将此TTL信号连同自己的话音信号一起复接到接口总线上,送给主控交换器,主控交换器则将信号一起接入到交换矩阵上完成通播、会议。由于手持无线终端暂不设计键盘,所以无线终端只能完成半双工通播,不具有选呼功能。

2 关键技术设计

2.1数字交换设计

数字交换是通信设备的核心技术,交换电路稳定可靠是交换设备自身工作稳定的前提和基础,通常在设备设计交换电路时,往往采用Zarlink公司的MT系列芯片实现,其优点是实现简单、操作方便,其缺点是在生产过程中器件有停产可能,导致要重新设计电路。随着FPGA容量越来越大,采用在FPGA中自己设计电路以实现数字交换,其优点是明显的。自行设计可降低设备的成本、提高设备集成度,有利于提高设备的可靠性,不用担心元器件的停产。全双工数字交换的电路设计原理又相对简单,数字交换电路越来越多地采用在FPGA内部设计。

在FPGA内部实现电路交换的原理如图3所示。图中从交换矩阵读出的数据即为交换后的数据,数据所要放入的时隙为地址产生器2所产生的地址,该地址是由主处理器获取设备的外部信息后决定的,如果将交换矩阵同一时隙的内容放入多个接收时隙,则完成一对多的功能,如果放入所有终端的接收时隙则完成通播的功能。

2.2全双工会议设计

由于全双工会议芯片对会议成员数以及可同时召开的会议数要求有限,如果自行在FPGA内部设计则相对灵活,而且可根据会议容量需要选择相应容量的FPGA来进行设计。全双工会议的电路设计原理是首先将所有会议成员的PCM编码转换为线性编码,对成员的线性编码相加,并对结果作溢出判断及处理,将自己的话音减掉,然后再将处理后的结果转换为PCM编码由交换矩阵送出。全双工会议的信号流程如图4所示。

2.3话音压缩编解码设计

话音压缩编解码设计的目的是将话音信号数字化,进行PCM编/解码,完成模/数、数/模变换,然后将数字信息压缩,适应于在低速率信道中传输。数字化后的信号采用AMBE算法进行8 kbps的压缩、解压缩编/解码。此时有效压缩数据为16个字节,速率为6.4 kbps,帧头2个字节及部分开销占2个字节,速率为1.6 kbps。合计20个字节,速率为8 kbps,和PCM数据的帧频相同。

该适配电路较为复杂。AMBE全时隙帧结构为24 bit,传输一帧需要20 ms,而实际信道传输速率仅为8 kbps,传输一帧仅需要1 ms,所以需要对其帧结构进行调整,提高传输效率,才能完成话音的实时传输。调整后在信道中实际传输的话音帧结构如表2所示,该时隙的转换工作在FPGA内部完成,去掉大部分控制信息,仅保留了帧头信息和2个字节的控制信息。

话音压缩编解码设计包括数字和模拟信号的处理和转换,选择话音压缩芯片AMBE的工作方式、压缩速率,调整其内部时序和接口关系。

将AMBE并行和串行接口工作方式进行比较,各种压缩速率的话音质量进行比较,对工作方式、帧头选择、静默控制、时钟控制等进行优选设计。

2.4抗噪设计

系统的应用环境适用于在野外使用,在周围环境噪声及车辆发动机噪声恶劣情况下,如果系统抗噪能力差,通话效果会很差。因此系统采用多种抗噪措施,即使周围环境嘈杂,系统仍能保证很好的通话效果。

系统采用的抗噪措施包括:终端采用抗噪的MIC,滤除环境噪声;在FPGA内对话音进行门限限制,只有在声音达到门限电平时,才允许话音送出,为了保证话音的流畅,在门限打开后,当信号电平低于门限时,自动延时3 s后自动关闭闸门,如图5所示。

2.5纠错设计

系统中无线信道传输要求低速率、高质量,需要通过差错控制技术来提高数据传输的可靠性。在信道中,突发误码和随机误码并存,随机误码可以直接进行纠错处理。突发误码的处理方法则是将突发误码离散化,再进行纠错。这里引人一个新的概念比特交织技术,比特交织技术从概念上说是一个数据序列在一一对应的条件下进行数据的位置重排过程。其逆过程为解交织,也就是将接收到的信息序列进行位置还原,使数据的位置还原成发送时的顺序。比特交织技术的作用就是随着将数据顺序重排的同时,将突发误码离散化,再通过其他技术纠错,纠错后的数据则执行一个相反的数据重排过程,也是将数据进行还原的过程,图6对该过程进行了详细说明。其中数据写入数据存储器1,然后再从数据存储器1中读出的过程为数据交织过程,数据写入数据存储器2,然后再从数据存储器2中读出则完成了数据的解交织。

数据的交织、解交织和纠错在FPGA内部完成,并且RS纠错在FPGA内有成熟的IP CORE可直接使用。而数据的交织、解交织占用的存储器较多,需要选用容量较大的FPGA。

3结束语

此文的设计思想适用于一个小区域通信,既能满足内部成员的通信,又提供在区域外部通过无线和有线2种手段和内部系统的联络。每种终端数量均可根据实际使用的需要灵活配置,甚至可以只用无线终端在野外通信,使用灵活方便。

系统的各项关键技术均在FPGA内部完成,提高了系统的技术含量,增加了设备的可靠性,减少了设备的成本,有利于设备的生产。

摘要：介绍了一种数字通信系统的设计思想及其关键技术的实现方法。该系统分为有线通信系统和无线通信系统2个子系统,并将无线通信和有线通信有机地结合在一起,融合为一套有线、无线共存互通的综合通信系统。对系统的各个关键技术做了详细介绍,拼弃了以往设计采用套片的设计思路,关键技术在FPGA内部自主设计。有线部分采用PCM编解码,无线部分采用AMBE话音压缩和RS纠错处理。该系统设计稳定、话音清晰,便于生产和使用。

关键词：全双工,数字交换,话音压缩

参考文献

[1]张文冬.程控数字交换技术原理[M].北京:北京邮电大学出版社,1994.

[2]谢金明.高速数字电路设计与噪声控制技术[J].北京:电子工业出版社,2003.

[3]比兰斯基(BYLANSKI P)著.数字传输系统[M].迟惠生译,北京:人民邮电出版社,1979.

[4]郭金鹏,贾香娥.大数判决和BCH编解码抗误码性能的分析[J].无线电通信技术,2004,2(16):42-44.

[5]康京山.通信网电话会议技术研究[J].无线电通信技术,2006,4(13):39-41.

数字通信系统在医院的应用与发展 第5篇

关键词：数字通信系统；医院；发展

中图分类号：TP309

随着社会经济日益进步，人们生活水平不断提高，对医疗服务的要求也越来越高。而改善服务达到人们需求的重要手段是数字通信系统的发展，并广泛应用于医院当中，比如：医护人员移动协同服务，呼叫中心的应用等。

1 数字通信系统的概念

用数字信号对载波进行数字调制后，在传输或用数字信号作为载体来传输信息的通信方式被称作数字通信。接收器、传输介质和发射器是其最主要的技术。其模式一般包括：模拟信号数字化传输通信系统、数字基带传输通信系统和数字频带传输通信系统。数字通信的研究给存储介质以及信息传输等带来了很大的便利：

由于其信息源是独立的，利用信息编码器把信息转变之后，信息可以无误的被传输或者存储，一旦恢复之前的数据，信息就可以没有错误的重新构建回来。独立信源一样适用于通信媒介以及储存。这也说明很多个信息源能够共享同一个通信媒介，正因为它的独立性也带来了很大的经济效益。数字通信系统有自己相关的信道优化设计，就一个通信链路而言，解调器、调制器、信道译码器、信道编码器都能够根据对应的信道特性优化，而且因为任何一条链路都能够传输，因此不会产生“噪音积累”的现象。

2 数字通信系统在医院目前的应用

2.1 关于呼叫中心的应用

可以24小时预约服务登记，患者自主预约，可以从网络平台或者电话平台自行预约，挂号成功后医院系统会根据患者留下的电话进行短信通知，并提醒患者前面的排队人数。预约之后直接去医院，在医院患者只需要拿预约号挂号就可以很快的完成就诊的一些相关流程。另外患者不需要亲自到医院查询住院费用，可以通过异地查询住院明细表，通过网络、电话平台，直接输进自己的代码，就能够实现查询并且可以接收费用的清单传真，异地查询体检报告也可以进行这样的操作。

2.2 医护人员移动协同服务

医护人员想要掌握每一个病房的最新动态且快速传入中央数据库或者跟其他相关人员交换数据时只需要携带PDA，并能够及时、无误的制定出患者的治疗方案。医护人员可以用PDA对病患的资料进行查询，他们手中的PDA含有医院所有患者的护理项目，具体病例资料等，可以随时查询。

2.3 创新医护人员通讯方式

传统的传呼系统被移动通信终端代替。其优点主要有：完整的服务信息通知系统、简化服务响应流程。访问控制、监控、可视化图形功能、具有弹屏功能的预约提醒等可作为医护人员的IP通信终端。

2.4 以患者的中心

主要是指电话的应用。给病房的话机带来很丰富的功能，主要有：DID号码分配、换房、预付费、共享话机、基本电话业务等。与朋友或家人的视频通话、医疗服务中心定期与患者进行视频通话、医疗服务中心的紧急电话、视频协助、院方服务、智能楼宇管理等这些是有浏览器功能IP电话广泛的服务。从这些提供的服务能够看出，医院数字通信系统不仅限于沟通工具，而是已经慢慢发展到改善医院服务的重要途径，并开始从医院转向以患者为中心。

3 现在数字通信系统在医院的应用和发展

就数字通信系统的发展与应用，我们可以知道其对医院具有十分重要的意义，主要表现在：

3.1 医院服务质量的健全

传统的通信数字通信系统的运用，患者是被动的，医院与患者的关系是医院为中心。所以患者只能利用单一的渠道获取信息。患者要自己来到医院，而在来医院求医的过程中，患者没有流程的意识，东奔西跑，浪费时间和精力。还有一点，在常识方面患者很缺乏，这样医生心理十分的疲惫，导致医生与患者之间情绪恶化。目前，由于科技的进步，呼叫中心被普遍应用各个医疗机构，是医院改善服务的重要措施。具体改善如下：患者随时电话联系医院，拉近彼此之间关系，方便了用户就诊。WAP、人工服务、用户还可以选择自动语音服务、短消息、Internet、传真、电话等是用户和系统之间的沟通方式。且用户能随时和专家进行沟通，系统能提供相关的用户信息，专家可以依据这个给用户提供最准确的诊断。

3.2 医院品牌的提升

之前人们觉得，医院的经营管理和品牌没什么关系，患者一般都是根据病情或者区域选择就医，不会太多考虑质量问题。但随着我国医疗市场的不断开发，很多医院只能依靠提升服务人员的素质、改成服务环境等来改善医院的服务形象。

数字通信系统建立呼叫中心之后，给医院提供了电子化优质服务窗口，并给医院塑造了良好的品牌，另外，因为受政策的制约，医院不能用大众媒体做宣传。但是呼叫中心却成了医院全新的大众媒体，也就是互联网和电话媒体。因为互联网和电话的发展空间是无限的，和传统纸媒相对消费群体更广泛，不管什么时候、什么地方，全世界的用户通过互联网、电话都能够享受医院的优质服务。所以医院建立呼叫中心在很大程度上提升了医院的品牌效应。

3.3 医院服务流程的优化

就传统的医院来看，部门之间人员责任的划分很不明确。但是在现实的生活里，人们从心里会排斥医院，不想去医院，导致患者对医院的流程了解程度较低。数字通信呼叫中心在医院的建立，能够促使医院各部门责任明确，对一些虚设的岗位可以进行精简。就用户而言，能够很明确的知道自己的问题可以找哪位专家处理，减少了中间没必要的环节，这样一来医院的服务流程得到有效的优化。

3.4 医院服务成本的降低

患者到医院首先要做的就是挂号，患者对医院印象好坏这一部分尤为重要。在人们的印象里面，挂号处永远是长龙一样的，特别是在高峰的时候。但是医院建立呼叫中心之后，人工挂号的压力减少很多，同时也节约了很多人力资源。因此也减少了医院的成本开支。

3.5 开辟新的收入途径

就我国来看，公立医院偏多，一般都有一定的公益性。医疗体制改革之后，国家以保障患者利益为前提，不断探索新的医院收入来源。而呼叫中心支持很多种收费服务，其中有专家咨询、电子挂号等，能够给医院带来新的收入来源，医院的收入主要包括：电子挂号和专家咨询的收入。医院可以采取预付费的方式对用户的挂号看病进行改革，也就是让用户事先购买资费卡，或者通过转账的形式对资费卡进行充值，这样可以形成资金的沉淀，确保医院现金流量的减少；医院可以设立VIP用户，通过呼叫中心就可以实现对VIP用户的上门医护服务等其它特别服务，能够为医院挖掘出更有价值的用户。增强医疗信息化的技术水平是一个循序渐进、长期的过程，通过呼叫中心应用的建立能够有效的加快这一过程的进度，能够将医院的综合实力提高到一个新的高度。

4 结束语

随着医疗体制不断改革，医疗事业快速发展，很多人都想方便的、迅捷的得到与医院相关的各种医疗服务。与此同时，国外的医疗机构慢慢逐渐打开中国市场，导致医院的竞争越来越激烈。所以人们也日益关注在市场经济下医院相关的经营管理活动。医院经营管理活动的重要手段是信息化、科技化。医院呼叫中心这一科技的应用开辟了医院新的收入来源、降低了医院服务成本、优化了医院服务流程、提升了医院品牌、改善了医院服务质量，对医院发展有着十分重要的意义。

参考文献：

[1]李俊峰.数字通信系统在医院的应用与发展[J].中国医院建筑与装备，2011（05）：76-78.

[2]魏海红.基于数字通信系统特点及应用方法的探究[J].电子世界，2013（07）：10-11.

[3]马俊杰.浅谈数字通信的优点以及应用[J].价值工程，2012（09）：145.

数字无中心通信系统的信令设计 第6篇

1.1 无中心系统简介

无中心多信道选址移动通信是指不采用交换控制中心的集中控制,由各移动台链路分散控制,通过选呼用户地址码来实现多信道共用的一种移动通信技术体制。根据国家无线电通信体制的规划公众无线电分为对讲机、无中心移动通信、集群通信以及公众蜂窝移动通信。其中无中心移动通信占有重要的地位,有可能取代目前普通的U H F、V H F无线电对讲机。

1.2 无中心系统的特点及其优势

(1)无线电管理机构无需指配频率,只指配电台呼号,便于规范管理;(2)多信道共用技术,提高了紧缺无线电频率资源的利用率;(3)减少无线电对讲机之间的同频和互调干扰,有利于净化电磁环境;(4)用户的通话保密性相对较高;(5)方便监控和监管。

1.3 无中心系统从模拟向数字的过渡的必要性

目前我国的无中心移动通信系统采用的数字信令加模拟语音的方式,尚无全数字的通信系统,即数字信令加数字语音的方式。毋庸置疑,数字语音无论在语音质量方面还是传输可靠性、通话保密性等方面均远胜过模拟语音,同时数字调制技术可以进一步提高频道利用率,降低邻道干扰。当前我国的对讲机和集群系统已经大规模从模拟语音升级到数字语音,无中心移动通信系统的全面数字化势在必行。

2 数字无中心系统的信令设计

在模拟无中心系统过渡到数字系统时,可以参考欧洲比较成熟的DPMR数字对讲机系统对语音进行数字化。在这个过程中,如果只是简单地把模拟语音转换为数字语音,而不对以前的信令进行重新设计,显然是不能满足需求的。首先,帧结构的差异:D P M R语音部分有随路信令(用于扩展业务),而其中的域在原有的模拟无中心信令里无法兼容。其次,调制方式的差异:原有的模拟无中心信令部分采用的M S K调制方式,而DPMR则对语音和信令统一采用4FSK调制方式。如果还沿用原来的信令,系统中就会存在两套调制/解调模块,提高了系统成本,并且两套调制/解调模块共存会互相干扰增大系统噪声。最后,调制速率的差异:原有的模拟无中心信令部分的调制速率为1200bit/s和2400bit/s两种,而D P M R的信令和语音调制速率则统一为4800bit/s。综合以上三点,原有的数字信令已经不能适应全面数字化的无中心通信系统,必须对此重新进行设计。

根据需要,数字无中心系统中的基本信令主要由两种帧构成:头帧和尾帧。

2.1 头帧

头帧共384比特,其中包含了信令中大部分的控制信息,其帧结构主要包括前导码、头帧同步字、头帧信息和等色码4部分,而其中的头帧信息构成了主要的信令信息。

前导码:用于接收机的位同步,由01010101…(2)序列构成。头帧同步字:用于头帧的发现和同步,固定为57 FF 5F75 D5 77(16)。色码:用于快速分辨ISF模式和CSF模式以及不同系统间的互操作[2]。除控制信道的色码为DD DD DD(16)以外,其他信道按信道号码顺序循环使用文献[2]给出的色码。

头帧信息进一步被分为如下域:头帧类型:是头帧的主要标识,也是信令的主要标识,后面会有详细的参考设置介绍。ID号:是终端寻址的唯一标识,相当于电话号码的作用。通信模式:标识通信传输的数据类型是语音还是纯数据,或者是混合类型数据。通信格式:标识是点对点通信还是通过中转台通信。呼叫信息:是信令的扩展设置域。

呼叫信息被分为两部分,分别是3比特类型域和8比特信息域。当头帧用于A C K信令时,类型域标识A C K的类型,信息域则由用户定义具体的A C K信息(默认全0)。当头帧用于非A C K的信令时,类型域标识呼叫类型为单呼或组呼等。此时若头帧类型为连接请求,则后面的8比特信息域与之前头信息中保留的2比特一起表示通话约定的空闲信道号;其他情况下,后8比特信息域全为0。

2.2 尾帧

尾帧用于补充在头帧之后构成完整的信令或单独构成通信结束的信令,其帧结构如表2所示。

尾帧同步字:用于尾帧的发现和同步,固定为7D DF F5(16)。尾帧类型:标识该尾帧是否带有状态信息。A C K请求:标识是否需要被呼方发送A C K。T x等待:标识是否需要一段时间来强制让接收方的PTT失效,以便允许用户发送插入请求。状态信息:由用户自定义,共3 2种状态信息。

2.3 信令设计

数字无中心系统所有的信令均由以上两种帧进一步构造而成,对其中的域作不同的设置,可以构造成不同的信令,以下给出了数字无中心常用的信令及关键域的参考设置。

连接请求信令:用于发起呼叫时请求连接的信令。格式:头帧+尾帧。参考设置:

注1.保留的2比特和CI中的后8比特一共10比特“X”表示发送方搜索到的空闲信道号注2.组呼并不需要接收方回复ACK,此时ARQ=00

A C K信令(已接听):接收方接听呼叫后发送的回复信令。格式:头帧。参考设置:

A C K信令(拒绝接听):接收方拒绝接听后发送的回复信令。格式:头帧。参考设置:

拆线信令:表示通信完全结束,让接收方返回控制信道。格式:头帧+尾帧+头帧+尾帧。参考设置:

通信开始信令:用于PTT按下时引导随后的语音帧。格式:头帧。参考设置:

通信结束信令:用于PTT松开时附在最后一个语音帧之后。格式:尾帧。参考设置:

自适应转发信令:用于当转发台发现发送方的呼叫信令由于距离语音不能达到接收方时,自动转发呼叫信令。格式:头帧+尾帧。参考设置:

强制转发信令:发送方强制要求转发台转发呼叫请信令。格式:头帧+尾帧。参考设置:

禁发和还原信令:禁止接收方的发送功能或者还原接收方被禁止的发送功能。格式:头帧+尾帧。参考设置:

禁收发信令:完全禁止接收方的收发功能。格式:头帧+尾帧。参考设置:

3 信道编码差错控制性能分析

3.1 信道编码简介

从上面的信令构造过程可知,信令的主要信息集中在头帧中,所以对头帧的保护是还原信令的关键。在头帧中,头帧信息先后经过C R C-8,汉明码,交织编码,扰码等信道编码,对于连续的语音通信来说,起纠错作用的主要是汉明码和交织编码:

3.1.1 汉明码和交织编码

本系统中的采用(1 2,8,4)的短汉明编码,可以纠正每12比特中不超过1比特的错误。本系统中的生成矩阵如下:

C3=X7 X5X3 X3;

C2=X7 X6 X4 X2 X1;

C1=X7 X6 X5 X3 X1 X0;

C0=X6 X4X3 X0。

其中X 7,X 6,X 5,X 4,X 3,X 2,X 1,1是信息位(8位);C 3,C 2,C 1,C0是校验位(4位)。

交织编码和汉明码的组合使用是一种常用的应对突发连续干扰的方法,可以将突发的连续干扰分散到汉明码能够纠错的能力范围之内。本系统中的交织矩阵为12行×1 0列。

3.1.2 头帧的特殊结构

头帧中包含有完全相同的HI0和HI1两个头帧信息结构,这个特殊的设计可以提高还原信令的效率,原理如下:假设解帧时优先对H I 0处理,并分别设C R C-8和汉明编码能检K1和K2个错,汉明编码能纠K3个错,由于CRC-8的检错能力强于汉明编码的检错能力,即有关系K3<K 2<K 1。假设接收的码中存在N个错,(1)当N≤K 3,则汉明解码时就可以发现并纠正错误还原出正确的信令;(2)当K 3<N≤K 2,则汉明编码能检查出错误,那么放弃随后的解码过程转而对HI1进行处理,如果HI1顺利解码则仍然可以还原出正确的信令;(3)当N<K 2≤K 1,则在CRC校验时能发现错误从而通过对HI1的处理也可能还原出正确的信令,这样一来HI1的存在就为CRC提供了一个简单反馈信道,相当于具有了A R Q体制,从而提高了信令还原效率。

3.2 FEC性能仿真分析

Systemview是一款通信系统仿真软件,有大量现成的元件库,可以十分方便地构建仿真通信系统。FEC纠错部分的仿真原理图如图1所示,图中各部分从左至右依次是信源产生,汉明编码,交织,A W G N信道,解交织,汉明译码,最后是误码率分析。信号源是专用于误码率测试的511码序列。

最后得到误码率随信噪比变化的曲线,如图2所示。从图中可以看出,随着信噪比的增大,系统误码率迅速下降。

4 结束语

综上所述,一方面,从调制方式、调制速率等指标看来,新的无中心信令系统更适合无中心通信系统的全面数字化,并且帧结构冗余度大,使之具有良好的扩展性,可以满足未来开展多种业务的需要。另一方面,由信道编码差错控制仿真看来,新的数字无中心信令系统的信道编码编码效率高,纠错能力强,能够获得良好通信的效果。

摘要：本文介绍了无中心多信道选址移动通信系统,为这一系统的全面数字化设计了新的数字信令,并详细介绍了这套数字信令的帧构造过程及关键域的参考设置。同时这套数字信令还具有良好的差错控制性能,最后通过在Systemview下的仿真证明了它的差错控制确实能大幅优化系统误码率。

关键词：信令设计,移动通信,无中心,信道仿真,误码率

参考文献

[1]GB15160-1994,无中心多信道选址移动通信系统体制[S].

[2]ETSITS102490,Peer-to-PeerDigital PrivateMobileRadiousingFDMAwithachannel spacingof6,25kHzwithe.r.pofupto500mW[S].

[3]魏瑞.基于SystemView的汉明码编译码器的仿真[J].科技广场.2006,8:24-26.

第三代数字通信自动校准系统设计 第7篇

随着第三代数字通信技术的不断发展, 需要有大量功能先进、性能可靠的第三代数字通信测试设备, 如果测试仪器设备的性能不可靠, 测试数据不准确或者仪器自身的技术指标无法满足测试需求, 都会严重影响企业生产的产品质量。因此, 为了推动产业发展, 为产品的研发、生产、流通等环节提供技术支撑平台, 保证测试设备能够正常、准确的运行, 搭建一个第三代数字通信自动校准平台, 对于支撑产业发展、服务技术监督都将起到重要作用。

国内外质检部门对第三代数字通信自动校准系统的研究尚属于起步阶段, 目前针对第三代数字通信综合测试仪开发的多为单型号自动测试系统, 测试设备利用率低且不易于管理。考虑到校准方法的通用性, 校准工作的复杂性, 控制设备的快速性以及软件代码的可重用性, 本文在VB 6.0环境下设计了基于GPIB的第三代数字通信自动测试系统, 由于不同型号的第三代数字通信综合测试仪操作指令, 校准方法以及参数设置都稍有不同, 本系统采用测试程序, 参数设置, 仪器操作指令分离的方法来提高系统的可扩展性, 便于对已有自动测试系统的扩展和管理。

2 第三代数字通信技术概述

第三代数字通信技术 (3g, 3rd-generation) 是一种可以同时传递声音和数据信息的新一代蜂窝移动通讯技术, 与传统的第二代移动通信技术相比, 无论是系统容量、频谱利用率、通信质量, 还是数据传输速率方面都有了长足的进步。目前, 国际上存在四种第三代数字通信标准:WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA和WiMAX[1,4]。其中, TD-SCDMA作为中国自主制定的3G标准备受各大电信设备厂商的关注, 具有频谱利用率高、辐射低等特点。第三代数字通信综合测试仪作为3G产品研发和生产过程中不可或缺的测试设备, 不仅能够提供传统的射频参数测量, 更重要的是能够对3G信号进行调制和解调测量。因此, 如果其性能不可靠, 测试数据不准确或者仪器自身的技术指标无法满足测试需求, 都会严重影响3G产品的产品质量。

3 系统硬件构架

第三代数字通信自动校准系统是由自动测试软件、相关测试仪器仪表、GPIB卡、测试线缆等硬件设备构成。自动测试软件通过GPIB/LAN、控制总线对系统中的测试仪表, 被测设备进行控制, 协同工作完成符合测试规范要求的各测试项目。测试系统硬件部分系统功能的需求主要是完成测试仪表的选择和自动测试方案的研究。该系统具有较好的扩展能力, 测试设备与被测设备都支持GPIB通信即可添加至系统进行自动测试[5,10]。

系统硬件部分主要分为控制计算机、相关测试仪器仪表、GPIB卡和测试线缆组成。其中系统测试仪器仪表主要分为频谱分析仪、矢量信号源、功率计、铷原子频标等。测试线缆主要由三部分组成:GPIB线、射频N型线缆以及时钟同步线。系统的硬件构架如图1所示。

4 系统软件设计

软件是整个系统设计的核心, 考虑到系统应该具备先进性好, 可靠性高和实用性强等特点, 再根据系统的各方面性能需求, 本测试系统采取模块化的设计方法, 选用Visual Basic6.0作为前端应用软件, 后台的数据库采用ACCESS数据库, 底层仪表驱动通过VB以及Agilent IO Libraries共同开发。软件系统各模块关系如图2所示。

其中, 主体界面模块是本测试软件的主体部分, 对整个测试流程以及各具体的软件模块起到串联的作用, 因此, 主体界面模块的实现对于整个系统软件而言是非常关键的。主体界面模块包含了测试系统软件中各图形界面加载函数、界面中各控件动作对应的操作函数, 测试流程差错控制函数等。数据库连接模块主要用于Visual Basic与ACCESS数据库的连接, 实现图形界面与数据库的动态连接。本软件测试系统数据库连接模块主要采用ADO (Active X Data Object) 作为数据库的连接手段。ADO的主要对象属性有Command、Connection和Record Set。其中, Command对象定义了将对数据源执行的指定命令, Connection对象代表打开的、与数据源的连接, Record Set对象代表来自基本表或命令执行结果的记录的全集。本测试系统正是使用这三种对象来实现数据库的动态连接和访问。

测试执行模块是系统软件中最重要的功能模块, 全部的测试操作都是在靠此模块来实现。无线通信计量自动测试系统支持的所有测试项目的操作指令和参数设置, 都是通过此模块发送给仪器。此外, 测试执行模块中还包含了测试过程中涉及的仪器仪表操作流程函数, 如仪表初始化、仪表状态重置等操作函数。由于本系统需要支持多种测试仪表, 所示将测试仪表操作的GPIB指令依据测试项目等相关信息存储在数据库指令模板信息表中, 测试函数需要时只需从数据库中调用即可。当需要新的测试仪表时仅仅需要向数据库指令模板中的添加相应的GPIB指令, 减小了程序主体部分由于测试仪器仪表的更新带来的必要改动, 进而提高了自动测试系统的兼容性和扩展性。

底层仪表驱动模块是通过标准的I/O library对常用总线 (GPIB、RS-232、LAN等) 进行命令和数据的传输操作[11,15]。大部分的仪器仪表厂商都提供自己仪器仪表的仪器驱动, 并且提供源代码, 这就方便了用户应用集成开发环境和通用编程语言来开发设计自动测试系统。由于这些仪器仪表驱动中隐藏了发送具体仪器仪表控制命令的细节, 目前常用的控制法案是只对函数的参数进行设定, 这也更符合高级语言的编程习惯。本自动测试系统采用的是VISA函数库作为I/O library[16], 通过仪器的端口读写操作和属性控制来实现与仪器的命令和数据交换;底层仪表驱动模块主要采用V B调用VISA函数库中的函数向仪器仪表发送操作命令和从仪表中读取结果。

5 自动校准实现及结果分析

5.1 自动校准过程

第三代数字通信综合测试仪是一种既能够发射信号, 又可以接收信号的综合性测试仪器, 因此, 对其校准的过程要分为发射和接收两个部分来进行, 校准项目不仅包含了所有传统的射频参数校准 (功率、频率等) , 又包含了3g技术特有的数字调制参数的校准。本文将以Agilent公司生产的E5515C数字通信综合测试仪TD-SCDMA输出调制项目自动校准为例, 说明第三代数字通信综合测试仪的自动校准过程。硬件设备连接图如图3所示。

TD-SCDMA输出调制自动校准的基本原理是由第三代数字通信综合测试仪发送一个标准的T D-SCDMA数字调制信号给频谱分析仪, 然后, 矢量分析软件进行相应设置后可以将经过频谱分析仪解调后的相关调制参数以图形和数据的形势进行显示, 并返回数据库, 进行判断后最终显示在计算机测试软件界面中。具体的自动校准流程图如图4所示。

图中, 有以下几点值得注意:

(1) 矢量分析软件在解调过程中需与综测仪时钟同步, 因此, 矢量分析软件的中心频率应该与综测仪输出频率相同。

(2) 每一个频率点的校准完成之后需要关闭综测仪输出信号, 以免对仪器设备造成不必要的损伤。

(3) 综测仪输出电平以-20d Bm为宜, 过小的输出电平会导致频谱仪不能正常解调调制信号, 而过大的输出电平又易对频谱仪造成损坏。

5.2 自动校准结果及系统性能分析

为了验证自动测试结果的可靠性, 还是以TD-SCDMA输出调制项目自动校准为例进行自动测试结果与手动测试结果的比对。在相同环境下进行的比对实验, 每组数据都是十次测试结果的平均值, 具体比对结果如表1所示。

从表1中可以看出, 自动测试与手动测试结果之间的差值远远小于测量不确定度, 说明自动测试系统的可靠性较高。此外, 就整个测试系统而言, 在确保自动测试结果可靠性的基础上, 测试效率较之手动测试也有明显的提高, 一台第三代数字通信综合测试仪所有的测试项目手动测试需要的时间约为5个小时, 而自动测试仅需要25分钟。以上实验结果表明, 该自动测试系统测试速度快, 精确度高。

6 结束语

第三代数字通信自动校准系统在保证测量精确度的基础上, 极大的提高了测试效率, 减少了校准工程师的工作量, 作为一个综合性的测试系统, 后续的管理和扩展工作也因此而变得简单。与此同时, 第三代数字通信自动校准系统的设计方案为其他方向自动测试系统的开发提供了一个很好的参考。随着4G LTE技术的不断发展, 下一步将就第四代数字通信自动校准系统的开发以及与第三代数字通信自动校准系统能否兼容等问题做深入研究。

摘要：针对不同型号的第三代数字通信综合测试仪校准方法相似, 手动测试效率低, 测试项目和测试点多, 以及单型号自动校准系统设备利用率低等问题, 为了提高测试效率和测试资源利用率, 提出了基于GPIB (General-Purpose Interface Bus) 总线技术, 以Visual Basic6.0为软件开发平台, 采用软件功能模块化的方法构建第三代数字通信自动校准系统的设计方案, 实现多种第三代数字通信综合测试仪在同一个平台下进行自动校准。实验结果表明, 该系统实用性强, 测试结果可靠性高, 界面操作简单且易于扩展。

煤矿数字通信系统设计 第8篇

随着我国航天事业已经进入一个重点跨越、转型升级的新时期、新阶段,航天发射及活动日趋活跃,航天测量船的海上测控任务也日益繁重。作为航天测控高技术装备的集中载体,其涉及专业多、技术性强、装备系统复杂,装备操作规程严格,操作人员能力素质要求高,通常由多个操作人员协同完成操作,这无疑对装备性能及操作人员的培养及训练提出了更高的要求。高层体系结构(High Level Architecture,HLA)是一种先进的支持可重用、互操作的分布式交互仿真框架,能够提供将构造仿真、虚拟仿真和实况仿真集成在一起,联邦成员可互操作的综合环境。

在深入研究测量船船载测控通信设备原理及组成的基础上,设计和实现了一种基于HLA的测控通信装备全数字仿真系统。通过建立训练仿真系统,开展人员的培训及装备性能检验,有效降低训练成本,减少装备损耗,且训练不受实际环境制约,在岗位训练、任务演练及设备动态性能检验等领域发挥重要作用。

1系统体系结构

测控通信装备全数字仿真系统主要由三个功能模块组成:设备仿真模块、数据管理模块和管理监控模块。其体系结构如图1所示。仿真系统中利用VR-Link作为联邦成员交互互联的基础平台,实现各个联邦成员的分布式互联。本系统中的联邦成员划分如下:管理监控模块包括仿真控制成员,故障诊断成员;数据管理成员;设备仿真模块包括中心机成员,卫通成员,惯导成员,变形成员,模拟中心成员,USB成员,UCB成员,VHF成员以及基带成员。这些设备基本构成了测量船特装设备的一个完整体系,能够较全面仿真测量船特装设备的任务过程,满足演练训练需要。

各成员的功能如下:(1)仿真控制成员:负责对各联邦成员的管理与控制,完成仿真模式和过程的管理。(2)故障诊断成员:向各个设备联邦成员发送故障码,根据各个设备联邦成员反馈的故障监控它们的故障状态。(3)数据管理成员:存储设备之间的相关交互信息,用于后期的仿真回放和评估。(4)各测控通信设备成员:主要实现各测控通信设备的功能性仿真和模拟。具体实现时,各个联邦成员可采用在不同计算机上分布式运行的方式,也可在同一计算机上运行。

2系统设计与实现

系统采用HLA体系结构(以IEEE 1516.22000为标准),运行支撑系统选用MAK RTI,开发工具为Visual studio.NET 2003,采用LabWindows/CVI 2009平台开发各设备模块的操作面板,MATLAB平台负责处理较复杂的仿真运算,Vega平台实现视景仿真,SQL Server为数据库平台,通过DLL实现LabWindows/CVI、MATLAB调用,利用acf文件传输视景仿真数据。

2.1仿真时间管理

全数字仿真系统属于离散事件仿真(Parallel Discrete Event Simulation,PDES),其核心在于为所有仿真节点选择一个相同的精确时钟,确保在仿真过程中所发生时间逻辑上的正确性和有序性[1],减少时间偏差(Time Warp,TW)或降低偏差带来的不良影响,保证各成员能以同样的顺序观察到时间的产生[5]。为与真实设备保持一致,采用50 ms为仿真计时基数。依据各联邦成员的消息收发最小间隔,将与测控任务数据处理直接相关的联邦成员的时间瞻量LBTS(Lower Bound Time Stamp)设置为50 ms,其他联邦成员的LBTS设置为200 ms。与数据处理相关的联邦成员在0时刻,其Lookahead为50 ms,LBTS为200 ms;其他联邦成员的在0时刻,其Lookahead为200 ms,LBTS为50 ms,故当且仅当与数据处理相关的联邦成员推进到200 ms时,其他联邦成员可以推进到200 ms,当且仅当其他联邦成员推进到200 ms的时候,与数据处理相关的联邦成员才可以向前推进。

2.2信息交互技术

随着岸船通信网络升级完成,通信类数据由原有的HDLC格式转换为PDXP格式,故仿真系统所有的通信类数据,统一简化为两类数据结构,即PDXP格式与RTP格式,前者用于实时通信数据,后者用于话音、图像的实时传输。仿真系统的信息交互拓扑如图2所示,并以此撰写FED文件。

根据PDXP数据交换的协议,采用PDXPHead+Data域的结构。结构中填充的内容根据测控任务的信息交换约定填充,信息长度则是PDXP包头后的数据字段长度,也是Data域的长度。Data域则是根据B码的不同,根据信息交换格式进行定义,其交互类的数据结构则定义为:

其中,Data数据域定义为一个固定长度的缓冲区,以便于完成数据交互类的数据交换。根据B码需要填充相应的数据结构,但是PDXP包头填充的长度根据相应B码的数据结构长度计算。Data域根据每种应用数据的Data域填充,即向DataInteraction的Data域填充若干字节数据。PDXPHead中的长度则根据每种应用数据的实际长度计算,接收方与发送方则根据信息交换约定的B码进行数据解码与编码。

RTP格式同样按照PDXP格式定义,交互类结构定义为:

2.3仿真子系统的软件实现

船载测控系统九个仿真子系统实现的技术途径是相似的。由于篇幅的原因,以下主要介绍USB仿真子系统的具体实现。USB仿真子系统程序设计通过 MARK RTI 提供的各种接口来实现HLA 的分布式仿真,仿真开始并初始化数据后,由仿真控制中心成员创建联邦,联邦创建成功后,USB仿真成员加入联邦。USB仿真成员根据需要订购别的成员的交互类,同时发布自己的交互类,主要订购和发布的交互类如表1和表2所示。USB仿真成员通过这些交互类获取和传递数据。

交互类订购、发布完毕后开始进入数据仿真处理阶段,执行的整个仿真流程如图3。

2.3.1 HLA/RTI和LabWindow/CVI的结合方法

测控设备仿真子系统底层通过Visual C++调用RTI库,上层采用LabWindows/CVI设计设备操作面板:先借助LabWindows/CVI生成显示面板和操作所需要的C语言代码,将LabWindows/CVI程序编译成为DLL库后,由仿真软件底层对此DLL文件进行调用;这样通过二者的结合实现测控设备成员的仿真功能。Visual C++和LabWindows/CVI编写的DLL的调用关系如图4所示。

2.3.2 LabWindows/CVI操作面板的DLL设计

Labwindos/CVI中面板设计完成后保存为*.uir文件,为了解决Labwindos/CVI与Visual C++环境下的消息的冲突问题,在调用LabWindos/CVI开发的DLL链接库时需要对面板加载函数与面板退出函数进行特殊封装处理,面板加载函数如下:

同样,在面板退出时,需要使用LabWindos/CVI提供的面板关闭函数,而不能使用Visual C++提供的关闭函数。具体如下:

2.4仿真系统的运行界面

图5为仿真系统软件的主界面,联邦初始化完成后,就可以加载各仿真子模块。

运行“USB仿真训练子模块”,如图6所示,显示界面为USB基带工作参数设置界面。用户仿真操作界面和真实设备操作界面完全相同。

3结束语

测量船测控通信全数字仿真系统是在对航天测量船测控装备系统深入研究后,建立设备的全数字仿真模型,构建了一个完整的与真实设备较为接近的仿真系统,为岗位训练和设备性能检验提供了接近任务实战的环境。实践表明,基于HLA的分布式仿真平台具有重复性好、通用性强、不受实际环境制约等特点,且使用成本低廉,可有效降低实际操作训练风险。该平台技术性能可靠,技术成熟,不仅可以满足各航天测量船需要,还可推广应用于其他航天测控相关领域。

摘要：通过深入研究测量船船载测控通信设备原理及组成,提出了基于HLA技术构建测量船测控通信设备的全数字分布式仿真系统。设计了系统总体框架、信息流程及软硬件平台,并给出了系统运行、数据交互及USB系统仿真等关键技术的实现方法。该仿真系统为岗位训练和设备性能检验提供了接近于测控任务的实际环境,有效降低训练成本,减少装备损耗。

关键词：高层体系结构(HLA),测控通信装备,分布式仿真,数字仿真

参考文献

[1]周彦.HLA仿真程序设计.北京:电子工业出版社,2002

[2]黎芳.基于HLA的多传感器舰船导航分布式仿真平台.应用科技,2011;38(7),29—34

[3]谈斌.基于HLA的装备操作训练仿真系统设计研究.系统仿真学报,2011;23(S1),177—179

[4]刘强.基于HLA的航空通信网分布式仿真平台.北京交通大学学报,2011;35(5),27—30

煤矿数字通信系统设计 第9篇

本文就是针对通信系统的这种需要, 提出一种基于现场可编程门阵列 (FPGA) 的数字复接器设计, 并使用硬件描述语言Verilog HDL对FPGA芯片进行编程及配置。这种数字复接器与普通的硬件电路数字复接器相比, 具有复接速率和复接支路数量可动态配置、可重复配置、扩展性强、易于实现等优点。

1 数字复接原理及组成

1.1 复接原理

在通信系统中, 为了提高通信信道的利用率, 使用多路信号在同一条信道上分时传输的方式叫做时分复用。数字复接技术就是依据时分复用基本原理改变多路低速数字码流的码元宽度, 并把它们按一定规则重新编排在一起, 从而形成一路连续高速数字码流的一种技术。

常用的数字复接方法有按位复接、按字复接和按帧复接三种。

(1) 按位复接。按位复接的方法是每次只复接一个支路的1bit信号, 依次轮流复接每个支路的数字信号。按位复接方法简单易行, 且对存储器容量要求不高, 其缺点是对数字信号交换不利。

(2) 按字复接。按字复接的方法是每次复接一个支路的一个码字 (8bit) , 依次轮流复接每个支路信号。按字复接方法有利于数字电话交换, 但要求有较大的存储器容量。

(3) 按帧复接。按帧复接的方法是每次复接一个支路的一帧 (多个字节) 信号, 依次复接每个支路的数据帧信号。这种复接方法的优点是复接时不破坏每个支路原来的数据帧结构, 有利于数字信号的交换和分接, 但需要很大的存储器容量, 不利于硬件实现。

根据被复接的各支路数字信号彼此之间以及与数字复接器的定时信号之间是否同步, 数字复接还可分为同步复接、准同步复接和异步复接三种。

(1) 同步复接。同步复接是指被复接的各输入支路之间, 以及同数字复接器之间均是同步的, 此时数字复接器可直接将低速支路数字信号复接成高速的数字信号。

(2) 准同步复接。准同步复接是指被复接的各输入支路之间不同步, 并与数字复接器的定时信号也不同步, 但是各输入支路的标称速率相同, 也与数字复接器要求的标称速率相同, 但复接之前还需要进行码速调整, 使之满足复接条件再进行复接。

(3) 异步复接。异步复接是指被复接的各输入支路之间及与数字复接器的定时信号之间均是异步的, 其频率变化范围不在允许的变化范围内, 必须进行码速调整方可进行复接。

1.2 组成

数字复接器由数字复接和数字分接两部分组成。数字复接部分的功能是把两个或两个以上的低速支路数字信号按时分复用方式合并成一个合路的高速数字信号。数字分接部分的功能是把一个合路的高速数字信号分接成原始的各支路低速数字信号。数字复接器的组成框图如图1所示。

上图中定时单元是给数字复接器各支路提供一个基准的工作时钟。数据调整单元是把速率不同的每个支路信号调整成与数字复接器定时单元时钟完全同步的数字信号, 并对各支路数字信号的格式根据需要做相应的调整。复接单元是按一定方法 (按位、按字或按帧) , 依次循环读取各支路经调整后的数字信号, 并合成一路高速数字信号输出。分接单元是将收到的一路高速数字信号按一定方法, 依次循环恢复出各支路调整后的数字信号。数据恢复单元是恢复出各支路数字信号的格式, 并低速输出各支路数字信号。

2 FPGA设计

本文以六路同步复接器为例研究FPGA的设计方法。在某个数字通信系统中, 每个通信周期20ms内6路低速RS422串口传输的数字信号量各为12各字节, 且各支路数字信号之间的数据是完全同步的, 同步时钟为307.2kHz, 而通信系统用于数字复接器设计的FPGA芯片为Xilinx公司的XC3s250e, 该芯片的存储资源容量远大于通信系统传输的数据总量。因此, 本文基于FPGA技术提出用按帧复接方法的六路同步数字复接器来实现通信系统中6路低速数字信号的高速复接和分接, 将复接后的传输速率提高到各支路的40倍, 以满足系统高速处理数据的需要。

通信系统中的六路同步数字复接器主要由分频器模块、数据调整及并/串转换模块、串/并转换及数据恢复模块组成, 各模块独立设计, 在FPGA芯片内通过软件编程及配置实现。六路同步数字复接器的结构如图2所示, 图中6.144MHz外部时钟为分频器用于倍频和分频的基准时钟, 周期25ms的外部时钟为数字复接器与通信系统工作的同步时钟, RS422串口速率为307.2kbps。

(1) 分频器模块。分频器模块的功能是把6.144MHz外部输入的基准时钟倍频到12.288MHz, 用于高速数据码流的输出同步;同时还要把基准时钟分频到4.9152MHz和307.2kHz, 分别用于RS422串口数字信号的16倍高速采样和低速RS422串口数字信号的输出同步。分频器可以使用FPGA芯片中的数字时钟管理器 (DCM) 来实现。

(2) 数据调整及并/串转换模块。数据调整及并/串转换模块用于实现数字复接系统中的数据调整及复接功能。该模块的工作原理是去掉RS422通信协议中每个字节的起始位、校验位和停止位, 只读取8位有效数据, 以减少系统数据处理容量;同时还要在每个通信周期内将读取出的6路低速串口有效数据按设定好的顺序进行重组, 完成并/串转换后以一路12.288MHz的高速数字信号输出。

(3) 串/并转换及数据恢复模块。串/并转换及数据恢复模块用于实现数字复接系统中的分接和数据恢复功能。该模块的工作原理是在每个通信周期内将收到的一路12.288MHz高速数字信号以12个字节为一组分接成6组, 重组后计算好每个字节的校验位, 并增加每个字节的起始位和停止位, 恢复出符合RS422通信协议标准的数据流, 然后以6路307.2kHz的低速数字信号同时送出。

3 结语

本文介绍了六路数字复接器的原理和实现方法, 在今后的应用中, 只需要在FPGA芯片配置软件上修改数字复接器中分频器的分频速率、倍频速率和复接支路数量, 就可以扩展应用到不同需求的数字复接系统中, 具有良好的推广应用价值。

参考文献

[1]文元美等.现代通信原理[M].北京:科学出版社, 2005

煤矿数字通信系统设计 第10篇

调度电话系统是煤矿语音通信系统的重要组成部分。但目前调度电话存在实时性差、需振铃接通、音量小等问题, 直接影响着煤矿安全生产调度系统的时效性, 特别是在发现重大险情的情况下, 现场人员无法及时通知井下所有工作人员撤离, 导致发生重大人员伤亡事故, 影响安全生产的正常进行[1]。因此, 设计一种适用于煤矿生产调度和救灾的扩音电话通信系统, 对解决现有煤矿语音通信不足具有重要的现实意义。

本文设计了一种基于CAN总线的数字扩音电话系统。该系统以凌阳公司生产的16位语音处理芯片SPCE061A单片机为主控制芯片, 采用凌阳专用的音频压缩算法实现对语音数据的压缩编码, 并通过CAN总线传输, 接收解码数据并送入功放单元播放, 具有操作简单、无需振铃接听、输出音量大等特点。

1系统整体构成

基于CAN总线的煤矿数字化扩音电话系统的整体结构如图1所示。

该系统由工控机PC、网关装置、警示装置、通信电缆、终端、中继分支器等构成, 采用总线型网络、多主访问机制。地面可以通过工控机PC对网关装置进行操作, 实现对井下各个警示装置的任意呼叫 (即选呼方式) 或全部呼叫 (即广播方式) 功能, 同时可以用工控机软件对实时发布的语音信息进行存储和查询, 并且井下各个警示装置可与其它所有的警示装置广播通信。井下装置的按钮被按下就可以进行全网通报, 包括地面网关装置也能收到语音。网络协议保证了在同一时刻只有1个警示装置是播报装置, 其它装置操作无效, 避免冲突。

2井下工作站装置硬件结构

扩音电话系统的各个工作站装置主要由电源模块、功放模块、语音处理模块、通信模块、MIC模块和按键指示灯模块组成。

2.1 电源模块

该系统外围电路由5 V电源供电, SPCE061A的内核为3.3 V供电, 因此, 笔者选用金升阳公司生产的隔离电源模块WRB2405-2W得到5 V电压输出。WRB2405-2W具有I/O隔离1 500 DVC、短路保护、输出可关断、功率密度、输出最大电流为400 mA等特点;选用凌阳公司SPY0029型号的3.3 V稳压电源模块, 它具有宽电压输入、最大输出电流为100 mA等特点。

另外, 电源模块采用三洋公司2 200 mAh电池组作为系统备用电源, 待机时对其充电, 系统断电后由其维持系统正常工作。

2.2 语音处理和通信模块

语音处理和通信模块是系统核心模块, 其电路原理如图2所示。

SPCE061A是以μ′nSP TM16位微控制器及信号处理器芯片为内核的16位单片机, 采用模块式集成结构, 将语音信号处理模块和微控制器模块集成在一个小芯片上, 方便与外围通信模块连接。SPCE061A片内集成了2 KB RAM, 具有10位的ADC、DAC模块及32个并行I/O等, 且具有可编程音频处理及麦克风放大器和自动增益 (AGC) 功能[2], 特别适用于语音信号处理领域。同时凌阳公司专门开发了针对SPCE061A的音频编码算法库 (SACM-LIB) , 对语音处理的各个部分作了模块化处理, 方便编程处理。

图2中虚线部分为CAN总线通信部分, 包括CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM8251T。其中SJA1000是一个独立的CAN控制器, 具有BasicCAN (符合CAN2.0A规范) 和PeliCAN (CAN2.0B技术规范) 2种模式。SJA1000特有的接收栈 (RXFIFO) 总长为64 B。在PeliCAN模式下, 接收缓冲区最多可以存放21条报文 (在数据长度为0的情况下) [3]。

SJA1000的这种设计方式, 使其特别适用于数据量大的语音数据的通信, 接收的语音数据被存储在FIFO, 大大降低了数据超载的可能性, 用户能够有充足的时间进行中断处理。笔者曾用过不带这种FIFO接收栈的CAN控制器, 很难满足语音通信的要求, 语音数据丢包率严重, 语音质量很低。

图2中, 晶振频率为16 MHz。SJA1000的复用地址/数据总线AD7～AD0和SPCE061A的IOA7～IOA0直接相连。SJA1000地址锁存引脚ALE、读引脚WR、写引脚RD、片选引脚CS、中断输出脚INT连接到SPCE061A的IOB12、IOB13、IOB14、IOB15、IOB1 (外部中断1输入脚) 。这里特别要注意的是要在中断输出脚上接一个上拉电阻, 否则无法正常检测到下降沿的中断信号。SJA1000的MODE管脚接高电平, 这里选用的是INTEL模式, 所以SJA1000的读写时序对应地也应当选择INTEL模式的时序图。复位引脚接的是RC上电复位电路。

由于SPCE061A没有专门的ALE、WR、RD、CS管脚, 因此, 必须根据SJA1000的读写时序图, 用SPCE061A编写专门对SJA1000的读写函数程序, 分别记作Read_SJA1000 () 、Write_SJA1000 () , 源程序略。

广州致远公司生产的CTM8251T具有ESD保护功能, 完全符合ISO11898标准, 隔离电压高达DC 2 500 V, 电磁抗干扰EMI性很强, 电磁辐射EME低。与传统的需要隔离电源模块、高速光耦、TJA1050收发器等方案相比, CTM8251T将所有器件整合到一体, 具有稳定可靠、外围电路简单等优点。具体应用时应考虑阻抗匹配的问题, 即在终端节点上接120 Ω的终端电阻。

2.3 MIC模块

MIC模块电路如图3所示。

SPCE061A内置专门用于语音信号采集的自动增益控制放大器 (AGC) 的麦克风输入通道 (MIC_IN) 。语音信号经过麦克风转换成电信号, 由隔直电容隔掉直流成分, 然后输入至内部前置放大器。SPCE061A内部自动增益控制AGC电路能随时跟踪、监视前置放大器输出的音频信号电平, 当输入信号增大时, AGC电路自动减小放大器的增益;当输入信号减小时, AGC电路自动增大放大器的增益, 以便进入A/D模块的信号保持最佳电平, 又可以使谐波最小[4]。

2.4 功放模块

功放模块主要是由2片TDA2003构成的两级功率放大器, 其电路如图4所示。该模块的输出功率大于10 W, 选用8 Ω、10 W的扬声器, 实测分贝值可达到117 dB, 保证了输出话音的覆盖范围, 避免了通信盲区的存在。

2.5 按键指示灯模块

按键指示灯模块主要由通话控制的按键、通话指示灯和电源指示灯构成, 具体电路不予详述。

3网关装置

网关装置是工控机和各个井下装置进行通信控制的关口。通过工控软件控制全网装置, 实现广播和选播的功能, 同时对通话的内容进行录音存储。

网关装置通过MAX232芯片实现TTL电平到工控机RS232电平的双向转换, 从而建立通信连接。

4系统软件设计

系统软件设计的重点是利用凌阳的音频压缩算法库 (SACM-LIB) 设计语音信号的采样、量化、压缩编码、打包成CAN的数据帧格式的语音数据发送, 并实时接收解码播放的算法流程。

凌阳公司为SPCE061A提供了专用的语音函数库 (SACM-D10) , 其处理语音信号范围是200 Hz～3.4 kHz的电话话音, 并将A/D、编/解码、存储及D/A做成相应的模块, 每个模块都有应用程序接口API子函数。SACM_D10是凌阳公司针对SPCE061A推出的语音录制和播放解决方案, 包括SACM_A1600、SACM_DVR1600、SACM_S720和SACM_MS01等4套语音编解码软件包, 适合语音播放、语音录制、音乐播放等用途。

本系统选用的是具有录音播放功能的SACM_DVR1600语音编解码软件包。SACM_DVR1600采用A1600算法, 除可播放语音外, 还可以在单片机上进行实时的压缩编码 (录音) , 具有10 kbps、12 kbps、14 kbit/s、16 kbit/s、20 kbit/s和24 kbit/s六种可选的码率, 可将8 kHz、16 bit的音频以12.8∶1～5.3∶1的压缩比进行编码。

系统软件程序流程如图5所示。系统初始化主要包括对I/O口初始化、定时器初始化、串口初始化和CAN控制器的初始化等。网关通过串口实现语音的实时传输和语音数据的上位机存储, 并通过上位机软件控制整个装置的工作;而井下装置通过工人按住按键进行控制操作, 程序流程基本相同。

考虑到CAN总线的传输距离为3 km左右, 且要保证平均见得分MOS (Meant Opinion Score) 在3.5分以上[5], 系统选用语音压缩编码的速率为16 kbit/s。考虑到干扰和系统冗余, CAN总线位速率为20 kbit/s时传输的语音质量较好。由于SPCE061A是16位的语音处理模块, SJA1000是8位的总线结构, 1次最多存放8 B的数据, 因此, SJA1000在得到编码后的语音数据后需要先经过1次字到字节的转换 (由WordtoByte () 函数实现) 。由于传输码率为16 kbit/s, 1帧语音数据长度为16个字长, 转换成字节为32 B, 因此, CAN总线采用查询发送方式, 分4次发送, 每次发送8 B。接收过程与之相反, 需要重新组合成字型数据, 主要采用中断实时接收方式。

5工控机PC软件设计

工控机PC软件使用Mircosoft公司的VC++6.0以及SQL工具开发。上位机软件通过RS232与下位机装置通信, 在主界面上可实现多种呼叫方式控制、通话记录的存储及查询以及实现语音数据的采集等功能。工控机PC与网关之间的数据通信通过CMSComm类实现, 查询方式与中断方式交替使用;通话记录的存储与查询采用ADO方式与数据库连接, 查询时使用报表方式, 方便打印或导出;语音数据的存储使用Chile类实现文件的操作;对于串口采集到的A16格式语音文件, 采用凌阳公司提供的系统文件转换为WAV格式文件, 直接在工控机PC上播放。

6结语

本文提出的煤矿数字化扩音电话系统以CAN总线为传输控制协议, 采用内嵌16位微控制器的语音处理芯片SPCE061A实现煤矿数字语音的通信, 有效解决了调度电话需振铃接听的不足、实时性不好的问题, 具有传输距离远、抗干扰能力强、成本低廉、话音质量较高、性能可靠、方便录音存储等特点。该系统目前已投入使用, 运行状态良好, 达到了国内同行业先进水平, 为煤矿安全生产提供了有力保障。

参考文献

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[3]丁恩杰, 马方清.监控系统与现场总线[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.

[4]胡峻辉, 王蓓蕾, 李晶皎.基于凌阳单片机的语音信号实时采集[J].单片机与嵌入式系统应用, 2003 (4) .