葛海江

（杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 信電系，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在無(wú)線VoIP數(shù)據(jù)通訊中存在的主要問(wèn)題是由于干擾造成數(shù)據(jù)包的丟失，產(chǎn)生了間斷數(shù)據(jù)流，使得語(yǔ)音信號(hào)中斷。因此，在VoIP的無(wú)線數(shù)據(jù)通訊中，研究者需要穩(wěn)健性較高的解決方案來(lái)適應(yīng)不間斷數(shù)據(jù)流的需要[1]。目前大多數(shù)的無(wú)線VoIP通訊采用的是單天線設(shè)計(jì)，這樣在無(wú)線通訊時(shí)容易造成數(shù)據(jù)包丟失，使得聲音出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象，筆者提出了一種雙天線的設(shè)計(jì)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線音頻信號(hào)的傳送。在音頻編碼上，傳統(tǒng)方法采用的是PCM編碼方式，這種方式對(duì)音頻信號(hào)的存儲(chǔ)和傳輸都存在著非常大的冗余度，考慮到聲波信號(hào)的連續(xù)性，筆者提出了一種PCM轉(zhuǎn)換成ADP?CM的編碼方式來(lái)壓縮音頻信號(hào)。在無(wú)線通訊中，WirelessUSB[2-3]技術(shù)在抗干擾性能上優(yōu)于其他2.4 GHz解決方案，而且其運(yùn)行穩(wěn)定性也比價(jià)格更昂貴的藍(lán)牙與DECT解決方案高，通信協(xié)議設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，能縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期；在語(yǔ)音編解碼上，華邦的W681360音頻編/解碼器具有線性轉(zhuǎn)換、低功耗、無(wú)干擾信號(hào)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，從而確保音頻編/解碼器獲得出色的信號(hào)質(zhì)量。

鑒于此，本研究提出一種將華邦的W681360[4]與WirelessUSB組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)短距離的無(wú)線音頻通訊；采用這種方式實(shí)現(xiàn)的無(wú)線VoIP發(fā)射器和接收器將具有高穩(wěn)健性、低功耗、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 無(wú)線VoIP發(fā)射器和接收器的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線VoIP發(fā)射器和接收器的硬件設(shè)計(jì)介紹如下：

（1）無(wú)線VoIP發(fā)射器和接收器由兩個(gè)部分組成：發(fā)射端（Remote）、接收端（Bridge）。

（2）在發(fā)射部分設(shè)計(jì)中,主控和RF芯片采用了Cypress公司的CY7C60323和CYRF6936。音頻編解器采用華邦公司的W681360，射頻部分還采用了兩路射頻開(kāi)關(guān)芯片UPG2012TB，其功能是在帶寬允許的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)雙路無(wú)線通訊。此外本研究采用了BQ24080的充電芯片，給鋰電池進(jìn)行充電，鋰電池供電輸出經(jīng)過(guò)TPS79133低壓差電壓轉(zhuǎn)換芯片得到3.3 V的工作電壓，給后面模塊進(jìn)行供電。主控芯片與音頻編解器、無(wú)線通訊芯片通過(guò)SPI接口進(jìn)行通訊，通過(guò)W_CS及RF_CS進(jìn)行片選。

發(fā)射部分的具體模塊如圖1所示。

圖1 無(wú)線VoIP發(fā)射器硬件模塊圖

（3）在接收部分設(shè)計(jì)中，主控和RF芯片采用了Cy?press公司的CY7C64215和CYRF6936。USB接口供電輸出5.0 V電壓經(jīng)過(guò)TPS79133得到3.3 V電壓，作為上述芯片供電輸入。

接收部分的具體模塊如圖2所示。

圖2 無(wú)線VoIP接收器硬件模塊圖

2 音頻編、解碼設(shè)計(jì)

對(duì)于有線CD音質(zhì)的立體聲采樣率為44.1 ksps或者48 ksps，對(duì)于7.5 kHz帶寬的音頻信號(hào)采樣率為16 ksps。本研究考慮到無(wú)線通訊的信號(hào)帶寬為250 kbps，CPU工作頻率為12 MHz及SPI通訊的工作要求，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采樣率設(shè)置為8 ksps，已能滿足單一語(yǔ)音信號(hào)的無(wú)線通訊要求。

該設(shè)計(jì)中有兩個(gè)音頻信號(hào)通路：

（1）從USB到SPKR，主機(jī)通過(guò)USB接口傳送16-bit PCM的音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)Bridge，將16-bit PCM轉(zhuǎn)換成4-bit ADPCM，然后無(wú)線傳送給Remote端；在Re?mote端將4-bit ADPCM還原成15-bit PCM，然后經(jīng)過(guò)13-bit音頻編解碼器，輸出音頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器（SP?KR）發(fā)聲。

（2）從MIC到USB，與上述類(lèi)似。

本研究為了簡(jiǎn)化操作，音頻數(shù)據(jù)從主機(jī)到SPKR端時(shí)，將USB的16-bit PCM，在Bridge上轉(zhuǎn)換為15-bit的數(shù)據(jù)流，然后再進(jìn)行ADPCM編碼。同樣音頻數(shù)據(jù)從MIC到主機(jī)端時(shí)，ADPCM編碼在Bridge上還原出15-bit數(shù)據(jù)流后，還需要完成16-bit的PCM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)USB接口傳送給主機(jī)。

此外與揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)的接口音頻編、解碼器是13-bit的，在進(jìn)行ADPCM之前，要將它轉(zhuǎn)換成15-bit的PCM碼。由于音頻信號(hào)的前后自相關(guān)性，這樣的轉(zhuǎn)換并不會(huì)造成聲音信號(hào)的弱化。

PCM到ADPCM編、解碼，如圖3所示。

圖3 PCM到ADPCM編/解碼

ADPCM編碼充分利用了聲波在連續(xù)的采樣中具有很高的前后相關(guān)性，使得后續(xù)聲波的采樣能夠被預(yù)測(cè)，而不是只對(duì)當(dāng)前的采樣進(jìn)行編碼。ADPCM對(duì)預(yù)見(jiàn)的聲波采樣和當(dāng)前的采樣進(jìn)行差分編碼。這種方法不僅提高了聲波的壓縮率，同時(shí)也能保持完整的聲音質(zhì)量[5-6]。此外，文獻(xiàn)[6]詳細(xì)闡述了DPCM、DM、ADM與ADPCM的壓縮算法原理及算法實(shí)現(xiàn)流程，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，給出了每個(gè)算法的特征，實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了ADPCM算法既能夠有效的壓縮語(yǔ)音，又能還原出高質(zhì)量的語(yǔ)音。

臨離開(kāi)美食街，忽然看見(jiàn)藕稀飯，明明吃飽了，還是條件反射買(mǎi)了一碗。回妹妹同學(xué)家吃起來(lái)，藕塊，略硬，頗掛喉。要等到秋風(fēng)起了，寒霜降了，江南的藕才可口，煮出鐵銹紅色，軟糯芬芳，糯米粥煮得發(fā)亮，上面飄著厚厚一層粥油。寒冬的時(shí)候，坐在街頭，喝一碗，可暖一下午，也暖了一輩子。

ADPCM算法是建立在IMA組織為了提高數(shù)字化語(yǔ)音兼容性應(yīng)用的基礎(chǔ)之上的。IMA提供了ADPCM參考算法，它通過(guò)簡(jiǎn)化許多操作和查表的方式來(lái)減少運(yùn)算的復(fù)雜性，將16-bit PCM壓縮成4-bit。

在圖3中，編碼器（Encoder）將輸入的采樣值（Xn）和預(yù)測(cè)值Xp（n）進(jìn)行差分d（n），將差分的值送入量化器（Quantizer）來(lái)產(chǎn)生4-bit的c（n）。c（n）通過(guò)反向量化器輸出dq（n）和舊的預(yù)測(cè)值Xp（n）相加，產(chǎn)生新的Xp（n）。理想狀態(tài)下，d（n）＝dq（n），新舊Xp（n）值也相等。

在這里Xp（n）為解碼器解碼后的值。如果解碼器中的Predic和StepSize值跟編碼器都相同，那么解碼器的解碼和編碼器的Xp（n）計(jì)算是相同的。對(duì)于StepSize是對(duì)4-bit的c（n）值進(jìn)行增加或者減少。文獻(xiàn)[7]提出了通過(guò)克隆重組方法來(lái)快速優(yōu)化ADPCM的多參數(shù)。

通過(guò)ADPCM編碼壓縮的方法，編碼器設(shè)置和更新它的Predic和StepSize值，解碼器在數(shù)據(jù)流中來(lái)捕捉這兩個(gè)值。只要沒(méi)有數(shù)據(jù)丟失，編碼器和解碼器就具有相同的Predict和StepSize值。然而在無(wú)線傳輸中，系統(tǒng)無(wú)法保證數(shù)據(jù)包不丟失，因此解碼器并不能總是跟蹤編碼器的Predict值和StepSize的值。在這里本研究給每個(gè)數(shù)據(jù)包設(shè)置3 ms的長(zhǎng)度，同時(shí)每個(gè)數(shù)據(jù)包中都包含了Predict和StepSize的值，讓每個(gè)數(shù)據(jù)包被單獨(dú)處理，然而3 ms數(shù)據(jù)包的丟失，并不會(huì)讓人覺(jué)察到語(yǔ)音信號(hào)的失真。

本研究設(shè)置USB的PCM速率為8 ksps，每個(gè)PCM為16位，通過(guò)將音頻數(shù)據(jù)的PCM轉(zhuǎn)換成ADPCM，使得音頻數(shù)據(jù)被壓縮了3/4，有效實(shí)現(xiàn)了音頻數(shù)據(jù)的壓縮。

3 無(wú)線通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

為了防止在無(wú)線傳送過(guò)程中數(shù)據(jù)包的丟失，造成聲音信號(hào)的中斷。在無(wú)線通訊上，本研究在硬件上采用了雙天線設(shè)計(jì)，提供了兩個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)通路，通過(guò)無(wú)線高頻開(kāi)關(guān)進(jìn)行天線的切換工作。此外在無(wú)線射頻電路的參數(shù)匹配上，要得到最大的功率傳遞，源阻抗與負(fù)載阻抗必須相匹配[8]，通過(guò)采用“逐個(gè)優(yōu)化參數(shù)”的方法[9]來(lái)盡量匹配射頻參數(shù)，以此來(lái)提高射頻電路的發(fā)射功率，通過(guò)該方法使得兩邊的無(wú)線通訊距離可達(dá)15 m以上。

文獻(xiàn)[10]中簡(jiǎn)要介紹了無(wú)線音頻無(wú)線數(shù)字/模擬音頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在天線設(shè)計(jì)方面，它采用的是單天線設(shè)計(jì)，這樣使得音頻數(shù)據(jù)在無(wú)線傳輸過(guò)程中，如果造成數(shù)據(jù)包的丟失，則在接收端將無(wú)法重現(xiàn)丟失的信號(hào)。因此本研究采用了雙天線的設(shè)計(jì)。這里設(shè)計(jì)的天線A和天線B在Remote端，同樣也可以設(shè)置在Bridge端，設(shè)計(jì)中將128 kbps的無(wú)線帶寬分成兩個(gè)64 kbps帶寬。一個(gè)數(shù)據(jù)包使用64 kbps通過(guò)天線A進(jìn)行傳送，這個(gè)數(shù)據(jù)包的復(fù)制包使用另外的64 kbps通過(guò)天線B進(jìn)行傳送。這樣Bridge端就有兩個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)通路。此外Bridge端也傳送兩個(gè)同樣的數(shù)據(jù)包給Re?mote端，天線A接收第一數(shù)據(jù)包，天線B接收復(fù)制的數(shù)據(jù)包。

通過(guò)這種方式，將有效地減少數(shù)據(jù)包的丟失。因?yàn)橹挥袃蓚€(gè)無(wú)線通路上都丟失數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)才會(huì)丟失。

無(wú)線通訊數(shù)據(jù)包中有15個(gè)字節(jié)，其中包含了24個(gè)ADPCM編碼，時(shí)間為3 ms；24 samples/8 ksps=3 ms。采用了8-bit step和12-bit Predict值。

圖4 無(wú)線VoIP數(shù)據(jù)包

4 軟件設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)流程為：

（1）軟件設(shè)計(jì)有兩個(gè)部分：發(fā)射器部分和接收器部分。

（2）發(fā)射器的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 發(fā)射器主程序流程圖

（3）接收器的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 接收器主程序流程圖

在3 ms的數(shù)據(jù)包中，包含有24單獨(dú)的中斷，每125 μs就有一個(gè)中斷，每個(gè)750 μs中包含了6個(gè)中斷。研究者可以采用中斷序號(hào)的方式來(lái)確定每個(gè)中斷服務(wù)程序的內(nèi)容。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)2.4 GHz的無(wú)線VoIP發(fā)射器和接收器的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了音頻信號(hào)短距離的無(wú)線雙向通訊。筆者對(duì)該無(wú)線發(fā)射器和接收器進(jìn)行無(wú)線語(yǔ)音通訊測(cè)試，在有效距離15 m以?xún)?nèi)，無(wú)間斷數(shù)據(jù)流產(chǎn)生，語(yǔ)音信號(hào)通訊流暢。該方案通過(guò)自適應(yīng)差分編碼方式實(shí)現(xiàn)了聲波的有效壓縮，壓縮率達(dá)1/4；通過(guò)雙天線的設(shè)計(jì)方法解決了數(shù)據(jù)包丟失的問(wèn)題；通過(guò)引入“逐個(gè)優(yōu)化參數(shù)”的方法來(lái)提高發(fā)射的功率及接收靈敏度；通過(guò)采用華邦的W681360編解碼器與WirelessUSB組合來(lái)實(shí)現(xiàn)VoIP的軟、硬設(shè)計(jì)，具備了無(wú)線VoIP的低功耗、高穩(wěn)健性特點(diǎn)，而且相比藍(lán)牙方案，成本較低。

該方案可廣泛應(yīng)用于無(wú)線VoIP耳機(jī)、無(wú)線多媒體輔助應(yīng)用等短距離的無(wú)線音頻數(shù)據(jù)通訊的場(chǎng)合。

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