一种基于Chirp扩频技术的数字对讲机及其通话方法与流程

一种基于chirp扩频技术的数字对讲机及其通话方法
技术领域
1.本发明涉及对讲机及其通话方法，特别是涉及一种数字对讲机及其通话方法。


背景技术：

2.对讲机作为一种典型的集群通信设备在公共安全、指挥调度、楼宇通信等多种场合得到了广泛的应用。目前主要的技术方案有模拟对讲机和数字对讲机。模拟对讲机利用模拟信号来传递消息，它存在着频率利用率低、相互干扰严重、业务功能单一、通信不太稳定和管理控制较困难等缺点。数字对讲机利用数字编码和调制的方式克服了模拟对讲机的部分问题，具有抗干扰能力强、通话质量好、频率利用率高、保密性能好等优点。但是，现有的数字对讲机因为功耗受限，无法实现远距离通信。
3.蓝牙ble技术的物理层设计使用gfsk信号调制，成功降低了设计的复杂度，实现了通信芯片的低功耗，但是传输范围仅限于几米到几十米。而直接序列扩频技术是已知的并可以达到很高的编码增益水平，如gps系统中采用直接扩频方式，实现了很好的抗噪声能力，实现远距离的信号传输。但gps接收机的设计相当复杂，而且对弱信号同步时间非常长。lora收发机采用的数字合成线性调频符号作调制的通信系统，也达到了很高的编码增益水平，显现出卓越的远距离抗造抗扰性，但lora收发机中采用复杂的傅里叶变换算法实现信号接收解调大大增加了接收系统的复杂度。


技术实现要素：

4.本发明旨在提供一种数字对讲机，能够实现远距离通信能力；本发明还提供一种数字对讲机通话方法，同样解决上述问题。
5.一种基于chirp扩频技术的数字对讲机，包含处理器、chirp扩频收发器、天线、音频编解码器、麦克风、扬声器、按键、电源；
6.音频编解码器，用于对语音信号进行音频编解码处理，形成数据流；
7.处理器，用于对音频编解码器处理后形成的数据流进行数据处理，形成数据帧结构；
8.chirp扩频收发器，通过chirp扩频通信对经处理器处理的数据帧结构进行无线信号处理，完成的信号经过天线发送出去。
9.进一步地，chirp扩频收发器中chirp扩频通信的工作方式包括，一种是chirp信号仅作为数据同步头用来完成数据同步，一种是chirp信号除作为数据同步头外还作为扩频波形信号。
10.进一步地，数据帧结构包含帧头、地址码、同步码、控制字段、数据包、校验码；帧头用于实现信号同步，地址码用于区分不同对讲机，同步码用于标识有效数据的开始，控制字段用于明确后续有效数据的格式，数据包为音频数据，校验码用于验证数据中是否有误码。
11.进一步地，控制字段包含调制方式、编码速率、工作模式三部分；调制方式由3比特组成、编码速率由3比特组成、工作模式由2比特组成。
12.进一步地，包括如下步骤：
13.s1，对讲机用户通过对讲机功能按键发起对讲业务流程；
14.s2，用户需要发送语音时，按下发送按键并对麦克风讲话，语音信号经过音频编解码器处理后形成数据流并由处理器进行数据处理，形成数据帧结构，然后通过chirp扩频通信收发器进行无线信号处理，将数据帧处理为适合天线发送的无线信号，处理完成的信号经过天线发送出去；
15.s3，对讲机通过chirp扩频收发器采用csma/ca方式实现多址；
16.s4，用户接收到信号后，经过与s2相反的步骤还原原始音频信号并通过扬声器或耳机播放出来。
17.进一步地，chirp扩频通信的工作方式包括，一种是chirp信号仅作为数据同步头用来完成数据同步，一种是chirp信号除作为数据同步头外还作为扩频波形信号。
18.进一步地，数据帧结构包含帧头、地址码、同步码、控制字段、数据包、校验码；帧头用于实现信号同步，地址码用于区分不同对讲机，同步码用于标识有效数据的开始，控制字段用于明确后续有效数据的格式，数据包为音频数据，校验码用于验证数据中是否有误码。
19.进一步地，控制字段包含调制方式、编码速率、工作模式三部分；调制方式由3比特组成、编码速率由3比特组成、工作模式由2比特组成。
20.本发明有益效果：
21.1)灵活性。针对不同的信道条件，用户可以自由的选择不同的工作模式，在不同的工作模式下可以选择不同的调制方式和编码方式，具有较高的自由度能够适应各种场景。
22.2)续航时间长。chirp扩频相对于常规的通信系统具有较好的扩频增益，能够实现远距离通信和低功耗之间的折中。
23.3)实现方便。相对于lora模块，chirp扩频具有相对简单的接收实现方案，能够简化接收机设计。
附图说明
24.图1为本发明对讲机示意图。
25.图2为本发明无线数据帧格式示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
27.本发明实现一个完整的集群通信系统，主要的业务模式为点对点对讲、点对组对讲、组对组对讲或广播；各对讲机节点之间采用自组网方式工作，不设置基站。
28.如图1所示，本发明提供一种基于chirp扩频技术的数字对讲机。包含处理器、chirp扩频收发器、天线、音频编解码器、麦克风、扬声器、按键、电源。
29.音频编解码器，用于对语音信号进行音频编解码处理，形成数据流；
30.处理器，用于对音频编解码器处理后形成的数据流进行数据处理，形成数据帧结构；
31.chirp扩频收发器，通过chirp扩频通信对经处理器处理的数据帧结构进行无线信号处理，完成的信号经过天线发送出去；
32.chirp扩频通信的工作方式有以下几种，一种是chirp仅作为数据同步头用来完成数据同步，一种是chirp信号除作为数据同步头外还作为扩频波形信号。具体的工作方式在数据帧格式中规定并传输。
33.如图2所示，无线信号的帧结构包含以下内容：帧头用于实现信号同步、地址码用于区分不同对讲机、同步码用于标识有效数据的开始、控制字段用于明确后续有效数据的格式、数据包为音频数据、校验码用于验证数据中是否有误码。图2给出了一种可行的数据帧比特数分配方式。
34.控制字段的一种有效实现方式为：控制字段包含调制速率、编码速率、工作模式三部分。调制方式由3比特组成、编码速率由3比特组成、工作模式由2比特组成。调制方式对应情况见表1，编码速率对应情况见表2，工作模式对应情况见表3。
35.表1调制方式表
36.调制方式(最高位/次高位/最低位)含义0(000)qpsk1(001)bpsk2(010)fsk3(011)gfsk4(100)qpsk+扩频5(101)bpsk+扩频6(110)fsk+扩频7(111)gfsk+扩频
37.表2编码速率表
38.编码速率(最高位/次高位/最低位)含义0(000)1/21(001)3/42(010)13～7无效
39.表3工作模式表
40.工作模式(最高位/最低位)含义0(00)仅帧头经过chirp扩频3(11)所有数据均经过chirp扩频其他无效
41.本发明还提供一种基于chirp扩频技术的对讲机通话方法，该方法包括以下步骤：
42.1)对讲机用户通过对讲机功能按键发起对讲业务流程。
43.2)用户需要发送语音时，按下发送按键并对麦克风讲话，语音信号经过音频编解码器处理后形成数据流并由处理器进行数据处理，形成数据帧结构，然后输入到chirp扩频通信收发器中进行无线信号处理，将数据帧处理为适合天线发送的无线信号，处理完成的信号经过天线发送出去。
44.3)对讲机采用csma/ca方式实现多址，这部分功能通过chirp扩频收发器实现。
45.4)用户接收到信号后，经过与2)相反的步骤还原原始音频信号并通过扬声器或耳机播放出来。
46.chirp扩频通信的工作方式、无线信号的帧结构以及控制字段的一种有效实现方式与以上基于chirp扩频技术的数字对讲机中描述的相同，在此不再赘述。
47.上述具体实施方式仅限于解释和说明本发明的技术方案，但并不能构成对权利要求保护范围的限定。在本发明的技术方案的基础上做任何简单的变形或替换而得到的新的技术方案，均落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于chirp扩频技术的数字对讲机，其特征在于，包含处理器、chirp扩频收发器、天线、音频编解码器、麦克风、扬声器、按键、电源；音频编解码器，用于对语音信号进行音频编解码处理，形成数据流；处理器，用于对音频编解码器处理后形成的数据流进行数据处理，形成数据帧结构；chirp扩频收发器，通过chirp扩频通信对经处理器处理的数据帧结构进行无线信号处理，完成的信号经过天线发送出去。2.根据权利要求1所述的一种基于chirp扩频技术的数字对讲机，其特征在于，chirp扩频收发器中chirp扩频通信的工作方式包括，一种是chirp信号仅作为数据同步头用来完成数据同步，一种是chirp信号除作为数据同步头外还作为扩频波形信号。3.根据权利要求1所述的一种基于chirp扩频技术的数字对讲机，其特征在于，数据帧结构包含帧头、地址码、同步码、控制字段、数据包、校验码；帧头用于实现信号同步，地址码用于区分不同对讲机，同步码用于标识有效数据的开始，控制字段用于明确后续有效数据的格式，数据包为音频数据，校验码用于验证数据中是否有误码。4.根据权利要求3所述的一种基于chirp扩频技术的数字对讲机，其特征在于，控制字段包含调制方式、编码速率、工作模式三部分；调制方式由3比特组成、编码速率由3比特组成、工作模式由2比特组成。5.一种基于chirp扩频技术的对讲机通话方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，对讲机用户通过对讲机功能按键发起对讲业务流程；s2，用户需要发送语音时，按下发送按键并对麦克风讲话，语音信号经过音频编解码器处理后形成数据流并由处理器进行数据处理，形成数据帧结构，然后通过chirp扩频通信收发器进行无线信号处理，将数据帧处理为适合天线发送的无线信号，处理完成的信号经过天线发送出去；s3，对讲机通过chirp扩频收发器采用csma/ca方式实现多址；s4，用户接收到信号后，经过与s2相反的步骤还原原始音频信号并通过扬声器或耳机播放出来。6.根据权利要求5所述的一种基于chirp扩频技术的对讲机通话方法，其特征在于，chirp扩频通信的工作方式包括，一种是chirp信号仅作为数据同步头用来完成数据同步，一种是chirp信号除作为数据同步头外还作为扩频波形信号。7.根据权利要求5所述的一种基于chirp扩频技术的对讲机通话方法，其特征在于，数据帧结构包含帧头、地址码、同步码、控制字段、数据包、校验码；帧头用于实现信号同步，地址码用于区分不同对讲机，同步码用于标识有效数据的开始，控制字段用于明确后续有效数据的格式，数据包为音频数据，校验码用于验证数据中是否有误码。8.根据权利要求7所述的一种基于chirp扩频技术的对讲机通话方法，其特征在于，控制字段包含调制方式、编码速率、工作模式三部分；调制方式由3比特组成、编码速率由3比特组成、工作模式由2比特组成。

技术总结
本发明公开一种基于Chirp扩频技术的数字对讲机，包含处理器、Chirp扩频收发器、天线、音频编解码器、麦克风、扬声器、按键、电源；音频编解码器，用于对语音信号进行音频编解码处理，形成数据流；处理器，用于对音频编解码器处理后形成的数据流进行数据处理，形成数据帧结构；Chirp扩频收发器，通过Chirp扩频通信技术对经处理器处理的数据帧结构进行无线信号处理，完成的信号经过天线发送出去；本发明能够实现远距离通信能力。另外，本发明还提供一种基于Chirp扩频技术的对讲机通话方法，同样达到上述目的。到上述目的。到上述目的。


技术研发人员：高翔 李增良 李璞洁 杨媛
受保护的技术使用者：中国航天科工飞航技术研究院（中国航天海鹰机电技术研究院）
技术研发日：2021.12.30
技术公布日：2023/7/13