基于M-Power500的無線語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：無線通信技術(shù)發(fā)展到今天，通信產(chǎn)品已經(jīng)可以承栽包括語音在內(nèi)如數(shù)據(jù)、圖像、動畫以及多媒體等的其他業(yè)務(wù)，但語音通信仍然是最基本、最主要的通信方式。本文以MSP430F149單片機為控制核心，射頻模塊選用工作在2.4GHz頻段的M-Power500，語音編解碼芯片則選用CM-X639來搭建一針對短距離通信的、全雙工、低功耗的無線語音傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)在空曠的環(huán)境下，通信距離約200 m，該設(shè)計實現(xiàn)了點對點無線對講功能的預(yù)期目標(biāo)。
關(guān)鍵詞：無線語音傳輸系統(tǒng)；M-Power500；MSP430F149；ZigBee

    隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，通信方式越來越多，且整體朝著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量增大的方向發(fā)展。但在日常生活中，語音通信仍占據(jù)重要地位。在短距離通信中，通信設(shè)備的價格、音質(zhì)、功耗一直是消費者關(guān)注的焦點。手機雖然是很好的選擇，但是對于要求隨時隨地的地區(qū)性短距離通信來說，其耗價很不合算。而目前市場上的對講機在體積、價位和功耗上都不能滿足特定場合下用戶的需求。本文介紹了一種針對
短距離通信的、全雙工、低功耗的無線語音傳輸系統(tǒng)實現(xiàn)方案。該設(shè)計體積小、音質(zhì)好、價廉，有一定的實際需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    無線語音系統(tǒng)按功能劃分可由以下幾部分組成：語音信號采集模塊、語音信號編解碼模塊、控制模塊、射頻模塊及語音信號輸出模塊。
    語音信號采集模塊主要負(fù)責(zé)對原始的模擬語音信號的檢測與采集，通常的設(shè)備是麥克風(fēng)。
    語音信號編解碼模塊負(fù)責(zé)對話筒輸入的語音信號進行語音編碼以及對通過控制模塊傳過來的語音編碼數(shù)據(jù)進行語音解碼還原?？梢杂密浖崿F(xiàn)以上功能，但非常繁瑣，且開發(fā)代價很高，一般用專用的語音編解碼芯片進行硬件實現(xiàn)。專用語音編解碼芯片將所需的語音編碼與解碼功能都集成在一塊芯片當(dāng)中，不僅便于開發(fā)，也降低了系統(tǒng)開發(fā)的難度。
    控制模塊主要負(fù)責(zé)射頻模塊通訊的控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤④浖鞒痰目刂?，由擁有中央處理器功能的微處理器來?dān)任，一般可選用DSP或者單片機來實現(xiàn)。
    射頻模塊主要負(fù)責(zé)信號的調(diào)制／解調(diào)、發(fā)送及接收功能，由專用的無線信號射頻芯片來實現(xiàn)。

2 M-Power500介紹
    M-Power500是一款低功耗長距離的無線收發(fā)模塊(10 dBm,500m)。它由UBEC的24GHz收發(fā)芯片UM2455以及UBEC的UP2268組成。UP2268是由PA+LNA+RF SWITCH射頻前端芯片組成，UP2268作用是增加芯片發(fā)射功率以及接收靈敏度。優(yōu)異的射頻性能使其能滿足電池供電時距離和功耗要求。
    UM2455是符合IEEE802．15.4及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片，采用直接序列擴頻技術(shù)(DSSS)來避免2．4 GHz ISM頻帶上日益嚴(yán)重的電波與噪聲干擾，采用載波監(jiān)聽多路訪問／沖突避免(CSMA／CA)防碰撞機制進一步提高通訊穩(wěn)定性，UM2455采用AES-128加密算法。可根據(jù)實際需求，通過SPI口靈活編程，設(shè)置UM2455芯片。
    M-Power500模塊工作在全球通用的ISM 2．4～2.5GHz頻段?？赏ㄟ^最高速率為5 M的SPI串口控制UM2455收發(fā)數(shù)據(jù)。SPI口工作模式為從機模式，4線接口(SCLK、SI、SO和SEN)，可讀取UM2455中功能模塊(MAC／BB／RF)的控制寄存器和狀態(tài)寄存器、TXFIFOs、RXFIFOs和密鑰表。M-Power500模塊的性能特點如下：
    IMS工作頻段為2．405～2．480 GHz；睡眠電流為3μA；通訊速率為625／250 kbps；接收靈敏度為-101 dBm；接收電流為26 mA：尺寸為38．35 mmx14．00 mm；工作電壓為3．O～3．6 V；傳輸距離為大于500 m(空曠)；發(fā)射功率為10 dBm；發(fā)射電流為54 mA；天線為ACX陶瓷天線；調(diào)制方式為DSSS。

3 硬件設(shè)計
    本文介紹了一種針對短距離通信的、全雙工、低功耗無線語音傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。本系統(tǒng)由單片機控制模塊、射頻模塊、語音編解碼模塊構(gòu)成。無線語音傳輸系統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，下面分別對系統(tǒng)內(nèi)部的各個模塊給予詳細(xì)說明。

3．1 單片機控制模塊
    由于語音通信要求較強的實時性，對處理器的運算速度要求較高。根據(jù)控制要求及節(jié)省成本的考慮，本論文選用美國TI公司研制生產(chǎn)的MSP430F149單片機作為微處理器，能較好滿足系統(tǒng)對微處理器的要求。
    MSP430系列單片機是16位超低功耗、高性能的混合信號處理器，集多種領(lǐng)先技術(shù)于一體，以16位RISC(精簡指令集計算機)處理器、超低功耗、高性能模擬技術(shù)及豐富的片內(nèi)外設(shè)、JTAG仿真調(diào)試定義了新一代單片機的概念。
    系統(tǒng)是以16位MSP430F149為控制核心，通過串行通信接口與語音模塊和射頻模塊相連接。系統(tǒng)中使用到的微處理器最主要的模塊是USART串行通信模塊。MSP430系列的每一種型號都可以實現(xiàn)串行通信功能——USART硬件直接實現(xiàn)或者通過定時器軟件實現(xiàn)。其中USART是一個通用串行同步／異步通信接口，它允許7或8位串行位流以預(yù)先編程的速率或外部時鐘確定的速率移入、移出MSP4300。
    MSP430F149具有2個USART模塊，即USART0和USART1。USART模塊可以自動從任何一種低功耗模式開始自動工作。所有的USART0和USART1都可以實現(xiàn)2種通信方式：UART和SPI。
3．2 射頻模塊與微處理器的接口
    系統(tǒng)采用USART模塊的SPI同步通信模式。當(dāng)USART模塊的控制寄存器UCIL的SYNC位置位且I2C位復(fù)位時，串行模塊工作在SPI模式。它可通過發(fā)送控制寄存器UTCIL的STC位來選擇3線(SOMI、SIMO、UCLK)或4線(SOMI、SIMO、UCLK及STE)模式使微處理器與外部系統(tǒng)通信。SPI總線上允許連接多個設(shè)備，但任一時刻只運行一個設(shè)備作為主機?？偩€的時鐘由主機控制，另外還有數(shù)據(jù)線：主入從出(SOMI)和主出從入(SIMO )。主機和哪臺從機通信要通過各從機的選通線進行選擇。
    SPI模式是全雙工的，主機在發(fā)送的同時也在接收數(shù)據(jù)，發(fā)送速率由主機編程決定：主機提供時鐘UCLK與數(shù)據(jù)，從機利用這一時鐘接收數(shù)據(jù)，或在這一時鐘下送出數(shù)據(jù)。子機在任何時候初始化發(fā)送并控制時鐘，時鐘的極性和相位也是可選擇的，具體的約定根據(jù)總線上各設(shè)備接口的功能決定。主機模式與從機模式是通過控制寄存器UCTL的MM位來選取的。
    本系統(tǒng)中MSP430F149采用4線主機模式與M-Power500模塊進行通信，其連接電路圖如圖2所示。

3．3 語音模塊
    在無線語音傳輸中，以較低的語音編碼率獲得較高質(zhì)量的音質(zhì)，實現(xiàn)對無線通信資源的充分利用，是語音編碼算法研究的一個重要領(lǐng)域。目前應(yīng)用較為廣泛的語音編碼方式有：ADPCM(自適應(yīng)音頻脈沖編碼)、CVSD(連續(xù)可變斜率調(diào)制編碼自適應(yīng)音頻脈沖編碼)、CELP(碼激勵線性預(yù)測編碼)、AMBE(高級多帶激勵編碼)、LPC(線性預(yù)測編碼)等。
    該設(shè)計考慮到系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜性和成本，選擇了全雙工語音編碼芯片CMX639實現(xiàn)語音的CVSD編碼。CMX639是集CVSD編解碼于一體的語音編碼芯片。它的外圍設(shè)備簡單，而且用戶可以通過其管腳方便地對其編解碼算法進行設(shè)置。
    CMX639采樣速率完全取決于振蕩器的頻率和所設(shè)置的時鐘模式。用戶可以依據(jù)實際情況，自主選擇采樣速率，在語音質(zhì)量和編碼數(shù)據(jù)碼率之間進行權(quán)衡，而且在振蕩器的頻率固定的情況下，還可以利用外部端口改變采樣速率，因此賦予用戶開發(fā)極大的自主權(quán)。
    CMX639外圍電路十分簡單，其典型應(yīng)用電路如圖3所示。ENCODER INPUT為麥克的輸出，ENCODER OUTPUT為編碼輸出，DECODER INPUT為解碼輸入，DECODER OUTPUT為SPEAKER的輸入信號。

    在語音模塊中，從話筒來的語音信號幅度通常不大，為了減小量化噪聲對信號質(zhì)量的影響，加入了前置放大器(LMV771)，將信號幅度提高到適合CMX639編碼的水平。CMX639在進行解碼時，不可避免地混入了一些高頻噪聲，音頻濾波器(MAX7400)可以有效地濾除語音信號中混有的高頻噪聲，使得語音信號柔和。由于CMX639輸出的語音功率較低，不宜直接輸出到耳機，加入功率放大器(LM386)可以提高音量，用戶還可以對音量大小進行調(diào)節(jié)。

4 軟件設(shè)計
4．1 開發(fā)環(huán)境
    本文的無線語音傳輸系統(tǒng)的微處理器是采用MSP430系列單片機，所有的軟件控制流程均在通過它實現(xiàn)?；贛SP430的開發(fā)軟件較多，較常用的如IAR公司的IAREmbedded Workbench，AQ公司的AQ430等，均支持匯編語言和C語言。系統(tǒng)采用與MSP430配套的IAR EmbeddedWorkbench開發(fā)軟件，使用C語言編寫程序。
    MSP430F149芯片在內(nèi)部集成了JTAG模塊，全部JTAG接口只用少量的幾個引腳，主要有TDO、TDI、TMS、TCK、RST等，只要經(jīng)過JTAG接口就可以實現(xiàn)對CPU的仿真調(diào)試功能。整個調(diào)試過程，外部只需要一臺能實現(xiàn)JTAG接口控制功能的主機即可。
4．2 系統(tǒng)軟件流程
    系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括微處理器MSP430F149的初始化、射頻模塊M-Power500的初始化、地址模塊的初始化、MSP430F149與CMX639間的數(shù)據(jù)傳輸、MSP430F149與M-Power500間的數(shù)據(jù)傳輸，以及用MSP430F149控制半雙工射頻模塊M-Power500以時分的方式來實現(xiàn)雙工通信。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖4所示。

5 結(jié)論
    本文以MSP430F149為核心，M-Power500為射頻模塊，CMX639為語音模塊搭建的無線語音傳輸系統(tǒng)，是一針對短距離通信的、全雙工、低功耗的無線語音傳輸系統(tǒng)。經(jīng)過測試，在空曠的環(huán)境下，通信距離約為200 m，實現(xiàn)了點對點的無線對講功能的預(yù)期目標(biāo)。此外，M-Power500射頻模塊的核心-UM2455是符合IEEE802．15．4及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片，所以，可以基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)進行組網(wǎng)，增加通信距離，擴大通信范圍，可將其應(yīng)用于飯店、工地、商場、消防，公安、工廠等地。