CN108012039B - 一种便携式集成语音通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式集成语音通信设备，设备采用模块化设计思路，以高可靠性、低功耗处理器为核心，通过各组成单元的功能设计、接口设计和互联规范设计，完成设备的整体设计。该设备包括显示控制单元、通信处理单元、配套附件和控制软件，适用于管制员在不同工作场所进行地‑空和地‑地语音通信。通过集成的WIFI接口、3G接口、LAN接口以及EM模块，该语音通信设备可以在多种通信条件下实现与语音通信控制系统的互连互通；当语音通信控制系统出现故障时，该设备还可通过EM模块与U/V电台直接互联，实现管制员与飞行员之间的地‑空通信，避免通信中断。本发明可满足应急通信情况下，语音通信设备对灵活性和快速适应性的需求。

Description

一种便携式集成语音通信设备

技术领域

本发明属于语音通信工程技术领域，特别涉及一种便携式集成语音通信设备。

背景技术

近年来，世界各国对具有灵活快速反应能力的应急通信要求越来越高。当前，各国军事和民事部门对诸如发生战争、自然灾害、恐怖袭击、灾害搜救与救援等需要应急通信的实施给予了极大的关注，并加强了对具有快速反应能力的通信设备研究。

语音通信系统又称为语音通信控制系统VCCS(Voice Communication andControl System)，是实现内部电话通信和外部指挥协作通信的交换中心，管制员利用该系统实现地-地和地-空语音通信。VCCS包含有多个分布式功能模块：媒体服务中心(MediaService Center，MSC)、语音通信单元(Voice Communication Unit，VCU)、电话、远程控制监控系统(Remote Control Monitoring System，RCMS)、网络交换机等。其中语音通信单元向管制员提供人机操作界面，管制员通过该设备完成地-地有线通信和地-空无线通信。

现有语音通信单元通常都是放置在工作台上，位置固定，设备外形不轻巧，便携性差，缺乏灵活性，无法满足当今与日俱增的更多工作场合下的指挥需求，如户外作业和远程语音通信控制等；并且现有语音通信单元设备集成接口较少，无法应对突发情况下的语音通信，如当语音通信系统出现故障时语音通信建立情况。目前的语音通信单元设计尚缺少对这方面的研究，因此本发明提出了一种便携式集成语音通信设备设计方法。

发明内容

发明目的：本发明属于语音通信工程技术领域，解决的主要问题是当前语音通信单元设计不够灵活，功能相对单一，接口模式不够丰富，无法满足当今应急地空语音通信对灵活性和快速适应性的需求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种便携式集成语音通信设备(ProtableIntegrated Communication Equipment，PICE)设计方法。通过将多种模块进行集成，采用便携式设计方式，既可以在简化维护复杂度的同时增加了管制指挥的操作一致性，又可以满足当今应急地空语音通信对灵活性和快速适应性的需求。

本发明包括外部设备和内部设备，所述外部设备包括触摸显示屏、键盘、功能按键(如声音调节键、屏幕亮度调节键、静音键等)和功能性接口，所述内部设备包括显示控制单元、通信处理单元、配套附件和控制软件。所述外部设备位于便携式集成语音通信设备外部，用于界面显示，按键操作和接口连接；所述内部设备位于便携式集成语音通信设备内部，嵌入于外部设备之中，触摸显示屏、键盘与显示控制单元相连，功能按键位于键盘上，控制软件装载于显示控制单元中，显示控制单元通过以太网与通信处理单元互连，配套附件用于与通信处理单元互连，功能性接口由显示控制单元和通信处理单元分别引出；

显示控制单元负责提供人机界面显示，操作系统承载、指令信息处理及状态上报、声音输出等功能，所述显示控制单元包括CPU、显卡、内存、硬盘、声卡、WIFI模块、左右声道扬声器(用于设备系统音及拨号振铃等声音的播放)和电源模块；

通信处理单元是语音通信处理的核心，主要用于实现PTT(即按即说)信号输入、模拟语音信号采集与编解码、3G模式语音通信、模拟录音输出、外置音箱输出和负载检测等功能，集成有ARM、FPGA、DSP、EM模块、3G模块和语音编解码芯片。显示控制单元和通信处理单元之间通过内部网络直连实现数据交互。所述通信处理单元包括通信处理模块、3G模块和EM(Ear-Mout，接收发射)模块；

所述配套附件包括手持送受话器、头戴送受话器、扬声器和脚踏PTT(Push-toTalk，即按即说)，其中手持送受话器和头戴送受话器用于发射和接收话音信息，同时可以按下PTT键呼叫电台，扬声器用于将话音信息对外放送，脚踏PTT用于使用脚踩下按键发送PTT信号呼叫电台；

所述控制软件包括操作系统、底层驱动软件和应用软件。其中，操作系统采用嵌入式Windows XP Embeded操作系统，底层驱动软件包括通信处理单元板驱动和显示控制单元板驱动，应用软件采用席位应用软件，提供人机界面显示和操作。

所述功能性接口包括两个网络接口，位于内部设备中的显示控制单元中，其中一个网口用于与外部语音通信设备互联，另一个网口用于与内部通信处理单元互联；还包括用于连接外设的USB接口、连接电台的EM接口、设备系统调试的串行口、连接电源模块的电源接口、连接天线的3G天线接口、插SD卡的SD接口、SIM卡接口、用于连接硬盘的IDE接口、外置扬声器接口、FPTT(脚踏PTT)接口、手持送受话器接口、头戴送受话器和电源接口。

所述显示控制单元中的CPU用于处理包括操作系统指令和来自通信处理单元的数据信息；显卡用于设备的显示信息处理；内存用于暂时存放CPU中的运算数据以及与硬盘灯外部存储器交换的数据；硬盘用于存储操作系统、底层驱动软件和应用软件；声卡用于设备的声音数据处理，并将声音通过左右声道扬声器输出。WIFI模块用于与管制中心中语音通信设备进行数据交互，并用WIFI连接方式实现地空和地地语音通信。

所述通信处理模块包括ARM(Acorn RISC Machine，RISC微处理器)芯片、DSP(Digital Signal Processing数字信号处理)芯片、FPGA(Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)芯片和语音编解码芯片，ARM芯片用于PTT信号检测、PTT单频信号产生以及PTT单频信号解调，并实现与CPU之间的数据通信；DSP芯片用于码流格式转换，DTMF(Dual Tone Multi Frequency，双音多频)信号产生；FPGA芯片用于数字语音信号的交换、混音以及PTT信号发送接收；ARM芯片与FPGA芯片之间采用数据总线方式连接；语音编解码芯片用于将来自电台、头戴或手持送受话器的模拟话音信号与通信处理单元中数字话音信号进行相互转换；

EM模块用于与语音通信控制系统或电台互连，并用EM线连接方式实现地空和地地语音通信；

3G模块用于连接3G网络，并用3G连接方式实现地地和地空语音通信；

所述通信处理单元配备有各种接口，包括手持送受话器接口、头戴送受话器接口、脚踏PTT接口、外置扬声器接口和模拟录音接口。

通信处理单元的工作流程如下：

步骤1，来自手持送受话器或头戴送受话器的模拟话音信号通过通信处理单元内部语音编解码芯片A/D模数转换成PCM(Pulse Code Modulation，脉冲编码调制)数字信号进入FPGA芯片中，来自手持送受话器、头戴送受话器和脚踏PTT的PTT信号通过光耦器件转化成高低电平进入FPGA芯片中，来自电台的信号经过EM模块和A/D模数转换成PCM信号和PTT信号进入FPGA芯片；

步骤2，FPGA芯片对PCM信号进行混音或交换并输出，根据需要输出至电台、手持送受话器、头戴送受话器、左右声道扬声器、外置扬声器接口或DSP芯片中，FPGA芯片通过数据总线将PTT信号传至ARM芯片进行处理，处理后通过以太网传输至显示控制单元，来自电台的PTT信号经过CPU处理后显示在显示屏上，来自手持送受话器、头戴送受话器的PTT信号会通过以太网送至语音通信控制系统处理，并告知电台进行呼叫；

步骤3，DSP芯片将PCM数字语音信号转换成RTP(Real-time Transport Protocol，实时传输协议)网络数据，通过以太网送至显示控制单元中处理，DSP芯片同时检测或产生DTMF信号，即状态信息，用于通话链路建立时的状态信息表示以及拨号等按键信息的表示；

步骤4，ARM芯片对3G模式下接收端的PTT信号进行算法检测和分离，并产生PTT单音信号，用于呼叫电台，ARM芯片对来自电台、手持或头戴送受话器的话音信号和拨号按键产生的状态信号进行检测判断，并将结果反馈给CPU处理。

所述设备提供有线连接方式和无线连接方式与语音通信控制系统(用于连接和管理电话与电台之间通信资源的核心设备)互连进行地地和地空语音通信，有线连接方式包括网络直连方式和EM线连接方式；无线连接方式包括WIFI连接方式和3G连接方式；

其中，采用网络直连方式时设备的数据处理过程为：

步骤A1，当有电台向设备进行话音呼叫时，电台端有包含话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至语音通信控制系统，

步骤A2，语音通信控制系统通过RIU(Radio Interface Unit，电台接口单元)和DIU(Data Interface unit,数据接口单元)将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，打包成网络数据格式通过网络LAN传输至设备中；

步骤A3，设备的显示控制单元将接收到的网络数据传给ARM芯片进行分析解包，并对状态和控制信息进行处理，将话音数据包和状态信息通过以太网传至DSP芯片，将控制信息传至显示控制单元进行处理并通过屏幕进行显示；；

步骤A4，DSP芯片对话音数据包进行RTP-TDM(Time Division Multiple，时分复用)格式转换，输出PCM数字话音信息，将状态信息进行检测并产生相应的DTMF信号，PCM和DTMF信号送至FPGA芯片；

步骤A5，FPGA芯片对来自两个以上电台的话音数据进行交换然后经过语音编解码芯片处理后发送至系统指定的外设(头戴或手持送受话器、扬声器等)中，从而实现电台对设备的话音发送。反之亦然，本设备对电台呼叫处理过程同上。

采用EM连接方式时设备的数据处理过程为：

步骤B1，设备采用EM模块与语音通信控制系统的EM4板卡连接，当有电台向设备进行话音呼叫时，电台端有包含话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至语音通信控制系统；

步骤B2，语音通信控制系统通过电台接口板RIU和数据接口板DIU将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，并将EM信号通过EM线传送至设备中；

步骤B3，设备通过通信处理单元上的EM模块对EM信号进行处理，并将输出的话音信息或状态信息和PTT控制信息传送至FPGA芯片中；

步骤B4，FPGA芯片对话音信息进行交换或会议处理，送至外设供管制员收听，将状态信息传送至DSP芯片进行DTMF检测，FPGA芯片将PTT控制信息通过数据总线送至ARM芯片进行处理，DSP芯片将状态信息检测结果送至ARM芯片进行分析处理；

步骤B5，ARM芯片将状态信息和控制信息一并打包通过网络送至显示控制单元的CPU进行分析解包，CPU对状态和控制信息进行处理，将处理结果输出至显示屏进行显示，从而实现电台对PICE的话音发送。

采用EM直连电台方式(PICE设备通过EM线与电台直接互联，无需经过语音通信控制系统)时PICE设备的数据处理过程为：PICE设备对电台的EM信号和串口信号进行直接处理，无需经过语音通信控制系统，来自电台的串口信号通过通信处理单元进入ARM芯片进行数据处理和打包，并通过网络传至显示控制单元的CPU进行分析处理，CPU将处理结果输出至显示屏进行显示。

采用WIFI连接方式时设备的数据处理过程为：

步骤C1，设备通过WIFI模块与远端的无线路由器连接，无线路由器采用LAN方式与语音通信控制系统连接，语音通信控制系统通过EM模块与RS232接口与电台互连，设备通过WIFI无线模式与语音通信控制系统进行数据交互，WIFI模块和无线路由器将包含有话音信息、控制信息和状态信息的无线数据进行处理，转换成RTP网络包数据，设备内部WIFI将解析后的网络包数据传送至ARM芯片进行分析处理，无线路由器将解析后的网络包数据通过以太网传输至语音通信控制系统处理；

步骤C2，设备的显示控制单元将接收到的网络数据传给ARM芯片进行分析解包，并对状态和控制信息进行处理，将话音数据包和状态信息通过以太网传至DSP芯片，将控制信息通过数据总线传至FPGA芯片，令FPGA芯片产生PTT信号并送至外设；

步骤C3，DSP芯片对话音数据包进行RTP-TDM格式转换，输出PCM数字话音信息，将状态信息进行检测并产生相应的DTMF信号，PCM和DTMF信号送至FPGA芯片；

步骤C4，FPGA芯片对来自两个以上电台的话音数据进行交换然后经过语音编解码芯片处理后发送至系统指定的外设(头戴或手持送受话器、扬声器等)中，从而实现电台对设备的话音发送，反之亦然。

采用3G连接方式时设备的数据处理过程为：

设备将需要处理的话音信息、控制信息和状态信息通过通信处理单元中的3G模块处理变成3G无线信号并通过天线发送出去，在远端由3G接入设备进行接收和处理，处理后得到包含话音信息、控制信息和状态信息的网络数据，经由以太网传输至语音通信控制系统进行处理；

设备通过3G模式向远端电台呼叫的工作流程为：

步骤D1，在3G通话链路建立后，FPGA芯片检测到手持送受话器或头戴送受话器的PTT电平变化，通过数据总线将PTT控制信号传给ARM芯片，然后由ARM芯片产生PTT单频正弦信号，传给FPGA芯片与语音信号混音后通过3G模块调制并经过天线发射出去；

步骤D2，远端电台向设备发送信息时，3G模块将接收到的话音信号和PTT信号传送给FPGA芯片，FPGA芯片通过数据总线将PTT信号传给ARM芯片，通过ARM芯片的滤波器算法完成PTT信号检测和分离，并将状态信息转换成RTP报文通过以太网传送给CPU，CPU对网络数据进行处理，将网络数据中状态信息通过处理显示在屏幕上，对网络数据中的话音信息按照管制员要求下达交换或混音信令，并传送至通信处理单元的FPGA芯片中进行处理；

步骤D3，设备通过FPGA芯片将来自电台或手持、头戴送受话器的话音信息进行交换或混音后发送给至手持、头戴送受话器或电台，同时远端3G接入设备内部DSP产生的双音多频信号用来表示远端电台和语音通信控制系统的状态信息，用于告知便携式集成语音通信设备与电台之间的工作状态信息交互。

本发明设备中的显示控制单元是核心部件，它负责提供人机界面显示，操作系统承载、指令状态上报、声音输出等功能。显示控制单元的触摸屏用于提供人机交互界面信息，内含简洁的操作界面和丰富的功能种类，协助管制员有效完成地/地有线通信和地/空无线通信。触摸屏内部含有亮度调节板和触控板，其中亮度调节板是液晶屏的配套板卡，人机界面的亮度调节功能，可通过该板卡调节液晶屏显示亮度；触控板是触摸屏的配套板卡，实现对触摸屏的触摸控制。显示控制单元提供便携式集成语音通信设备的软件承载平台，内嵌操作系统及人机界面软件，便于管制员实现各种指挥操作；显示控制单元主板集成有WIFI模块，便于管制员在管制场所附近指挥时将便携式集成语音通信设备与语音通信控制系统进行无线互连，完成地-空和地-地语音收发；通过显示控制单元主板内置的扬声器实现声音播放；主板上设置的两个网络接口分别实现与语音通信控制系统以及与内部通信处理单元之间的数据和信息交互。显示控制单元配有键盘并可外接鼠标，方便系统操作，内置电池用于移动供电并提供各种类型接口，便于在不同场景中与其他设备之间的互连互通。

通信处理单元是便携式集成语音通信设备内部另一块核心板卡，主要用于实现PTT信号输入、模拟语音信号采集与编解码、3G模式语音通信、模拟录音输出、外置音箱输出和负载检测等功能。该板卡主要核心器件由ARM、FPGA和DSP组成：ARM用于3G模式下PTT信号的产生、检测和解调，实现RTP报文的上级传输和处理以及与上层CPU之间的数据交互；DSP用于完成各种编码协议之间的码流转换，主要实现RTP(实时传输协议)和TDM(时分复用)之间的媒体流转换，检测并产生DTMF(双音多频)信号和各种信号音；FPGA用于实现多通道下数字语音信号的交换和会议功能；通信处理单元同时集成有3G模块，用于与外部3G网络互连实现远程无线信息交互，利用3G模式实现在远端对管制场所中电台和电话的语音收发。数字语音信号来源于头戴送受话器、手持送受话器、EM的语音输入和外部网络端口传输到便携式集成语音通信设备的语音数据包，PTT信号输入用于检测来自于手持送受话器、头戴送受话器、EM模块或脚踏PTT产生的PTT信号。语音信号采集与编解码采用专用A/D(模/数)、D/A(数/模)芯片，用于实现输入语音信号的采集和编码，以及输出语音信号的解码和输出端口选择。模拟录音输出功能用于将输入和输出便携式集成语音通信设备的全部话音信号引出至多通道语音记录仪进行记录和回放。外置音箱输出功能用于将无线通道的语音信号输出至外置有源音箱播放。负载检测功能用于检测话音输入输出接口是否插入话音输入输出设备(手持式送受话器、头戴式送受话器或手持式送话器等)，并将检测结果发送给显示控制单元，并提供在人机界面上进行显示。通信处理单元引出有串行通信接口用于调试。

便携式集成语音通信设备提供丰富的接口类型，配备有网络接口、录音输出接口、USB(通用串行总线)、WIFI模块接口、3G模块接口、EM模块接口、外置扬声器接口、FPTT(脚踏PTT)接口、送受话器接口、头戴送受话器和电源接口等。其中，网络接口用于与语音通信控制系统连接进行数据交互，从而实现便携式集成语音通信设备对管制场所中电台和电话的语音控制，完成地-地和地-空语音收发；录音输出接口将便携式集成语音通信设备中的模拟语音信号送往多通道语音记录设备，用于语音记录和重放；USB接口用于接外设如鼠标、外部键盘、移动硬盘等，并可用于便携式集成语音通信设备的软件维护；WIFI接口用于管制员在管制场所附近指挥时将便携式集成语音通信设备与语音通信控制系统进行无线互连，完成地-空和地-地语音收发；3G模块用于管制员在远端利用3G网络将便携式集成语音通信设备与管制场所语音通信控制系统的无线互连，完成地-空和地-地语音收发；EM模块用于管制员使用便携式集成语音通信设备与管制场所语音通信控制系统的EM4板卡进行有线互连，实现地-空和地-地语音通信，也可以将该设备的EM口直接与通信舱中电台互连，用于应急地空通信；外置扬声器接口用于将模拟语音信号送往外部功放中进行声音输出；送受话器接口引接手持送受话器或头戴送受话器，实现模拟语音的收发；FPTT接口实现与脚踏PTT互接；电源适配器采用交流电源适配器，内置电池供电。

有益效果：本发明与现有产品相比，其显著优点为：外形采用便携式结构设计提升了该设备的便携性能，内置3G和WIFI模块并配备有电池模块使得该设备能够在管制场所之外工作，保持一定的续航能力，使得指挥方式更加灵活，满足不同的指挥场景需求；通过增加EM模块使得便携式集成语音通信设备能够满足应急通信的需求，与电台直连为语音通信系统出现故障时提供一种应急通信手段，并且可以在远端指挥中心通过EM线将该设备与工作站相连，从而实现对工作站中电台和电话的语音通信控制，因而通用性更强，满足当今应急地空语音通信对灵活性和快速适应性的需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明的一种便携式集成语音通信设备的组成框图。

图2为本发明的一种便携式集成语音通信设备显示控制单元功能框图。

图3为本发明的一种便携式集成语音通信设备通信处理单元功能框图。

图4为本发明的一种便携式集成语音通信设备通信处理单元工作流程图。

图5为采用网络直连方式的PICE数据流程。

图6为采用EM连接方式的PICE数据流程。

图7为采用EM直连电台方式的PICE数据流程。

图8为采用WIFI连接方式的PICE数据流程。

图9为采用3G模式连接方式的PICE数据流程。

图10为PICE软件框架示意图。

图11为移动通信舱语音通信系统连接框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本发明公开了一种便携式集成语音通信设备，便携式集成语音通信设备(PICE)是管制员指挥调度的主要人机界面，协助管制员完成地/地有线通信和地/空无线通信，如图1所示，该PICE包括显示控制单元、通信处理单元、配套附件和控制软件，其中：

显示控制单元包括电源模块、显示模块、控制模块。

通信处理单元包括通信处理模块、3G模块、EM模块。

PICE配备了一套主要用于地/地、地/空通信的配套附件，包括手持送受话器(手柄)、头戴送受话器(耳麦)、扬声器、脚踏PTT等，且手持送受话器、头戴送受话器的通道接口完全一致，并设有PTT开关。

相关控制软件包括操作系统、底层驱动软件和应用软件。

1、PICE由显示屏、键盘、底座和各种类型接口组成。整机机壳部分采用轻便、强度高的材质，整机的角部安装硅胶材质的包角，实现减震。主板模块、显示模块、电池模块、接口模块布置合理，其中主板上的高功率器件紧贴机壳散热。

底座配置有指示灯、扬声器、头戴式送受话器接口、手持式送受话器接口、3G天线接口、EM模块、录音输出接口、脚踏PTT接口、串行调试口。

2、如图2所示，显示控制单元是PICE的显示核心部件，它负责提供人机界面显示，操作系统承载、指令状态上报、声音输出等，并提供丰富的接口功能。显示控制单元中的控制模块负责操作系统承载，指令信息处理、系统声音输出、WIFI模式接入并提供各种丰富接口如USB接口、以太网接口、SD卡槽等。它主要由CPU、显卡、内存、硬盘、声卡、WIFI模块组成：CPU用于处理包括操作系统指令、来自通信处理单元的数据信息等指令和数据；显卡用于PICE的显示信息处理；硬盘用于存储操作系统、底层驱动和各种应用软件；声卡用于PICE的声音数据处理和声音输出；WIFI模块用于与工作站中语音通信设备进行数据交互，从而完成地-空和地-地语音通信。PICE采用双网口设计，一个网口与外部语音通信设备互联，另一个网口与内部通信处理单元互联；USB接口用于连接外设，如鼠标，键盘，硬盘等；串行口(com口)用于连接触摸显示屏；WIFI天线用于与无线路由器互联实现数据交互；电源接口用于连接电源模块；IDE(电子集成装置)接口用于连接硬盘,硬盘用于装载操作系统、底层驱动和应用软件。

显示控制单元中的显示模块负责提供人机界面显示，包括显示屏，触摸屏及其配套电路。控制模块中显卡处理的图像数据输出给显示屏用于界面显示，触摸屏收集屏幕数据并通过配套电路和控制模块进行处理。

3、如图3所示，通信处理单元主要核心控制器件由ARM、DSP、FPGA三大处理芯片组成，实现语音信号和状态信号的处理与交换，以及与上层CPU之间的数据交互。其中ARM负责PTT信号检测、PTT单频信号产生以及PTT单频信号解调等功能实现，同时负责与上层CPU之间的数据通信；DSP用于码流格式转换，DTMF信号产生(包括电话呼叫等状态信息以及3G模式下工作站中各设备工作状态信息)；FPGA用于数字语音信号的交换、混音以及PTT信号发送接收。通信处理单元配备的EM模块用于与语音交换系统或电台互连，实现地-空和地-地语音通信。3G模块用于连接3G网络，PICE用3G模式实现地地和地空语音通信。同时通信处理单元配备有各种接口，如手持送受话器接口、头戴送受话器接口、脚踏PTT接口、外置扬声器接口、模拟录音接口等。

如图4所示，通信处理单元的工作流程如下：来自手持或耳麦的模拟话音信号通过通信处理单元内部A/D模数转换成PCM(脉冲编码调制)数字信号进入FPGA中，手持、耳麦以及脚踏PTT的PTT信号通过光耦转化成高低电平进入FPGA中，电台信号经过EM模块和A/D转换成PCM信号和PTT信号进入FPGA，FPGA对PCM信号进行混音或交换并输出，根据需要输出至电台、手持、耳麦、扬声器、录音输出接口或DSP中。DSP将PCM数字语音信号转换成RTP网络数据，通过网络线送至上层显示控制单元中处理，DSP另一个功能是检测或产生DTMF(双音多频信号)，即状态信息。ARM与FPGA之间采用数据总线方式连接，用于PTT等信号的状态通信。ARM用于对3G模式下接收端的PTT信号进行算法检测和分离，并用于产生PTT信号，ARM也用于对话音信号和状态信号的检测判断，并将结果反馈给上层CPU处理。

4、PICE集成有多种接口模块因此提供多种连接方式可与语音通信控制系统互连进行地地和地空语音通信，主要分为有线连接方式和无线连接方式。其中，有线连接方式包括网络直连方式，EM线连接方式(可连接语音通信控制系统或电台)；无线连接方式包括WIFI连接方式和3G连接方式。语音信号的通信处理主要在显示控制单元板中的CPU和通信处理单元中完成。下面对各种工作模式进行详细说明。

采用网络直连方式的PICE数据流程如图5所示。当有电台向PICE进行话音呼叫时，电台端有包含话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至媒体服务中心，媒体服务中心通过电台接口板(RIU)和数据接口板(DIU)将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，打包成网络数据格式通过网络(LAN)传输至PICE中；PICE的显示控制单元将接收到的网络数据传给ARM进行分析解包，并对状态和控制信息进行处理，将话音数据包和状态信息通过网络传至DSP，将控制信息通过数据总线传至FPGA，令FPGA产生PTT信号并送至外设；DSP对话音数据包进行RTP-TDM格式转换，输出PCM数字话音信息，将状态信息进行检测并产生相应的DTMF信号，PCM和DTMF信号送至FPGA；FPGA对来自多个电台的话音数据进行交换然后经过数/模转换器件发送至系统指定的外设中，如头戴，手持或扬声器等，从而实现电台对PICE的话音发送。反之同理，从头戴或手持发处的话音信息经过PICE再经过媒体服务中心传送至电台，实现PICE对电台的话音发送，从而实现电台与PICE之间的语音通信。

采用EM连接方式的PICE数据流程如图6所示。PICE采用EM模块与媒体服务中心的EM4板卡连接，当有电台向PICE进行话音呼叫时，电台端有包含话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至媒体服务中心，媒体服务中心通过电台接口板(RIU)和数据接口板(DIU)将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，并将EM信号通过EM线传送至PICE中；PICE通过通信处理板上的EM模块对EM信号进行处理，并将输出的话音信息或状态信息和PTT控制信息传送至FPGA中。FPGA对话音信息进行交换或会议处理，送至外设供管制员收听，将状态信息传送至DSP进行DTMF检测，FPGA将PTT控制信息通过数据总线送至ARM进行处理，DSP将状态信息检测结果送至ARM进行分析处理。ARM将状态信息和控制信息一并打包通过网络送至传给显示控制单元板的CPU进行分析解包，CPU对状态和控制信息进行处理，将处理结果输出至显示界面进行显示。从而实现电台对PICE的话音发送。反之同理，从头戴或手持发处的话音信息从PICE的EM模块送至媒体服务中心再传送至电台，实现PICE对电台的话音发送，从而实现电台与PICE之间的语音通信。

采用EM直连电台方式的PICE数据流程如图7所示。该连接方式与EM连接媒体服务中心方式类似，不同点在于PICE对电台的EM信号和串口信号直接处理，无需经过媒体服务中心。EM信号处理流程与之前一样，来自电台的串口信号通过通信处理单元的串口进入ARM进行数据处理和打包，并通过网络传至显示控制单元板的CPU进行分析处理，处理结果提供至显示界面供管制员进行后续操作处理。

采用WIFI连接方式的PICE数据流程如图8所示。PICE通过内置的WIFI模块与远端的无线路由器连接，无线路由器采用LAN方式与媒体服务中心连接，媒体服务中心通过EM模块与RS232接口与电台互连。该方式与采用网络直连方式区别在于PICE通过WIFI无线模式与媒体服务中心互连，除了数据形式不同之外，其数据内容一致，WIFI模块和无线路由器将包含有话音信息，控制信息，状态信息的无线数据进行处理，转换成网络格式数据，之后处理方式与网络直连方式一致，故不再详述。

采用3G模式连接方式的PICE数据流程如图9所示。PICE控制远端电台通信，需要处理的话音信息，控制信息和状态信息通过PICE内部通信处理单元内置的3G模块处理变成3G无线信号并通过天线发送出去，在远端由3G接入设备进行接收和处理，处理后得到包含话音信息，控制信息和状态信息的网络数据，经由网络传输至媒体服务中心进行处理。PICE通过3G模式向远端电台呼叫的工作流程为：在3G通话链路建立后，首先FPGA检测到手柄或耳麦的PTT电平变化，通过数据总线传给ARM，然后由ARM产生PTT单频正弦信号，传给FPGA与语音信号混音后通过3G模块调制并经过天线发射出去。远端电台向PICE发送信息时，3G模块将接收到的话音信号和PTT信号传送给FPGA，FPGA通过数据总线将PTT信号传给ARM，通过ARM模块的滤波器算法完成PTT信号检测和分离，并将状态信息转换成RTP报文通过网络传送给上级CPU；FPGA将话音信息进行交换或混音后发送给各个设备。同时远端3G接入设备内部DSP产生的双音多频信号用来表示远端电台和媒体服务中心等的状态信息，用于告知PICE当前设备的工作状态，便于管制员操作指挥。

5、如图10所示，PICE软件由嵌入式Windows XP Embeded操作系统、话音信号处理板驱动和席位应用软件三部分组成。Windows XPE操作系统，可根据实际功能需要，作出相应的系统剪裁，提高了系统的可靠性和实时性。嵌入式操作系统为席位应用软件提供了操作环境，同时席位的应用软件也为用户实现声音的输入输出提供了必要的人机界面。话音信号处理板为操作系统提供了硬件控制接口。PICE软件组成的主要框图如图10所示。PICE软件可实现地空电台通信、地地电话通信以及其他一些定制功能。本发明可用于以下场景：

第一种应用场景为固定管制场所的语音收发。管制员将便携式集成语音通信设备固定在工作台上，通过网络接口与语音通信控制系统进行数据交互，控制系统中U/V(甚高频/超高频)电台和内外部电话，从而实现与空中飞行员和内外部电话之间的语音通信。

第二种应用场景为管制员在距离管制场所不远处执行管制任务时，管制员可通过便携式集成语音通信设备的WIFI模块与管制场所中设置的无线路由器建立连接，进而实现与语音通信控制系统的数据互连，完成地-空和地-地语音通信；在离管制场所有一段距离时，管制员可通过该设备的LAN(局域网)网口或者集成的EM模块与语音通信控制系统建立连接，从而实现管制员在工作站外进行地-空无线通信和地-地有线通信。

第三种应用场景为管制员通过远端管制场所的电台和电话完成地-空-地语音收发，管制员利用便携式集成语音通信设备的EM模块与远端EM模块互联或者利用该设备的3G模块与远端3G接入设备互联，实现便携式集成语音通信设备与远端管制场所语音通信控制系统的数据交互，从而帮助管制员实现在远端对电台和电话的访问控制。

第四种应用场景为当管制场所语音通信控制系统发生故障，不能及时提供地-空语音收发时，可利用便携式集成语音通信设备集成的EM模块直接与管制场所中的电台互连，从而实现地-空语音通信，解决突发情况。

第五种应用场景为在无语音通信控制系统情况下，管制员可通过便携式集成语音通信设备的WIFI或者3G模块直接与远端电台建立连接(远端电台有EM网关，然后接无线路由器或者3G接入设备)，从而实现地-空语音收发。

第六种应用场景为当管制场所与电台位置较远，无法通过现有方式建立连接时，可使用便携式集成语音通信设备作为中继，通过该设备集成的丰富接口建立连接关系，例如通过便携式集成语音通信设备的3G模块与远端电台建立连接，另一端通过EM模块与管制场所建立连接，从而实现管制场所对远端电台的语音收发。

实施例

根据具体应用搭建了一套语音通信控制系统，验证本发明。

如图11所示为移动通信舱语音通信系统连接框图：

该系统为在车中配置的语音通信控制系统，包括媒体服务中心、电台、天线及其配套设备、WIFI收发机、3G接入设备、记录仪、网络交换机、监控台、维修台、配线架、射频/通信分配板和电源部分。该系统主要实现当机场塔台出现故障时，代替塔台实现对空话音收发，也可以实现对远端中心的话音收发。

电源供电系统采用双发电机与城市供电共同输入，用于对整个系统提供电力，由自动切换单元进行控制选择，同一时刻只能选用一种供电方式，此外系统还配有一组电池用于紧急情况供电。

整个系统配置有四部对空VHF/UHF电台，采用两组主备切换式电台，每一组电台配备有射频选择器用于射频通道的功能性开关切换。系统配置有两副天线(包括避雷器、U/V滤波器)，每两个电台共用一副天线，作为主备，通过射频选择器进行主备选择。主备地-空电台设备通过配线架上的RIU(电台接口单元)接口连接到语音通信控制系统中，射频选择器通过以太网连接至网络交换机，由监视管理终端进行控制。每个射频选择器提供一个额外的射频接口用于连接射频/通信分配板上的预留口，该口提供额外独立的射频天线以便于处于备份状态的电台收发机能够进行频率发射接收。由外方提供的从额外天线接收到的救生信号通过射频分配器分布在救生端口处。

媒体服务中心是提供媒体交换和接口连接的核心设备。该设备通过RIU板卡(配线架上的EM连接方式)连接至电台收发机，通过EM4(收发接口单元)板卡和ALT(模拟环路中继)板卡(配线架上的EM连接方式和环路中继方式)连接至远端中心，通过模拟环路中继(Analog Loop Trunk，ALT)上的FXO()接口实现与其他媒体服务中心的互联，通过LAN(当地网络)接口连接至移动通信舱中其他设备。

WIFI收发机用于与系统外的PICE进行无线通信，便于PICE在通信舱外进行地空和地地话音通信。该设备通过天线进行无线数据收发，另一端通过以太网连接至网络交换机，便于媒体服务中心进行控制。

3G接入设备用于与系统外的PICE进行3G无线通信，便于PICE在通信舱外进行地空和地地话音通信。该设备通过3G天线进行无线数据收发，另一端通过以太网连接至网络交换机，便于媒体服务中心进行控制。

记录仪用于地空和地地话音通信中话音的记录与回放，该设备采用IP话音记录方式，通过以太网连接至网络交换机，由媒体服务中心控制。

监控台包括PICE和ERC(Emergency Radio Control，紧急电台控制)，PICE用于实现地地和地空话音通信，ERC功能在媒体服务中心出现故障时，提供PICE直连通信舱中电台的功能，避免地空通信切断。

维修台包括监视管理终端、PICE和ERC。监控管理终端用于整个系统各个设备工作状态和运行方面的监视，并通过以太网实现对射频选择器的控制，进行开关切换。

配线架用于移动通信舱中所有设备连线的枢纽，并提供EM和FXO(ForeignExchange Office，外部交换局)接口连线与射频/通信分配板相连，方便通信舱对外接线。

射频/通信分配板用于通信舱对外提供接口，包括两个预留口(用于选择器外接天线)，救生接口，三个EM和FXO接口(用于连接管制中心)，两个网络接口(用于站外PICE网线直连)。

本发明提供了一种便携式集成语音通信设备，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (5)

1.一种便携式集成语音通信设备，其特征在于，包括外部设备和内部设备，所述外部设备包括触摸显示屏、键盘、功能按键和功能性接口，所述内部设备包括显示控制单元、通信处理单元、配套附件和控制软件；所述外部设备位于便携式集成语音通信设备外部，用于界面显示，按键操作和接口连接；所述内部设备位于便携式集成语音通信设备内部，嵌入于外部设备之中，触摸显示屏、键盘与显示控制单元相连，功能按键位于键盘上，控制软件装载于显示控制单元中，显示控制单元通过以太网与通信处理单元互连，配套附件用于与通信处理单元互连，功能性接口由显示控制单元和通信处理单元分别引出；

所述显示控制单元包括CPU、显卡、内存、硬盘、声卡、WIFI模块、左右声道扬声器和电源模块；

所述通信处理单元包括通信处理模块、3G模块和EM模块；

所述配套附件包括手持送受话器、头戴送受话器、扬声器和脚踏PTT，其中手持送受话器和头戴送受话器用于发射和接收话音信息，同时当按下PTT键呼叫电台，扬声器将话音信息对外放送，脚踏PTT用于使用脚踩下按键发送PTT信号呼叫电台；

所述控制软件包括操作系统、底层驱动软件和应用软件；

所述功能性接口包括两个网络接口，位于内部设备中的显示控制单元中，其中一个网口用于与外部语音通信设备互联，另一个网口用于与内部通信处理单元互联；还包括用于连接外设的USB接口、连接电台的EM接口、设备系统调试的串行口、连接电源模块的电源接口、连接天线的3G天线接口、插SD卡的SD接口、SIM卡接口、连接硬盘的IDE接口、外置扬声器接口、FPTT接口、手持送受话器接口、头戴送受话器和电源接口；

所述显示控制单元中的CPU用于处理包括操作系统指令和来自通信处理单元的数据信息；内存用于暂时存放CPU中的运算数据以及与硬盘灯外部存储器交换的数据；显卡用于设备的显示信息处理；硬盘用于存储操作系统、底层驱动软件和应用软件；声卡用于设备的声音数据处理，并将声音通过左右声道扬声器输出，WIFI模块用于与管制中心中语音通信设备进行数据交互，并用WIFI连接方式实现地空和地地语音通信；

所述通信处理模块包括ARM芯片、DSP芯片、FPGA芯片和语音编解码芯片，ARM芯片用于PTT信号检测、PTT单频信号产生以及PTT单频信号解调，并实现与CPU之间的数据通信；DSP芯片用于码流格式转换，DTMF信号产生；FPGA芯片用于数字语音信号的交换、混音以及PTT信号发送接收；ARM芯片与FPGA芯片之间采用数据总线方式连接；语音编解码芯片用于将来自电台、头戴或手持送受话器的模拟话音信号与通信处理单元中数字话音信号进行相互转换；

EM模块用于与语音通信控制系统或电台互连，并用EM线连接方式实现地空和地地语音通信；

3G模块用于连接3G网络，并用3G连接方式实现地地和地空语音通信；

所述通信处理单元配备有各种接口，包括手持送受话器接口、头戴送受话器接口、脚踏PTT接口、外置扬声器接口和模拟录音接口；

通信处理单元的工作流程如下：

步骤1，来自手持送受话器或头戴送受话器的模拟话音信号通过通信处理单元内部的语音编解码芯片模数转换成PCM数字信号进入FPGA芯片中，来自手持送受话器、头戴送受话器和脚踏PTT的PTT信号通过光耦器件转化成高低电平进入FPGA芯片中，来自电台的信号经过EM模块和模数转换成PCM信号和PTT信号进入FPGA芯片；

步骤2，FPGA芯片对PCM信号进行混音或交换并输出，根据需要输出至电台、手持送受话器、头戴送受话器、左右声道扬声器、外置扬声器接口或DSP芯片中，FPGA芯片通过数据总线将PTT信号传至ARM芯片进行处理，处理后通过以太网传输至显示控制单元，来自电台的PTT信号经过CPU处理后显示在显示屏上，来自手持送受话器、头戴送受话器的PTT信号会通过以太网送至语音通信控制系统处理，并告知电台进行呼叫；

步骤3，DSP芯片将PCM数字语音信号转换成RTP网络数据，通过以太网送至显示控制单元中处理，DSP芯片同时检测或产生DTMF信号，即状态信息，用于通话链路建立时的状态信息表示以及拨号按键信息的表示；

步骤4，ARM芯片对3G模式下接收端的PTT信号进行算法检测和分离，并产生PTT单音信号，用于呼叫电台，ARM芯片对步骤1中来自电台、手持或头戴送受话器的话音信号和拨号按键产生的状态信号进行检测判断，并将结果反馈给CPU处理。

2.根据权利要求1所述的一种便携式集成语音通信设备，其特征在于，所述设备提供有线连接方式和无线连接方式与语音通信控制系统互连进行地地和地空语音通信，有线连接方式包括网络直连方式和EM线连接方式；无线连接方式包括WIFI连接方式和3G连接方式；

其中，采用网络直连方式时设备的数据处理过程为：

步骤A1，当有电台向本设备进行话音呼叫时，电台端包含有话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至语音通信控制系统，

步骤A2，语音通信控制系统通过电台接口单元RIU和数据接口单元DIU将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，打包成网络数据格式通过以太网传输至本设备中；

步骤A3，设备的显示控制单元将接收到的网络数据传给通信处理单元的ARM芯片进行分析解包，并对状态和控制信息进行处理，将话音数据包和状态信息通过以太网传至DSP芯片，将控制信息通过数据总线传至FPGA芯片，令FPGA芯片产生PTT信号并送至外设；

步骤A4，DSP芯片对话音数据包进行RTP-TDM格式转换，输出PCM数字话音信息，将状态信息进行检测并产生相应的DTMF信号，PCM和DTMF信号送至FPGA芯片；

步骤A5，FPGA芯片对来自两个以上电台的话音数据进行交换然后经过语音编解码芯片处理后发送至系统指定的外设中，从而实现电台对本设备的话音发送。

3.根据权利要求2所述的一种便携式集成语音通信设备，其特征在于，采用EM连接方式时设备的数据处理过程为：

步骤B1，设备采用EM模块与语音通信控制系统的EM4板卡连接，当有电台向设备进行话音呼叫时，电台端有包含话音和PTT控制信息的EM信号和包含状态信息的RS232串口信号传输至语音通信控制系统；

步骤B2，语音通信控制系统通过电台接口板RIU和数据接口板DIU将来自电台的EM和RS232信号接收并进行处理，并将EM信号通过EM线传送至设备中；

步骤B3，设备通过通信处理单元上的EM模块对EM信号进行处理，并将输出的话音信息或状态信息和PTT控制信息传送至FPGA芯片中；

步骤B4，FPGA芯片对话音信息进行交换或会议处理，送至外设供管制员收听，将状态信息传送至DSP芯片进行DTMF检测，FPGA芯片将PTT控制信息通过数据总线送至ARM芯片进行处理，DSP芯片将状态信息检测结果送至ARM芯片进行分析处理；

步骤B5，ARM芯片将状态信息和控制信息一并打包通过网络送至显示控制单元的CPU进行分析解包，CPU对状态和控制信息进行处理，将处理结果输出至显示屏进行显示，从而实现电台对本设备的话音发送。

4.根据权利要求3所述的一种便携式集成语音通信设备，其特征在于，采用EM直连电台方式时设备的数据处理过程为：设备对电台的EM信号和串口信号进行直接处理，无需经过语音通信控制系统，来自电台的串口信号通过通信处理单元进入ARM芯片进行数据处理和打包，并通过网络传至显示控制单元的CPU进行分析处理，CPU将处理结果输出至显示屏进行显示。

5.根据权利要求4所述的一种便携式集成语音通信设备，其特征在于，采用WIFI连接方式时设备的数据处理过程为：

步骤C1，设备通过WIFI模块与远端的无线路由器连接，无线路由器采用LAN方式与语音通信控制系统连接，语音通信控制系统通过EM接口和RS232接口与电台互连，设备通过WIFI无线模式与语音通信控制系统进行数据交互，WIFI模块和无线路由器将包含有话音信息、控制信息和状态信息的无线数据进行处理，转换成RTP网络包数据，设备内部WIFI将解析后的网络包数据传送至ARM芯片进行分析处理，无线路由器将解析后的网络包数据通过以太网传输至语音通信控制系统处理；

步骤C2，设备的显示控制单元将来自电台的网络数据传给ARM芯片进行分析解包，并对状态和控制信息进行处理，将话音数据包和状态信息通过以太网传至DSP芯片，将控制信息传至显示控制单元进行处理并通过屏幕进行显示；

步骤C3，DSP芯片对话音数据包进行RTP-TDM格式转换，输出PCM数字话音信息，将状态信息进行检测并产生相应的DTMF信号，PCM和DTMF信号送至FPGA芯片；

步骤C4，FPGA芯片对来自两个以上电台的话音数据进行交换然后经过语音编解码芯片处理后发送至系统指定的外设中，从而实现电台对设备的话音发送；

采用3G连接方式时设备的数据处理过程为：

设备将需要处理的话音信息、控制信息和状态信息通过通信处理单元中的3G模块处理变成3G无线信号并通过天线发送出去，在远端由3G接入设备进行接收和处理，处理后得到包含话音信息、控制信息和状态信息的网络数据，经由以太网传输至语音通信控制系统进行处理；

设备通过3G模式向远端电台呼叫的工作流程为：

步骤D1，在3G通话链路建立后，FPGA芯片检测到手持送受话器或头戴送受话器的PTT电平变化，通过数据总线将PTT控制信号传给ARM芯片，然后由ARM芯片产生PTT单频正弦信号，传给FPGA芯片与语音信号混音后通过3G模块调制并经过天线发射出去；

步骤D2，远端电台向设备发送信息时，3G模块将接收到的话音信号和PTT信号传送给FPGA芯片，FPGA芯片通过数据总线将PTT信号传给ARM芯片，通过ARM芯片的滤波器算法完成PTT信号检测和分离，并将状态信息转换成RTP报文通过以太网传送给CPU，CPU对网络数据进行处理，将网络数据中状态信息通过处理显示在屏幕上，对网络数据中的话音信息按照管制员要求下达交换或混音信令，并传送至通信处理单元的FPGA芯片中进行处理；

步骤D3，设备通过FPGA芯片将来自电台或手持、头戴送受话器的话音信息进行交换或混音后发送至手持、头戴送受话器或电台，同时远端3G接入设备内部DSP产生的双音多频信号用来表示远端电台和语音通信控制系统的状态信息，用于便携式集成语音通信设备与电台之间的工作状态信息交互。

Images