CN114727258B - 基于lte系统的机车数据及语音接入设备的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，包括机车数据接入单元U1，还包括电源单元U2、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5、射频合路单元U6和SIM卡2组成的机车语音接入设备；电源单元U2为机车数据接入单元U1、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5提供电源；机车数据接入单元U1和射频合路单元U6构成机车数字信号通道，用于机车数字信号的传输；LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5和射频合路单元U6构成语音信号通道，用于语音信号的传输；机车数字信号和语音信号在同时工作且相互独立的两个通道中处理和传输，实现机车数字信号和语音信号的同时传输。

Description

基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法

技术领域

本发明涉及地铁LTE通信领域，尤其是涉及一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法。

背景技术

随着大数据时代的来临，地铁通信中需要传输的数据业务以及数据量都有大幅增加，而LTE系统由于采用宽带OFDM和MIMO技术,在数据传输上有着得天独厚的优势，因此逐步在地铁通信工程中得到应用。

现有机车数据接入设备能够完成机车与地面的数字通信业务，而机车与地面的语音通信业务要通过机车台来完成。

对于原来有人驾驶系统升级为无人驾驶系统，通信系统需要对原机车台进行改造，使乘客应急对讲通过机车台转发到调度台，车上和地面的无线通信还需要两套设备来完成。

在有人驾驶的行车系统中，车载电台用来完成司机与车站值班员、调度员或其他机车司机之间的语音通信，而在无人驾驶的行车系统中，车载电台的大部分语音业务已不再使用了，只留下乘客应急对讲业务，因此如果车载数据接入单元增加语音通信业务，就可以把两套无线通信设备减为一套，为设备安装机柜节省设备安装空间，降低机柜内设备的拥挤度，改善设备的通风环境。

发明内容

鉴于现在有人驾驶地铁列车的无线通信系统不适应于无人驾驶列车的情况，本发明提供了一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，将机车语音接入设备加到机车数据接入设备，在调制有机车数字信号和语音信号的射频信号合路之前，数字信号和语音信号经过各自的传输通道处理，同时工作，射频合路单元U6把调制有机车数字信号和语音信号的两路射频信号合路，设备设有与车载电台控制盒的接口，连接上车载电台控制盒就可以完成车载电台的语音通信功能，原有的机车数据接入同时进行，不受语音业务的影响，实现机车数据及语音接入。

本发明为实现上述目的，采取如下方案：一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备，包括机车数据接入单元U1，所述机车数据接入单元U1用于机车上传和下载数据的接入，其中上传数据为视频监控和列车自动控制信息，下载数据为乘客信息；

还包括电源单元U2、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5、射频合路单元U6和SIM卡2组成的机车语音接入设备；

所述射频合路单元U6分别与机车数据接入单元U1和LTE模块U3的射频接口连接，所述LTE模块U3与SIM卡2连接，所述控制单元U4分别与LTE模块U3和音频编解码单元U5连接；

所述电源单元U2为机车数据接入单元U1、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5提供电源；

所述SIM卡2用于语音通信LTE模块U3的入网登录；

所述机车数据接入单元U1和射频合路单元U6构成机车数字信号通道，用于机车数字信号的传输；

所述LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5和射频合路单元U6构成语音信号通道，用于语音信号的传输；

机车数字信号和语音信号在同时工作且相互独立的两个通道中处理和传输，实现机车数字信号和语音信号的同时传输。

一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，

（1）机车数据传输的步骤如下：

需要上传的机车数据信息通过机车数据接入单元U1的中央处理单元处理之后，通过LTE 模块U7调制到载波上，经过射频合路单元U6合路，由机车车载天线发射出去，地铁沿线分布的基站接收此信号；

下载数字信号的乘客信息数据由基站发出，机车上的车载天线接收此信号，经过射频合路单元U6合路后送到机车数据接入单元U1中的LTE模块U7解调出数字信号，在经过机车数据接入单元U1的中央处理单元处理之后通过网口送到视频播放器,完成下载数字信号的接收；

（2）语音传输的步骤如下：

当司机发起呼叫时，呼叫的语音信号经过音频编解码单元U5的放大、滤波和编码，编码后的音频信号由控制单元U4处理后发到LTE模块U3，LTE模块U3将此信号调制到载波上，经过射频合路单元U6合路，由机车车载天线发射出去，完成语音信号的呼出，地铁沿线分布的基站接收此信号；

被呼叫对象的语音回复信号通过各基站发送，机车上的车载天线接收此信号，经射频合路单元U6合路后通过LTE模块U3解调出基带信号，由控制单元U4进行数字处理后，经音频编解码单元U5解码出音频信号，送到音箱和录音设备，司机即可听到这个回复语音，完成语音信号的接收；

机车数字信号和语音信号的处理和传输同时进行，两种信号加到射频合路单元U6的输入端，在射频合路单元U6输出端得到包含数字和语音的载波信号，由机车天线发送出去。

所述机车数字信号和语音信号通过射频合路单元U6的合路方法为：

射频合路单元U6为3dB电桥，用于两个同频射频信号的合路，机车数字信号和语音信号的载频相同，3dB电桥有两个输入端和两个输出端，一个输入对应直通输出和耦合输出，直通输出和耦合输出幅度相等，相位相差90°，同样另一输入也分配到这两个输出端，每个输出端就获得了两个输入信号一半功率的叠加，两个输入端互为耦合端，耦合端与直通端的信号相位相差90°，为正交信号，使得两输入信号之间隔离度达25dB，机车数字信号和语音信号加到3dB电桥的两个输入端口，两个输出端口就得到了机车数字信号和语音信号各一半的功率，送到车载天线，同样的，从车载天线接收下来的机车数字信号或语音信号也会在3dB电桥的两个输入端口得到一半的功率，送到机车数据接入单元U1和LTE模块U3，完成机车数字信号和语音信号合路的功能。

所述机车数字信号和语音信号在射频合路单元U6之前，经过各自的信号通道处理，两个信号通道相互独立，同时工作，两路信号由射频合路单元U6合路，最后接到车载天线，因此实现了机车数字信号和语音信号的同时传输。

所述需要上传的数据信息包括列车自动控制数据、视频监控信息，机车数据接入单元U1具有4个网口，每个网口接入一种数据业务，数据信息由网口接入机车数据接入单元U1后，中央处理单元对数据判别，确认为有效数据后，通知LTE模块U7做好数据接收准备，以约定好的通信协议打包发送给LTE模块U7，LTE模块U7接收到这些数据后，拆包进行数据处理，按LTE空口协议将需要上传的数据调制到载波上，由LTE模块U7的天线端口输出，通过连接电缆加到射频合路单元U6，经射频合路单元U6合路后从天线端口输出，完成数据信号的上传。

所述下载机车数字信号的乘客信息数据包括列车运行到站时间、乘车时刻表、乘车须知、媒体新闻、政府公告，这些信息由基站下发，机车的车载天线接收下来，送到射频合路单元U6的天线端口ANT1和ANT2，经过射频合路单元U6合路送到机车数据接入单元U1内的LTE模块U7解调，解调出的数据缓存于DDR3中，同时通知中央处理单元接收数据，中央处理单元准备好以后，回复LTE模块U7可以发送数据，二者建立起通信，中央处理单元就可以接收LTE模块U7的数据，判别数据的类型，送往相应的网口，最终通过连接网口的网线送到视频播放器,完成下载数据的传输。

所述音频编解码单元U5将音频信号放大、滤波，编码的方法如下：

司机发起呼叫的语音由A_IN接口输入到音频编解码单元U5中编解码芯片TLV320AIC3106的麦克输入引脚，芯片内的麦克前置放大器对此信号放大，内部自动增益控制电路调节放大器的增益，使其输出幅度为峰峰值1V，内部具有可编程滤波器，通过程序设置为4阶巴特沃斯低通滤波器，对放大器的输出信号滤波，按G.721标准编码，采用速率32kbps的增量调制编码方式。

本发明的有益效果是，将机车语音接入设备加到机车数据接入设备，使得机车数据接入设备能够同时完成数据及语音的传输，可以用于有人驾驶的行车系统，又可以用于无人驾驶的行车系统，为地铁线路无人驾驶提供了可靠的车地无线通信设备，该设备既提供数字通信业务，也提供语音通信业务，特别是用于地铁无人驾驶车辆中，提供应急乘客对讲的快速语音通道，使得乘客应急对讲的接通时间由原来机车台的1秒钟缩短到0.1秒，为快速处置问题争取宝贵的时间。

国内某条地铁无人驾驶试验线采用本技术方案，进行了全线12列车的改造，改造前每列车2台机车数据接入设备，2套车载电台，改造后，机车数据接入设备加入机车语音接入设备，成为机车数据及语音接入设备，对机车数据接入设备的改造费用2300元/台，去掉的车载电台市场价为32000元/台，这样这条试验线在LTE通信设备上节约71万多元。

经过改造后，数字通信和语音通信同时在一台设备中进行，适用于有人驾驶车辆和无人驾驶车辆，说明本项发明在地铁LTE通信系统中有重要的实用价值。

将语音通信业务加到机车数据接入设备中，还有如下优点：

1、只用一套通信设备即实现了列车和地面之间的数据通信、语音通信，并且适用于有人驾驶和无人驾驶两种行车系统，解决了原来两套无线通信系统不能适应有人驾驶和无人驾驶两种使用环境的问题。

2、机车数据接入设备增加语音通信功能，但设备外形尺寸并未改变，因而从整体来看，减少了车上通信设备占用的空间。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为现有技术机车数据接入单元U1的电路框图。

具体实施方式

如图1、图2所示，一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备，包括机车数据接入单元U1，还包括电源单元U2、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5和射频合路单元U6和SIM卡2组成的机车语音接入设备。

控制单元U4用于控制音频编解码单元U5，与音频编解码单元U5交换数据；

控制单元U4用于控制LTE模块U3的工作状态，与LTE模块U3交换数据。

机车数据接入单元U1作为机车数据接入单元，其核心采用了先进的LTE技术体制，具有下行100M/上行50M的高数据带宽，用于机车上行和下载数据的接入，其中上传数据有视频监控（CCTV），基于通信的列车控制信息（CBTC）；下载数据有乘客信息系统（PIS）数据；

机车数据接入单元U1，采用MT7621作为中央控制单元，配备1G的DDR2作为SDRAM，配置128Gb的硬盘，供电范围DC9V～28V，天线端口频率为1.8GHz（1785MHz～1805MHz），具有4个百兆网口，支持专用承载建立，支持PIS（passenger information system乘客信息系统）、CCTV（Closed-Circuit Television闭路电视监控系统）、CBTC（Communications BasedTrain Control System基于通信的列车控制系统）、车载存储器多业务并发，支持DHCPServer、DNS Client及NAT功能。

电源单元U2使用电源模块HAE100-110S12W，输入电压110V，输出电压12V，输出最大功率100W，具备过压、过流、过热保护功能，为各个单元提供电源。

LTE模块U3是一款基于LTE（Long Term Evolution）制式的Mini PCIe专网数据模块，支持TDD LTE和FDD LTE两种制式，主要应用于行业客户进行终端二次开发。该模块具有无线接收机和发射机的功能：在接收状态下，通过天线端口接收射频信号，在内部解调出基带信号，在发射状态下，把送入模块的基带信号调制到发射载波上，由天线端口发射出去；

LTE模块U3对外通信接口有串口、USB2.0接口，供电范围DC3.2V～4.2V。该模块软件支持语音拨号、短信收发、拨号联网等功能，通过高速联网，将所有终端业务数据及设备运行状态实时传输到业务中心，通过管理监控平台，实时监测终端设备运行状态。

控制单元U4用于语音传输通道电路的控制，以单片机STM32F407为核心，与LTE模块U3、音频编解码单元U5进行数据交互，完成广播呼叫、组内呼叫、个别呼叫及应答的各种语音传输的控制，同时控制需要录音的信号发送到录音接口，用户可以通过外接控制盒与网络内的机车台、固定台、调度、手持终端等设备进行通话；

控制单元U4采用单片机STM32F407，这款单片机拥有多达15个通信接口和140个I/O端口，I/O端口最高支持84MHz速率，最大支持1Mb的Flash内存，1.8 V ～ 3.6 V的应用电源，控制单元U4控制音频信号通路的工作状态，与LTE模块U3、编解码单元U5或者外部的控制盒进行数据交互，完成广播呼叫、组内呼叫、个别呼叫及应答各种呼叫的语音传输，控制需要录音的信号发送到录音接口，用户可以通过外接控制盒与网络内的机车台、固定台、调度、手持终端等设备进行通话。

音频编解码单元U5核心芯片是TLV320AIC3106，用于语音信号的编码及解码，语音信号的幅度调整，语音信号通路的切换；

音频编解码单元U5的核心芯片是TLV320AIC3106，功能是语音信号的编码及解码，语音信号的幅度调整，通路切换，其中的数模转换电路具有102dB的信噪比，支持 8kHz 至96kHz 的速率，在录音期间提供机车语音信号处理和噪声滤除功能。

射频合路单元U6为3dB电桥，是一种无源器件，是一种特殊的耦合器，用于两个同频射频信号的合路，是机车数字信号和语音信号的共同通道，型号为CPMD06-0156，工作频率1785-1805MHz，2个输入口，2个输出口，机车数字业务和语音业务的2路信号加到射频合路单元U6的输入口，输出的每一路就都包含了数字信号和话音信号，通过沿线基站的天线或漏泄电缆与基站实现无线通信，完成机车数字信号和语音信号同传功能。

SIM卡2用于语音通信LTE模块的入网登录；

机车数据接入单元U1的SIM卡1用于完成数字通信业务的LTE模块的入网登录。

实施例1：在有人驾驶车辆上对无线通信系统改造，原机车数据接入单元更换为本发明的机车数据及语音接入设备，去掉原机车台。

机车在正线正常运行，开启所有数字上传、下载业务，网口LAN0接CBTC（Communications Based Train Control System基于通信的列车控制系统）的上传数字信息，网口LAN1接CCTV（Closed-Circuit Television闭路电视监控系统）的上传数字信息，网口LAN2接上传车载存储器的数字信息，网口LAN3接PIS（passenger information system乘客信息系统）的下载数字信息。

CBTC信息、CCTV信息、上传车载存储器信息都可以通过本发明的机车数据及语音接入设备的日志进行查询，经过多天的运行，导出所有上传数字信息的日志，对日志进行分析，误码率在1%以下，满足系统要求。下载的乘客信息系统的数据通过车厢内播放器来显示，信息包括到站预告、换乘提示、新闻、广告等，长时间观察，未发现错误信息。

在地面运维中心查看机车数据及语音接入设备上传的列车自动控制信息，内容正确，车内视频监控信息在播放器上播放，画面清晰。

在列车运行过程中，司机分别呼叫车站值班员、调度值班员、执勤人员，都能够快速建立通信，通话声音清晰，当启动乘客应急对讲功能时，乘客与司机快速建立通信。

机车数字通信在列车运行全程都在进行，期间进行正常的语音通信，快速接通，无延迟感，机车数字通信与机车语音通信同时进行，互补干扰。

实施例2：某条地铁线改造为无人驾驶，原有车地LTE通信系统由机车接入单元TAU和机车台组成，在设备改造过程中，去掉原来的机车台，机车接入单元TAU换为本发明的机车数据及语音接入设备。

列车在无人驾驶状态下进行所有无线通信项目的测试：

（1）列车控制信息和车内视频监控信息的上传；

在地面运维中心，通过基站接收到该信息，其中列车控制信息准确、完整，车内视频监控信息在播放器上播放，画面清晰，图像变化连贯。

（2）乘客信息的下载

广播系统把包括到站预告、换乘提示、新闻、广告等乘客信息通过基站发送给地铁列车，地铁车厢内的显示器能够实时正确地播放这些信息。

（3）呼叫车站值班员，与值班员通话；

通过控制盒连接到本发明设备，发起对车站值班员的呼叫，立即接通，与值班员通话，话音清晰。

（4）呼叫调度员与调度员通话；

通过控制盒连接到本发明设备，发起对调度员的呼叫，立即接通，与调度员通话，话音清晰。

（5）乘客应急对讲；

启动乘客应急对讲，与调度员通话，能够快速连线，无延迟感觉，通话语音清晰。

查看语音通话时间段的列车控制信息通信日志，上传的列车控制信息完整准确，说明语音通信对数字通信无影响。

同时由于采用本发明设备，为车上设备安装机柜节省了2U空间，减少了通信电缆、电源线、天线及馈线等，电缆的减少使得机柜内设备便于安装维护，内部空间的增加使得设备通风状况改善，利于设备可靠稳定的运行。

Claims (7)

1.一种基于LTE系统的机车数据及语音接入设备，包括机车数据接入单元U1，所述机车数据接入单元U1用于机车上传和下载数据的接入，其中上传数据为视频监控和列车自动控制信息，下载数据为乘客信息；

其特征在于，还包括电源单元U2、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5、射频合路单元U6和SIM卡2组成的机车语音接入设备；

所述射频合路单元U6分别与机车数据接入单元U1和LTE模块U3的射频接口连接，所述LTE模块U3与SIM卡2连接，所述控制单元U4分别与LTE模块U3和音频编解码单元U5连接；

所述电源单元U2为机车数据接入单元U1、LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5提供电源；

所述SIM卡2用于语音通信LTE模块U3的入网登录；

所述机车数据接入单元U1和射频合路单元U6构成机车数字信号通道，用于机车数字信号的传输；

所述LTE模块U3、控制单元U4、音频编解码单元U5和射频合路单元U6构成语音信号通道，用于语音信号的传输；

机车数字信号和语音信号在同时工作且相互独立的两个通道中处理和传输，实现机车数字信号和语音信号的同时传输。

2.一种采用权利要求1所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

（1）机车数据传输的步骤如下：

需要上传的机车数据信息通过机车数据接入单元U1的中央处理单元处理之后，通过LTE 模块U7调制到载波上，经过射频合路单元U6合路，由机车车载天线发射出去，地铁沿线分布的基站接收此信号；

下载数字信号的乘客信息数据由基站发出，机车上的车载天线接收此信号，经过射频合路单元U6合路后送到机车数据接入单元U1中的LTE模块U7解调出数字信号，在经过机车数据接入单元U1的中央处理单元处理之后通过网口送到视频播放器,完成下载数字信号的接收；

（2）语音传输的步骤如下：

当司机发起呼叫时，呼叫的语音信号经过音频编解码单元U5的放大、滤波和编码，编码后的音频信号由控制单元U4处理后发到LTE模块U3，LTE模块U3将此信号调制到载波上，经过射频合路单元U6合路，由机车车载天线发射出去，完成语音信号的呼出，地铁沿线分布的基站接收此信号；

被呼叫对象的语音回复信号通过各基站发送，机车上的车载天线接收此信号，经射频合路单元U6合路后通过LTE模块U3解调出基带信号，由控制单元U4进行数字处理后，经音频编解码单元U5解码出音频信号，送到音箱和录音设备，司机即可听到这个回复语音，完成语音信号的接收；

机车数字信号和语音信号的处理和传输同时进行，两种信号加到射频合路单元U6的输入端，在射频合路单元U6输出端得到包含数字和语音的载波信号，由机车天线发送出去。

3.如权利要求2所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

所述机车数字信号和语音信号通过射频合路单元U6的合路方法为：

射频合路单元U6为3dB电桥，用于两个同频射频信号的合路，机车数字信号和语音信号的载频相同，3dB电桥有两个输入端和两个输出端，一个输入对应直通输出和耦合输出，直通输出和耦合输出幅度相等，相位相差90°，同样另一输入也分配到这两个输出端，每个输出端就获得了两个输入信号一半功率的叠加，两个输入端互为耦合端，耦合端与直通端的信号相位相差90°，为正交信号，使得两输入信号之间隔离度达25dB，机车数字信号和语音信号加到3dB电桥的两个输入端口，两个输出端口就得到了机车数字信号和语音信号各一半的功率，送到车载天线，同样的，从车载天线接收下来的机车数字信号或语音信号也会在3dB电桥的两个输入端口得到一半的功率，送到机车数据接入单元U1和LTE模块U3，完成机车数字信号和语音信号合路的功能。

4.如权利要求2所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

所述机车数字信号和语音信号在射频合路单元U6之前，经过各自的信号通道处理，两个信号通道相互独立，同时工作，两路信号由射频合路单元U6合路，最后接到车载天线，因此实现了机车数字信号和语音信号的同时传输。

5.如权利要求2所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

所述需要上传的数据信息包括列车自动控制数据、视频监控信息，机车数据接入单元U1具有4个网口，每个网口接入一种数据业务，数据信息由网口接入机车数据接入单元U1后，中央处理单元对数据判别，确认为有效数据后，通知LTE模块U7做好数据接收准备，以约定好的通信协议打包发送给LTE模块U7，LTE模块U7接收到这些数据后，拆包进行数据处理，按LTE空口协议将需要上传的数据调制到载波上，由LTE模块U7的天线端口输出，通过连接电缆加到射频合路单元U6，经射频合路单元U6合路后从天线端口输出，完成数据信号的上传。

6.如权利要求2所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

所述下载机车数字信号的乘客信息数据包括列车运行到站时间、乘车时刻表、乘车须知、媒体新闻、政府公告，这些信息由基站下发，机车的车载天线接收下来，送到射频合路单元U6的天线端口ANT1和ANT2，经过射频合路单元U6合路送到机车数据接入单元U1内的LTE模块U7解调，解调出的数据缓存于DDR3中，同时通知中央处理单元接收数据，中央处理单元准备好以后，回复LTE模块U7可以发送数据，二者建立起通信，中央处理单元就可以接收LTE模块U7的数据，判别数据的类型，送往相应的网口，最终通过连接网口的网线送到视频播放器,完成下载数据的传输。

7.如权利要求2所述的基于LTE系统的机车数据及语音接入设备的实现方法，其特征在于：

所述音频编解码单元U5将音频信号放大、滤波，编码的方法如下：

司机发起呼叫的语音由A_IN接口输入到音频编解码单元U5中编解码芯片TLV320AIC3106的麦克输入引脚，芯片内的麦克前置放大器对此信号放大，内部自动增益控制电路调节放大器的增益，使其输出幅度为峰峰值1V，内部具有可编程滤波器，通过程序设置为4阶巴特沃斯低通滤波器，对放大器的输出信号滤波，按G.721标准编码，采用速率32kbps的增量调制编码方式。

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