陕西烽火通信集团有限公司 陕西宝鸡 721006
1 概述
无线对讲机的应用非常广泛，经济实用，不用支付通话费用，但该类产品和我们常用通信工具（如手机）相比只能点对点通信，不能进行无中心组网，需要按PTT开关进行收发转换，只能一方讲话对方听，不能随时插话。数字双工无线通话器可使通话者之间实现全双工无线通话联络与沟通（类似手机），不需中心基站就可实现三人以上通话。
2 通信协议的实现
2.1 TDD帧结构
数字双工无线通话器通过时分双工(Time Division Duplex，TDD)方式实现全双工无线通话。数字通信可以提供丰富的业务种类，TDD方式通俗讲就是利用同一载频下的两个时隙，一个接收，一个发送，交替进行。TDD的主要优点是可以在单个载频上实现发射和接收，不需要上行和下行两个载频，不需要频率切换就可实现双工通话。数字双工无线通话器将数据（话音需进行编码）以突发高速帧的形式接收或发送，数据帧格式如图1。
图1 数字双工无线通话器数据帧格式
图1中位同步属于前导字段，占8个字节，每一字节均为交替的0和1，即用0x55H或0XAAH进行位同步。
图1中块同步用于数据块同步，标志着一帧数据的开始，占用2个字节。
图1中系统识别码用于识别同频段其它无线通信系统，占用2个字节。
图1中本机识别码用于识别通话器本机身份，占用2个字节。
图1中目标识别码用于标识本机要发送到目的终端的号码，占用2个字节。
图1中状态码用于指示通话终端所发生的行为、过程和状态，占用2个字节。
一帧数据长度为142字节，除去位同步、块同步及帧结束字段，数据域共占用138字节。通话器采用的射频模块工作在115.2kbps，传输一位的时间约需1/115.2=0.00868ms，一帧数据的传输时间为142×8×0.00868=9.86048ms。射频收发转换时间为3ms,一帧数据的传输时间为15ms。TDD工作模式需收发2个时隙，即上行和下行信道，因而一个完整的TDD工作帧需30ms的时间。
2.2 TDD帧同步的实现
TDD的通信格式要求通信各方必需在时间上进行同步，以达到通信的可靠性及稳定性。接收方使用两个8位的移位寄存器分别存储当前接收到的8位数据和前一个接收到的8位数据。
初始化时通信各方都处于接收状态，工作在同一信道上。当一方有呼叫请求时，称其为主机，被呼叫方称为从机。主机首先处于发送状态，向从机发送一个请求帧，从机接收到主机发送的数据后，对系统识别码、目标识别码及状态码进行检测识别后，向主机发送帧请求确认命令，主机收到从机请求确认命令后，与从机再次进行同步确认，主机收到从机的同步确认命令，即认为通信链路已建立，达到突发同步状态。在接下来的突发通信中，主机和从机在突发定时器的控制下在发送和接收两个状态之间转换，交替的发送和接收数据，直到通信双方通信结束，关闭突发定时器。
在同步状态建立后主机、从机通过对接收到状态命令的识别进行同步状态是否正常进行判断。一旦检测出同步状态不正常，主机重新为从机发送同步确认帧，重新建立同步。
3 无线通话器的硬件结构
无线通话器按照电路功能划分由音频信号放大电路、音频编解码电路、控制电路及射频收发模块组成。无线通话器电路组成框图见图2。
图2 无线通话器电路组成框图
音频信号放大电路主要由送话信号放大电路及音频功率放大电路组成，送话信号放大电路将送话器（MIC）信号放大到编码器所需的幅度，音频功率放大电路将解码后的话音信号放大到足够大的功率，以推动受话器发出声音。
音频编/解码器采用的是一个集成了编码/解码功能，同时带有滤波和放大功能的电路；编码器的作用是将模拟音频信号通过CVSD编码转换成数字信号送到CPU中进行调制。其编码方式采用32kbps连续斜率增量调制话音编码（CVSD）方式。解码器作用反之。
控制电路主要由微处器电路组成，通常可选用DSP或单片机来实现。控制电路主要负责话音数据存储处理、编解码控制、收发数据的控制及收发同步控制等。
射频收发模块采用一个专为ISM频段设计的单片UHF无线收发芯片。它采用优化的GFSK调制解调技术，最大发射功率为10dBm。所有包括信道频率在内的参数都可通过一个16位的配置寄存器用SPI串行线进行配置。工作电压范围在2.7～3.3V，具有待机模式，工作更省电和高效。
4 无线通话器的数据处理过程
微处器电路是无线通话器的数据处理中心，主要完成数据的接收控制、发送控制等工作。微处器采用USART模块的SPI同步通信模式，外围模块采用专用CVSD语音芯片以及射频芯片，以降低对数据处理的难度。在接收过程中，首选接收来自射频芯片的数据，再将接收到的数据帧的同步域、结束域、识别域以及状态字节去除后送至CVSD语音芯片进行译码处理；在发送过程中，首先由CVSD语音芯片将模拟语音编码，通过微处理器按图1的数字双工无线通话器数据帧格式加上同步域、结束域、识别域以及状态字节形成数据帧，然后控制射频芯片将数据发送。由于使用了专用芯片，数据的处理均在专用芯片完成，因此数据是一个串入串出的过程，微处理器对数据基本不需要进行特别的处理，只需控制数据的输入与输出接口以及设置定时器控制接收与发送模式的转换。
开发的数字双工无线通话器在开阔地200米范围内，能够正常建立连接，具有良好的语音通话效果。
5 本文小结
本文对数字双工无线通话器时分双工(Time Division Duplex，TDD)方式的数据通信协议进行了较为全面的论述，并对数字双工无线通话器的硬件组成及工作原理进行了详细介绍。该技术可用于其它数字双工（TDD）通信方式中。
参考文献：
[1]陈阳. 机内通话器自动测试仪的设计与探讨[J]. 科技与创新,2017,(05):120.
论文作者:安强力,李文涛,毛菊萍
论文发表刊物:《防护工程》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/29
标签：双工论文; 数据论文; 电路论文; 字节论文; 状态论文; 通信论文; 射频论文; 《防护工程》2017年第22期论文;