楊 偉，郭志強，王 沁，萬亞東

(北京科技大學計算機與通信工程學院，北京100083)

0 引言

單純地采用小靈通或手機等通信設備實現(xiàn)無線語音通信，存在著成本高、多人通話難以及輻射大等諸多問題。目前市場上廣泛使用公眾模擬或數(shù)字對講機實現(xiàn)短距離無線通信，模擬對講機將語音信號直接以模擬量調制到載頻上進行傳輸，其存在頻帶利用率低、通信保密性和抗干擾能力差等特點［1-3］，數(shù)字對講機卻存在功耗大和價格偏高等問題，并且由于其已經(jīng)產(chǎn)品化，有些需要定制場合無法適用。隨著無線傳感器網(wǎng)絡技術快速發(fā)展，其作為一種短距離無線通信技術，憑借其具有成本低、功耗小、全球免費通用的ISM頻段等優(yōu)點，被廣泛地應用在工業(yè)監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、軍事等多個領域，語音信號也可以作為一種被采集信息，使用無線傳感器網(wǎng)絡技術進行處理和傳輸［4，5］，現(xiàn)有符合IEEE15.4標準的無線射頻芯片最大傳輸可以達到500kbps，完全可以滿足高品質語音通信64kbps的帶寬要求。本文針對無線語音通信系統(tǒng)開展了深入研究，從系統(tǒng)結構、硬件設計、軟件設計和通信協(xié)議等核心方面進行了詳細地分析，設計了一種基于中心基站的無線語音通信系統(tǒng)，對無線語音通信過程中存在周期性頓音現(xiàn)象，提出了語音數(shù)據(jù)雙緩存解決機制，系統(tǒng)通過測試運行良好，能夠滿足高品質實時無線語音通信需求，并克服了無中心基站語音通信系統(tǒng)容量小、通信距離短等弱點［6］。

1 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示，其采用分簇的網(wǎng)絡結構，分簇的網(wǎng)絡之間根據(jù)具體應用場合可以通過中心基站連起來，也可以使每個分簇網(wǎng)絡相互獨立工作，不同的分簇網(wǎng)絡之間使用不同無線頻道，可保障多個星形網(wǎng)絡之間同時工作，互相不產(chǎn)生干擾。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

簇內的網(wǎng)絡拓撲采用星形結構，其由一個中心基站和若干個端節(jié)點構成。每個中心基站可以允許連接多個用戶端節(jié)點進行半雙工語音通信，在空曠地帶中心基站到端節(jié)點的通信距離可達到100m以上。中心基站主要功能管理其簇內端節(jié)點網(wǎng)絡通信，若有端節(jié)點發(fā)出呼叫請求，應為其分配語音通信信道，并通知其它端節(jié)點進入監(jiān)聽狀態(tài);當端節(jié)點發(fā)送語音通信數(shù)據(jù)時，接受其語音信息然后廣播出去;當網(wǎng)絡處于空閑狀態(tài)，其也可以向簇內的端節(jié)點廣播音樂;端節(jié)點主要功能以廣播的方式將語音信息發(fā)送給中心基站，然后通過中心基站廣播出去，其它簇內的端節(jié)點接受語音信息。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)硬件總框架

系統(tǒng)有兩種類型的節(jié)點:中心基站與端節(jié)點，節(jié)點采用模塊化設計，通過不同的模塊配置實現(xiàn)兩種節(jié)點的功能。中心基站的硬件設計按功能劃分為微處理器單元設計、射頻單元設計、語音處理單元設計、電源管理單元設計、4*4矩陣鍵盤和液晶屏LCD、以及ISP接口和串行調試接口單元設計，端節(jié)點在硬件設計減少了液晶屏LCD等外網(wǎng)設備。

圖2 中心基站硬件總框架

中心基站硬件總框圖如圖2所示。系統(tǒng)的微處理器選用ATMEL公司的ATMega128L，它是基于AVR內核的RISC結構的8位微處理器［7］，具有高性能和低功耗特點，并提供了豐富的外圍接口，為節(jié)點硬件結構的設計提供靈活性。節(jié)點的射頻單元選用CC2500模塊，它是一款低功耗、高集成和多頻道2.4G射頻收發(fā)芯片［8］，主要應用于無線消費電子和無線語音等領域。節(jié)點的語音處理單元選用CMX649語音編解碼芯片，其支持一種抗信道誤碼非常好的CVSD高性能語音編解碼算法，并具有全雙工的ADM，μ-律、A-律和線性PCM編碼以及ADM與PCM的碼制轉換功能，廣泛應用于語音編解碼各個領域［9］。中心基站還配備了4*4矩陣鍵盤和液晶屏LCD。節(jié)點實物圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點實物

2.2 射頻接口設計

目前市場射頻模塊種類繁多，在充分考慮傳輸速率、通信距離、功耗及其成本等因素情況下，合理選擇恰當?shù)纳漕l模塊。系統(tǒng)選擇的射頻模塊是Chipcon公司的CC2500，其特點如下［8］:

(1)采用2.4GHz頻段，該頻段是全球范圍內被廣泛使用的超低輻射綠色環(huán)保頻段。

(2)傳輸速度快，最高傳輸速率可以達到500kbps，能夠滿足高品質語音信號傳輸要求。

(3)低功耗設計，工作在發(fā)送模式時電流消耗僅21.6mA，接收模式時電流消耗15.6mA;其在空曠地帶傳輸距離可達150m，加了放大器，傳輸距離更遠。

節(jié)點的射頻模塊設計電路如圖4所示。ATMega128通過4線的SPI接口與CC2500連接，通過SPI接口可以完成對CC2500內部寄存器讀寫和芯片初始化，SPI是一種高速度、全雙工、同步的通信總線，可以減少語音信息傳輸延遲，保證語音質量。

圖4 射頻模塊設計電路

2.3 語音處理單元接口設計

系統(tǒng)的語音處理芯片采用英國的CML微電子公司CMX649，其支持脈沖編碼調制PCM、自適應差分脈沖編碼調制ADPCM、自適應增量調制ADM等廣泛應用的語音編碼算法，為無線語音應用提供了一種低成本、低功耗的理想解決方案［9］。

圖5 為系統(tǒng)語音處理模塊CMX649的典型外圍電路，CMX649有20個引腳作為應用接口之用，這些接口包括:電源接口、模擬信號輸入輸出接口、編解碼數(shù)據(jù)接口、編解碼指示接口、時鐘信號接口、C-BUS控制信號接口等。

CMX649編解碼數(shù)據(jù)接口TXDATA與RXDATA采用串行方式與ATMega128L相連，其編解碼指示接口ENCVAD與DECVAD與ATMega128L中斷引腳相連，CMX649通過C-BUS控制信號接口對控制寄存器進行讀寫操作，完成對采樣速率的選取、功率的控制、編碼的相關算法以及其它的一些功能參數(shù)配置，其與ATMega128L普通I/O口相連。

圖5 CMX649典型外圍電路

2.4 電源管理單元設計

考慮中心基站采用固定穩(wěn)壓電源供電，可以使用220V轉12V開關電源，然后設計電源管理單元。節(jié)點的供電機制是按模塊分別供電，微處理器單元、射頻模塊和語音處理模塊需要3.3V電源，而液晶屏LCD需要5V電源。

系統(tǒng)選擇美國國家半導體公司生產(chǎn)的LM2576S降壓開關型集成穩(wěn)壓電路，芯片輸出電壓為5V，電流為3A，具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，能夠滿足系統(tǒng)供電要求。系統(tǒng)選擇另一款降壓芯片AMS1117，芯片輸出電壓為3.3V，并能提供最大電流1A，并具有低功耗、低噪聲、高PSRR、封裝小以及高穩(wěn)定性等特點，在設計電路過程中，輸入輸出引腳上都加了濾波電容，可以有效減少干擾。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計流程

系統(tǒng)軟件開發(fā)使用開發(fā)工具AVR Studio，編譯工具WinAVR，系統(tǒng)軟件設計采用模塊化的設計思想，將系統(tǒng)實現(xiàn)分為多個功能模塊，主要包括四大模塊:射頻通信模塊，語音處理模塊，液晶屏LCD模塊與主程序模塊。

圖6 是中心基站主程序流程。中心基站在上電后首先初始化射頻，即無線通信模塊，然后初始化語音處理模塊與液晶屏LCD模塊，初始化的過程主要是驅動編寫;下一步工作模式判斷，當值為1時是對講廣播模式，即存在端節(jié)點發(fā)出呼叫請求，首先判斷是否剛剛進行模式切換與否，若是啟動液晶屏顯示當前狀態(tài)，然后將射頻狀態(tài)設置為發(fā)送態(tài)，否則就直接調用中繼轉存，其功能完成為端節(jié)點分配語音通信信道和中繼轉發(fā)語音數(shù)據(jù)包給其它簇內節(jié)點，下一步鍵盤掃描，判斷鍵值變化否，當有變化跳轉到相應模式，否則回到工作模式判斷進行循環(huán);值為2時是音頻播放模式，即中心基站向簇內節(jié)點廣播音樂，其程序流程與模式1大體類似，其中模式2中調用編碼發(fā)送，其功能語音處理芯片CMX649連續(xù)編碼放入緩沖區(qū)，然后射頻模塊CC2500將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送出去;值為3時是同步模式，即中心基站周期性向簇內節(jié)點廣播同步信號，便于端節(jié)點在無工作任務時候周期性進入休眠狀態(tài)，能夠達到低功耗設計目的。

圖6 主程序流程

3.2 通信協(xié)議分析

在通信協(xié)議設計中，考慮到語音傳輸對實時性的要求較高，而對于傳輸過程中出現(xiàn)的少量的丟包以及誤碼又都是可以允許的，因此系統(tǒng)采用一次握手、多個數(shù)據(jù)連續(xù)通信的不可靠數(shù)據(jù)報傳送協(xié)議［10］。當中心基站傳送語音數(shù)據(jù)之前，先向簇內節(jié)點發(fā)送同步幀，端節(jié)點從休眠狀態(tài)喚醒，進入接收狀態(tài)，然后中心基站將多個數(shù)據(jù)連續(xù)語音數(shù)據(jù)包發(fā)送過去，端節(jié)點成功接收完語音數(shù)據(jù)包，其再次進入休眠模式，這樣既滿足低功耗設計要求，又能保證語音通話質量。

中心基站與簇內的節(jié)點通信需要協(xié)定射頻通信幀格式，幀格式主要由3部分組成:幀頭 (RFHead)，數(shù)據(jù)域 (Data)和幀尾 (RFFoot)。系統(tǒng)設計4種類型通信幀，其分別是呼叫請求幀、確認幀、數(shù)據(jù)幀和拆線幀。其中呼叫請求幀、確認幀和拆線幀由RFHead和RFFoot組成，其Data部分為空。系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)幀格式如圖7所示，其中RFFoot內容由硬件填充，其為RFHead和Data部分的16位CRC校驗序列，射頻芯片發(fā)送完RFHead和Data后會自動發(fā)送 RFFoot。因此射頻驅動層只需發(fā)送RFHead和Data即可。

圖7 數(shù)據(jù)幀格式

3.3 語音數(shù)據(jù)的雙緩存機制

在進行無線語音通信過程中，射頻數(shù)據(jù)幀長度設置40B，除去幀頭和幀尾部分，數(shù)據(jù)域為32B，系統(tǒng)射頻模塊CC2500設置傳輸速率250kbps，語音處理芯片CMX649編解碼速率16 kbps，當語音處理芯片編解碼產(chǎn)生長度為32B的數(shù)字信號時，即此時可以構成一個射頻數(shù)據(jù)幀，就觸發(fā)一次中斷，中斷處理程序調用射頻發(fā)送，將這一個射頻數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去，而在中斷處理過程中語音處理芯片編解碼產(chǎn)生數(shù)據(jù)假如沒有處理機制將會丟失大量語音信息，嚴重影響到語音通話質量，可以通過分析與計算有多少語音信息丟失;當射頻模塊CC2500傳輸速率為250kbps時，發(fā)射長度為40B幀時間大約1.28ms，進行中斷處理程序還需要關中斷和保護CPU內部寄存器等時間，所以語音處理芯片CMX649至少在1.28ms時間產(chǎn)生語音數(shù)據(jù)完全丟失，當其編解碼速率16 kbps大概有2.56B語音數(shù)據(jù)丟失，從整個語音編解碼和發(fā)送過程分析，每發(fā)送32B語音數(shù)據(jù)幀，后面緊接著至少有2.56B數(shù)據(jù)丟失，即8%以上語音數(shù)據(jù)丟失，這還沒有包括語音數(shù)據(jù)通過無線傳輸過程丟包等情況，這種方式進行設計語音系統(tǒng)音質是比較差的，并且會周期性產(chǎn)生頓音現(xiàn)象，而產(chǎn)生頓音原因主要是周期性語音數(shù)據(jù)丟失，后來通過示波器對接收端語音信號進行分析，可以明顯觀察到周期性產(chǎn)生不正常信號，對此采用語音數(shù)據(jù)雙緩存機制方法解決這一問題。

設計雙緩存區(qū)分別為RFTX_BUF和RFRX_BUF，如圖8所示，RFTX_BUF緩沖區(qū)作用緩沖語音處理芯片CMX649編碼輸出數(shù)據(jù)，可設定輸出到指定值時射頻模塊CC2500開始發(fā)射一個數(shù)據(jù)包出去，設定兩個指針，一個指針指示CMX649編碼輸出數(shù)據(jù)位置，另一個指示CC2500發(fā)射數(shù)據(jù)位置，當語音處理芯片CMX649產(chǎn)生一個字節(jié)數(shù)據(jù)時就放入RFTX_BUF緩沖區(qū)，其指針進行++操作，這樣當緩存區(qū)語音數(shù)據(jù)達到或超過一個射頻幀長時可以中斷調用射頻發(fā)送，而在中斷發(fā)送過程中產(chǎn)生語音數(shù)據(jù)繼續(xù)進入緩存區(qū)，這樣能避免因為中斷打擾而丟失數(shù)據(jù)，指示射頻指針移動步長為射頻幀大小。當指向末尾時候重新循環(huán);RFRX_BUF緩沖區(qū)作用緩沖射頻模塊CC2500接收數(shù)據(jù)包，然后語音處理芯片CMX649開始解碼數(shù)據(jù)，設定兩個指針，一個指針指示CC2500接收數(shù)據(jù)位置，另一個指示CMX649解碼數(shù)據(jù)位置，其原理與RFTX_BUF緩沖區(qū)類似。采用此雙緩存機制能夠很好保證因中斷響應導致周期性的語音數(shù)據(jù)丟包問題，對音質提高具有關鍵影響作用。

圖8 語音數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

4 系統(tǒng)運行測試分析

系統(tǒng)軟硬件基本完成后，選擇一空曠地帶進行測試，測試分兩組進行，分別來驗證系統(tǒng)運行結果。第一組搭建5個節(jié)點測試平臺，其中1個為中心基站，主要驗證語音數(shù)據(jù)雙緩沖機制對語音通話質量影響、正常通信距離和功耗大小;第二組搭建8個節(jié)點測試平臺，其中2個中心基站主要驗證系統(tǒng)不同的分簇網(wǎng)絡之間能否相互通信以及是否存在相互干擾。

首先對系統(tǒng)采用語音數(shù)據(jù)雙緩沖機制對語音通話質量影響進行測試，配置參數(shù)如下:射頻模塊CC2500工作在2.4GHz頻段，發(fā)射功率配置成0dBm，傳輸速率設置為250kbps;語音處理芯片CMX649配置成16 kbps或64 kbps的CVSD語音編碼調制方式，端節(jié)點與中心基站擺放距離很近。其測試結果見表1，當沒有使用語音數(shù)據(jù)雙緩沖機制時語音通話質量比較差，并且周期性頓音產(chǎn)生，實驗結果恰好與3.3節(jié)理論分析一致;當采用數(shù)據(jù)雙緩沖機制時，緩存區(qū)設置過小，沒能很好的起到緩存功能，有部分語音數(shù)據(jù)丟失，其緩存大小應該在緩存一個射頻數(shù)據(jù)包和射頻中斷處理響應時間內產(chǎn)生語音數(shù)據(jù)長度之和，而當語音處理芯片CMX649編解碼速率配置成64 kbps時，在射頻中斷處理響應時間內產(chǎn)生語音數(shù)據(jù)長度大于其編解碼速率16 kbps，所以其緩存區(qū)大小應該更大些;當然緩存區(qū)大小受到微處理器的RAM大小限制，系統(tǒng)選用ATMega128L足夠提供50B空間。

表1 實驗運行測試結果

然后對系統(tǒng)正常通信距離以及功耗大小進行測試，射頻模塊CC2500發(fā)射功率配置成0dBm，4個端節(jié)點圍繞中心基站擺放，距離100m范圍內，在測試對講廣播模式時，從一個端節(jié)點發(fā)起語音通信，其余3個端節(jié)點都能清晰聽到語音信號，并且能夠互相通信;當中心基站進入音樂播放模式時，4個端節(jié)點都能夠正常收聽到音樂，并且語音清晰;因中心基站一般采用固定穩(wěn)壓電源供電，其功耗大小可以不用測量，僅需要對端節(jié)點功耗大小測量，其正常語音通信最大工作電流大小約61.6mA，工作電壓3.3V，故功率大約為0.2W，遠小于現(xiàn)有數(shù)字對講機5W功耗，假如配備1200mAh電池，其能夠工作時間大約20個小時，能夠滿足對語音通信需求。

最后對第二組搭建8個節(jié)點進行測試，將其分為2簇，將2個中心基站分別擺放在相距100m位置，然后將6個端節(jié)點擺放其附近，其中一簇配置參數(shù)如下:射頻模塊CC2500工作在2.4GHz頻段，使用信道1，發(fā)射功率配置成0dBm，傳輸速率設置為250kbps;語音處理芯片CMX649配置成16 kbps的CVSD語音編碼調制方式;另一簇使用另外一個非相鄰信道，其它配置相同，實測結果表明2簇能夠正常語音通信，語音通信質量良好，互相沒有進行無線信號干擾;然后對2簇之間能否相互通信進行測試，從一個簇的端節(jié)點發(fā)起語音通話，經(jīng)過其簇內中心基站，讓后中轉到另外簇的中心基站，在另外一個簇的端節(jié)點能夠接受到語音信號，但是存在延遲現(xiàn)象，音質略有下降。

5 結束語

本文設計一種有中心基站的無線語音通信系統(tǒng)，并對系統(tǒng)結構、硬件設計、軟件設計和通信協(xié)議等核心問題進行詳細分析，針對無線語音通信過程中存在周期性頓音現(xiàn)象，提出了語音數(shù)據(jù)雙緩存解決機制，實驗結果表明采用該機制能使語音通信質量得到很大改善，從而實現(xiàn)了短距離、高品質實時無線語音通信系統(tǒng)，下一步工作目標先從硬件上將中心基站和端節(jié)點微型化，制成更高密度電路板，并進一步對系統(tǒng)通信協(xié)議進行改進，使得其能夠支持更大規(guī)模的節(jié)點之間進行無線語音通信。

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