話音和數據同傳有多種方案，這些方案大都先將話音信號數字化，經過壓縮后與外部數據一起打包傳輸。主要區別在于發送一包話音數據與外部數據的占用時間，以及話音數據與外部數據在包內的分割時長。常見的有兩種方案^[1]。一是日本救護車所用的數話同傳方案，可將病人的身體狀況的檢測數據與話音同傳。在這一方案中，以625ms為一個話音壓縮周期，其中187.5ms用于傳送數據，437.5ms用于傳送話音，外部數據時隙" title="時隙">時隙占整個信道時間的30％，數話同傳時話音延遲約為200ms。另一種是UIC建議的數話同傳方案。這個方案以1040ms為一個周期，其中260ms用于傳輸數據，780ms用于傳輸壓縮話音，數據時隙占整個信道的時間為25％。這一方案由于數據占用的時間較短，因此可以提供較好的通話質量，但話音延遲260ms，在雙工通話時會使人感到不適，數據傳輸量也不高。
　　上述兩種方案的話音延遲都較長，同時外部數據時隙占信道的時間比較短，發送數據量受到一定的限制，主要用于傳送話音信號。本文在保證傳送話音質量的基礎上，盡量減小話音延遲，提高外部數據分割時長，同時根據AMBE話音Codec和GMSK Modem的特點，提出了如圖1 所示的數話同傳方案。

　　AMBE話音Codec^[2]采用基于MBE(多帶話音激勵)模型的壓縮技術，已被證明優于CELP、MP－MLQ、LPC－10以及其它的壓縮技術，MOS分達到3.5分，能夠在低至2.0kbps的壓縮速率下保持高質量的話音。所以本系統采用2.4kbps的話音壓縮速率時仍然有很好的自然度和可懂性。當單片機查詢到有話音數據時，不中斷數據的傳輸，而是延遲60ms，單片機再將AMBE話音Codec傳過來的話音數據處理后與外部數據一起打包發給Modem，實現數話同傳。從上述方案中可以看出，話音信號的延遲不會超過120ms，優于前兩種方案，能夠很好地滿足實時性的要求；外部數據時隙占整個信道時間約為46％，分割時長也比前兩種方案高，此時外部數據傳輸率約為4800bps。沒有話音數據傳輸時，單片機直接對外部數據進行打包傳送，數據傳輸率為GMSK Modem的傳輸率，即為9600bps。
1 系統的硬件組成及工作原理
1.1系統的硬件結構
　　整個系統的硬件結構框如圖2所示。
　　系統以Atmel公司的單片機AT89S52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128為主控芯片。AT89S52是一款低功耗、高性能的8位微處理器，負責整個系統的絕大多數工作，內部帶有8KB可編程的FLASH存儲器，無需擴展ROM，自帶ISP口，可靈活地進行在系統可編程，可以通過全雙工的標準串口" title="串口">串口與外部計算機或PLC交換數據。EPM7128^[3]是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、電可擦寫等特點，可用門單元為2500個，管腳間最大延時為5ns，主要用來實現話音壓縮和解壓縮所需的時序及邏輯控制。話音預處理和ADC－DAC單元采用MC145480^[4]，其內集成了300Hz～3400Hz的帶通濾波器、AD和DA轉換器，采樣頻率為8kHz，每個采樣值采用8比特(256個量化級)編碼，可輸出A 律和μ律可選的64kbps的PCM 信號。話音壓縮和解壓縮通過AMBE1000^[2]完成，壓縮速率從2.4kbps～9.6kbps，A/μ律可選，具有語音檢測、回聲抑制和休眠等功能^[2]。數據調制解調部分的核心器件是無線單片收發芯片FX909^[5]。此芯片采用GMSK調制解調方式，頻帶利用率非常高，特別適合在窄帶的數傳系統中，內部硬件實現FEC和CRC算法，同時兼容Mobitex無線廣域網空中接口標準。模擬調頻電臺將從Modem輸出的GMSK信號經過二次調制到數傳信道上傳輸，帶寬一般為25kHz，新西蘭大吉公司、美國的MDS公司、日本的建武的模擬臺都可實現此功能。
1.2 系統工作原理
　　在無話音數據傳輸時，AT89S52將從串口接收的數據打包處理后發送給Modem，Modem對傳過來的數據增加前向糾錯(FEC)、循環冗余校驗(CRC)位后，按Mobitex標準的數據格式進行交織和擾碼處理，再附上比特同步和幀同步" title="幀同步">幀同步字節后，對數據包進行GMSK調制，輸出音頻的GMSK信號，再由電臺將其調制到模擬調頻話音信道上傳送出去。當有話音數據傳輸時，模擬話音輸入MC145480，經過8kHz 的A律編碼輸出64kbps的PCM信號。經過AMBE1000壓縮后，輸出2.4kbps的壓縮話音數據，這些話音數據經單片機AT89S52除包延時處理后與串口接收的外部數據一起打包送到調制解調模塊，實現數據和話音的同時傳輸。
　　數據接收時，Modem從模擬調頻電臺讀入音頻信號進行GMSK解調，經檢錯和撤包處理后，將數據傳送給AT89S52。單片機經過判斷處理后，如果是外部的數據，則直接通過串口輸出；如果是話音數據，則經過處理后送給AMBE1000解壓縮，輸出的PCM信號經過A律解碼和DAC，還原成模擬話音信號輸出。
2 軟件設計及實現
　　整個系統的軟件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口時序的實現、語音壓縮數據的處理、數據的調制和解調。
2.1 接口時序的實現
　　AMBE1000話音Codec與MC145480的接口關系^[2]如圖3所示。

　　圖3中CLK_2048K為2048kHz的時鐘信號" title="時鐘信號">時鐘信號，CLK1_8K和CLK2_8K均為8kHz的時鐘信號。可以看出，分立元器件較多，時鐘源之間的干擾比較大，電路運行不太穩定。本系統中用一片EPM7128實現，用VHDL語言編寫時序發生器，大大簡化了電路，提高了系統的穩定性。圖4是在MAXPLUSII上仿真MC145480從AMBE1000話音Codec讀取數據的波形。
　　從仿真波形上可以看出，在MC145480的接收幀同步信號FSR的下降沿到來時，開始在接收位時鐘信號BCLKR的作用下采樣從AMBE1000話音Codec傳過來的數據(AMBE1000的tx_do端)。在采樣一個字節后停止采樣，余下的FSR為低電平的時間(一個FSR的周期內)用來給MC45480的DA轉換提供緩沖時間。在下一個FSR的下降沿到來時又周而復始地重復上述操作。
2.2 話音壓縮數據的處理
　　AMBE1000話音Codec輸出數據是以幀為單位^[2]，每20ms輸出一幀，每幀的大小為34bytes,其中幀頭為10bytes,壓縮語音數據24bytes。數據格式如表1所示。

　　如果按全幀發送，1s內必須傳送的數據位數為：
　　34bytes × 8bit/bytes × 50 = 13600bit
　　而Modem 的最大傳輸速率為9600bps，根本無法進行傳輸，更談不上實現數據和語音同傳了；另一方面，本系統沒有必要將壓縮語音數據按全幀發送，只需傳送有效語音數據。壓縮速率為2400bps 時，每幀輸出的有效語音數據為：
　　2400bps / (50 × 8bit) = 6 bytes
　　這樣在幀尾會有18bytes(24bytes-6bytes=18bytes)的無效0數據，全幀傳輸時這些無用的0也參與了傳輸。從節省帶寬方面考慮，必須進行幀頭和幀尾的處理，并重組數據幀。為此，在程序中做了如下處理： 當檢測到有話音數據時，單片機每20ms對AMBE1000話音Codec進行一次讀寫操作，將接收到的一幀數據存入一個緩沖區，去掉不必要的幀頭和幀尾無效的0，得到純語音數據(每幀6字節)。每隔60ms即連續等待三次AMBE話音Codec中斷處理后(共18字節的有效語音數據)，將有效的語音數據與外部接收的數據一起打包發給Modem。接收端反之，單片機將Modem解調出來的語音數據，按每6個字節，先進行必要的幀頭設置，再添加上幀尾的0，恢復一幀完整的數據傳給AMBE1000話音Codec進行解壓縮。這樣充分利用了信道資源，并且語音延遲比較小，外部數據傳輸率也比較高。
2.3 數據的調制和解調
　　外部輸入的數據和來自AMBE1000話音Codec的數據被單片機打包成如表2所示的數據格式。