一

前言

近年來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展日新月異，影響著人們生活的方方面面，甚至改變了人們的生活方式。相對(duì)于近些年來(lái)蓬勃發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，短波通信技術(shù)是一種古老的通信技術(shù)。自1901年意大利工程師馬可尼實(shí)現(xiàn)了跨越大西洋的無(wú)線(xiàn)電通訊至今，已經(jīng)經(jīng)歷100多年的發(fā)展。短波通信具有短波通信設(shè)備價(jià)格低廉，便攜型強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)且無(wú)需有源中繼等特點(diǎn)使之成為在應(yīng)對(duì)突發(fā)公共事件，自然災(zāi)害等重大突發(fā)事件中信息傳輸?shù)闹饕５淄ㄓ嵎绞街?。然而短波電臺(tái)的通信質(zhì)量受所使用地域的電磁環(huán)境和天線(xiàn)的架設(shè)方式直接影響很大。當(dāng)短波天線(xiàn)架設(shè)在電磁環(huán)境良好且周?chē)鸁o(wú)障礙物的區(qū)域時(shí)，短波的通信質(zhì)量將得到顯著的提高。正因?yàn)槿绱?，為了獲得更好的短波通信質(zhì)量，很多應(yīng)急部門(mén)將電臺(tái)和天線(xiàn)架設(shè)在指揮所附近的山上或者高層建筑物的樓頂?shù)瓤諘鐓^(qū)域。而指揮所的位置因?yàn)榻煌ɑ蛘咂渌矫娴脑虿荒茉O(shè)置在短波電臺(tái)所部屬的位置，有時(shí)指揮所所在的位置與短波電臺(tái)部署的位置的距離長(zhǎng)達(dá)20KM或更遠(yuǎn)，這就需要在指揮所通過(guò)一些遠(yuǎn)程控制設(shè)備遠(yuǎn)程控制架設(shè)在附近山上或高層建筑樓頂?shù)亩滩娕_(tái)。MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K就是針對(duì)這些需求而研發(fā)的具有音頻全雙工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)全雙工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)透明傳輸功能的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)指揮所遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備特別是短波電臺(tái)之間的實(shí)時(shí)語(yǔ)音通信和短波電臺(tái)的遠(yuǎn)程遙控指令控制，解決地下指揮所對(duì)地面短波電臺(tái)實(shí)時(shí)語(yǔ)音及數(shù)據(jù)通信問(wèn)題。

二

設(shè)備介紹

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K是一種適應(yīng)長(zhǎng)距離語(yǔ)音和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)脑O(shè)備。支持語(yǔ)音的長(zhǎng)距離全雙工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸，基于RS232的串口數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸和基于CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸及電平量實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?？捎糜谥笓]所對(duì)遠(yuǎn)程電臺(tái)的實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸和實(shí)時(shí)電臺(tái)控制指令的遠(yuǎn)程傳輸，也可廣泛的用于任何需要遠(yuǎn)程音頻和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱?chǎng)景。

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K硬件采用STM32F407芯片作為主芯片，使用WM8978音頻芯片用于音頻的A/D和D/A轉(zhuǎn)換，LAN8720A網(wǎng)絡(luò)芯片用于網(wǎng)絡(luò)傳輸，TJA1040 CAN總線(xiàn)芯片用于CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，MAX3232芯片用于RS232端口的電平轉(zhuǎn)換。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：

圖 1 語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K框圖

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的嵌入式軟件是基于UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并搭配LWIP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧進(jìn)行開(kāi)發(fā)。MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K同時(shí)具備音頻，串口數(shù)據(jù)，CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)和電平量的全雙工網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸功能，這就要求所使用的操作系統(tǒng)可同時(shí)執(zhí)行和調(diào)度多個(gè)任務(wù)并且各個(gè)任務(wù)之間的延時(shí)要盡可能小，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)極好的滿(mǎn)足上述需求，UCOSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有任務(wù)調(diào)度，任務(wù)管理，時(shí)間管理，內(nèi)存管理等基本功能且所占用資源小和可裁剪的特點(diǎn)十分適合嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)，并被廣泛的用于各類(lèi)嵌入式芯片的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。LWIP協(xié)議棧用于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的搭建及數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，LWIP協(xié)議?？稍赨COSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，支持TCP和UDP協(xié)議的主要功能，并且所占用的單片機(jī)資源相對(duì)較小，十分適合用于搭建基于單片機(jī)的網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備。

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的全雙工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)。音頻的全雙工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸采用無(wú)連接協(xié)議的UDP協(xié)議。UDP協(xié)議不是可靠的傳輸層通信協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)繁忙或者網(wǎng)絡(luò)條件不是很好的情況下，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包可能會(huì)丟失，但UDP協(xié)議具有占用資源小和數(shù)據(jù)處理速度快的特點(diǎn)。音頻數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的完整性要求不是很高，即使丟失一些數(shù)據(jù)包，也不會(huì)對(duì)接收的結(jié)果產(chǎn)生較大的影響，因此無(wú)連接協(xié)議的UDP協(xié)議十分適合音頻的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸。而數(shù)據(jù)的透明傳輸，則必須保證所傳輸數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，因而數(shù)據(jù)的透明網(wǎng)絡(luò)傳輸采用更安全，更可靠的TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。根據(jù)RFC793的定義，TCP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議是一種面向連接的，可靠的，基于字節(jié)流的傳輸層通信協(xié)議。

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K可支持單播（unicast）和組播（multicast）兩種不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，并可設(shè)置兩種不同的音頻輸入源（MIC輸入或者線(xiàn)輸入），音頻輸出增益可配置，音頻傳輸功能可配置等功能，使MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K可適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

三

應(yīng)用場(chǎng)景

3.1點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)音頻和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸（單播）

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K如上圖所示，可進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的音頻，數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)公網(wǎng),專(zhuān)網(wǎng)或者本地局域網(wǎng)的IP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行語(yǔ)音，RS232數(shù)據(jù)，CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)和電平量數(shù)據(jù)的全雙工網(wǎng)絡(luò)傳輸。可廣泛的用于任何需要遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸音頻和數(shù)據(jù)的場(chǎng)景，如需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)景，需要對(duì)音頻進(jìn)行遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)景或者需要實(shí)時(shí)傳輸設(shè)備控制指令已實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制的應(yīng)用場(chǎng)景等。

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K采用網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器對(duì)模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行配置，可簡(jiǎn)單方便對(duì)模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行查看或者修改。無(wú)需安裝配套軟件，只需通過(guò)已連接到與模塊同一IP網(wǎng)絡(luò)的電腦自帶的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器，在地址欄輸入相對(duì)應(yīng)的模塊的IP地址即可進(jìn)入到模塊各項(xiàng)參數(shù)的配置頁(yè)面。在參數(shù)配置頁(yè)面，可查看模塊當(dāng)前的各項(xiàng)參數(shù)，并可對(duì)模塊的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行編輯和修改。

3.2短波電臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸（單播）

基于3.1所介紹的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)音頻數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸應(yīng)用場(chǎng)景，MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K可用于指揮所對(duì)短波電臺(tái)的遠(yuǎn)程控制和語(yǔ)音實(shí)時(shí)傳輸。指揮所可通過(guò)電腦或者其他設(shè)備將電臺(tái)的控制指令通過(guò)近端MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂KRS232端口發(fā)送到近端模塊，近端模塊接收到電臺(tái)的控制指令后，將所接收到的電臺(tái)控制指令根據(jù)RS232數(shù)據(jù)透明傳輸協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分打包，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將已打包好的電臺(tái)控制指令通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K，遠(yuǎn)端模塊根據(jù)RS232透明傳輸協(xié)議將電臺(tái)控制指令從所接收到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包中解析出來(lái)，并通過(guò)與透?jìng)髂K的RS232端口將電臺(tái)控制指令發(fā)送到電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)短波電臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。

語(yǔ)音信號(hào)同樣可通過(guò)近端MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的音頻輸入端口將模擬音頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K，遠(yuǎn)端模塊對(duì)數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行解碼，并通過(guò)音頻輸出端口將解碼后的模擬音頻信號(hào)發(fā)送到短波電臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語(yǔ)音信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸。

PTT電平量可通過(guò)近端MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的電平量輸入端口將電平量信號(hào)發(fā)送到近端模塊，近端模塊接收到電平量信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)字化話(huà)處理，并將數(shù)字化處理后的電平量信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端模塊，遠(yuǎn)端模塊根據(jù)電平量透明傳輸協(xié)議解析出近端所輸入PTT電平量信號(hào)后，將PTT電平量通過(guò)電平量輸出端口發(fā)送到所連接的短波電臺(tái)。

短波電臺(tái)的遠(yuǎn)程控制及實(shí)時(shí)語(yǔ)音傳輸?shù)木唧w應(yīng)用如下圖所示：

3.3 實(shí)時(shí)音頻信號(hào)的組播網(wǎng)絡(luò)傳輸（組播）

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K可實(shí)現(xiàn)音頻的組播單工實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸。將三塊或更多MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K連接在同一個(gè)IP網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，設(shè)置其中一塊MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的工作模式設(shè)置為服務(wù)器模式，其它的MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的工作模式設(shè)置為客戶(hù)端模式，并將所有連接在同一網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的組播地址和組播端口設(shè)置為相同的組播地址和組播端口，即可實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的實(shí)時(shí)組播網(wǎng)絡(luò)傳輸。如下圖所示，當(dāng)工作模式為服務(wù)器的MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K接收到語(yǔ)音信號(hào)后，將接收的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理后通過(guò)組播（multicast）的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將音頻信號(hào)傳輸?shù)脚c服務(wù)器模塊擁有相同組播IP地址和端口的遠(yuǎn)端的客戶(hù)端模塊，客戶(hù)端模塊接收到音頻數(shù)據(jù)后，通過(guò)音頻芯片的解碼將聲音播放出來(lái)。該應(yīng)用場(chǎng)景十分適合組建基于IP網(wǎng)絡(luò)的廣播系統(tǒng)，如學(xué)?；蛘咂渌矆?chǎng)所。相比于傳統(tǒng)的廣播系統(tǒng)，基于IP網(wǎng)絡(luò)組播的廣播系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)整各個(gè)模塊的組播IP地址和端口從而實(shí)現(xiàn)將特定信息發(fā)送到特定模塊的功能。將電腦或其他設(shè)備連接到模塊所屬的網(wǎng)絡(luò)中即可簡(jiǎn)單方便的通過(guò)自帶的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的所有模塊的組播IP地址和端口或者其它參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

四

主要功能與參數(shù)

MK-302語(yǔ)音數(shù)據(jù)自適應(yīng)透?jìng)髂K的主要功能是實(shí)現(xiàn)音頻的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸和數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)透明傳輸。設(shè)備的詳細(xì)功能介紹和參數(shù)說(shuō)明詳見(jiàn)下文的設(shè)備功能表和參數(shù)說(shuō)明表。

表格 1：設(shè)備功能表

表格 2：設(shè)備參數(shù)說(shuō)明表

3. 設(shè)備主要技術(shù)特性

4.模塊尺寸及接口布局