基于nRF24E1的無線同聲傳譯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

介紹了射頻收發(fā)芯片nRF24E1的性能特點(diǎn)，闡述了基于此芯片的無線同聲傳譯系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了語音發(fā)送和接收的工作原理以及實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)的性能。

前言

隨著國際交流與合作的日益頻繁，國際性的會議越來越多，來自不同國家和地區(qū)的代表用自己熟悉的語言進(jìn)行發(fā)言討論，這就需要有一套同聲傳譯系統(tǒng)將發(fā)言的內(nèi)容翻譯成幾種與會代表都能聽懂的語言。目前，同聲傳譯系統(tǒng)已成為國際性會議廳的必備設(shè)施。

同聲傳譯系統(tǒng)是在同時(shí)使用不同語種的會議場合，將發(fā)言者的語言（原語）由譯員同步翻譯（譯語），并傳遞給聽眾的裝置^[1]。

同聲傳譯系統(tǒng)按傳送方式可分為有線同聲傳譯系統(tǒng)和無線同聲傳譯系統(tǒng)^[1]。無線同聲傳譯系統(tǒng)按信號發(fā)射方式可分為紅外線輻射式、無線感應(yīng)式和調(diào)頻發(fā)射式。由于調(diào)頻發(fā)射式具有抗干擾能力強(qiáng)、覆蓋面積大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用了調(diào)頻發(fā)射式。

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統(tǒng)。

1. 無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的特點(diǎn)介紹

nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORDIC推出的一款帶2.4GHz無線收發(fā)器nRF2401和增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊。該芯片的通道運(yùn)算時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，不需要外接SAW濾波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作；另外還嵌有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視器。

無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動，每一個(gè)待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進(jìn)行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段2.4～25GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個(gè)收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，電流消耗也只有18mA，所以功耗相當(dāng)?shù)?sup>[2]。

2. 同聲傳譯系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)同聲傳譯系統(tǒng)由主席單元、代表單元、譯音單元和其他的一些輔助設(shè)備組成^[6]：

圖1 整個(gè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

主席單元上有優(yōu)先權(quán)按鈕，一般分配給會議主持人或貴賓使用。整個(gè)系統(tǒng)的過程控制完全由主席單元來管理和控制。本系統(tǒng)把中央控制單元集成到主席單元上，中央控制單元是本系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件（包括代表單元、主席單元、譯音單元和音頻接口設(shè)備）進(jìn)行統(tǒng)一管理和指揮。其主要功能如下：

（1）限制發(fā)言人數(shù)；

（2）處理多種語言翻譯通道；

（3）具有發(fā)言申請功能，并可否決或批準(zhǔn)代表的發(fā)言申請；

（4）總音量調(diào)節(jié)及輸入電平調(diào)節(jié)；

（5） 配合視頻切換臺、高速云臺攝像機(jī)及視頻控制軟件，可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)自動跟蹤功能，當(dāng)代表開啟話筒時(shí)，攝像機(jī)會立即跟蹤到該話筒。

代表單元用于發(fā)言人發(fā)言，其上面有申請發(fā)言的按鈕。

譯音單元包括輸入、輸出及通訊部分，翻譯人員使用譯音單元把傳送過來的原語或譯語翻譯成會議規(guī)定的語種。

主席機(jī)、代表機(jī)和譯音機(jī)之間通過nRF24E1無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：

圖2 利用nRF24E1實(shí)現(xiàn)通信的基本框圖

nRF24E1芯片是無線數(shù)據(jù)采集、收發(fā)部分的核心，通過內(nèi)嵌的8051單片機(jī)內(nèi)核，控制芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊和無線收發(fā)模塊nRF2401，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理等功能。

EEPROM部分是nRF24E1芯片的程序存儲器，其容量為4KB，內(nèi)部存放系統(tǒng)運(yùn)行所需的程序。當(dāng)模塊加電后先將EEPROM中的程序調(diào)入芯片的RAM中，然后運(yùn)行程序。EEPROM通過SPI(串行外設(shè)接口)與nRF24E1芯片連接。

nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC模塊，可對麥克風(fēng)送過來的模擬的音頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

nRF24E1具有一個(gè)可編程控制的PWM輸出。使用時(shí)，通過編程可決定PWM工作在６位、７位或８位^[1]。nRF24E1中PWM調(diào)制器的最大載波頻率為64KHz，這個(gè)頻率更易于數(shù)據(jù)接收后的過濾。

鍵盤和LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)界面功能。

3. 語音的采集、發(fā)送及接收過程

會議代表的發(fā)言（原語）經(jīng)麥克風(fēng)拾音后，通過無線調(diào)頻傳輸?shù)阶g音單元，然后由翻譯人員譯成各種規(guī)定好的語言，再經(jīng)無線調(diào)頻把譯音送到各個(gè)代表單元。

nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC，它的采樣頻率是8kHz，即每隔125μm采樣一次；同時(shí)，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個(gè)RF數(shù)據(jù)包含有24個(gè)字節(jié)或3ms的音頻采樣信號^[7]。

語音的發(fā)送和接收過程如圖3所示：

在發(fā)送端，ADC模塊對麥克風(fēng)送過來的模擬音頻信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；采集到的數(shù)字音頻信號，在不夠一個(gè)RF數(shù)據(jù)包之前，存儲在微控制器8051內(nèi)開辟的發(fā)送緩沖區(qū)（TxBuf）中；采樣數(shù)據(jù)滿包后，8051一邊存儲下一個(gè)數(shù)據(jù)包，一邊把已滿的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到RF前端去^[7]。

在接收端，當(dāng)RF前端收到1個(gè)有效的數(shù)據(jù)包，并且微控制器收到1個(gè)RF接收中斷的時(shí)候，接收到的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數(shù)據(jù)部分存儲到8051內(nèi)的接收緩沖區(qū)（RxBuf）；存在接收緩沖區(qū)的語音信號以PWM信號的形式輸出；PWM輸出通過8位PWM引擎來驅(qū)動，不需要微控制器分擔(dān)處理任務(wù)^[7]；最后語音信號被送到揚(yáng)聲器。

圖3 語音的采集、發(fā)送和接收

4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 單通道收發(fā)模式和雙通道接收模式的切換

同聲傳譯系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備之間主要進(jìn)行的是語音信號的通信。原語通過無線調(diào)頻發(fā)送到代表單元和譯音單元；譯音單元又把接收到語音信號翻譯成規(guī)定的語種，再發(fā)送到代表單元和其它的譯音單元。所以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的語音信號通信是最基本的要求。通過nRF24E1芯片中的nRF2401無線收發(fā)模塊即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的譯音通信。此時(shí)，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無線收發(fā)模塊通過一個(gè)通道來發(fā)送并接收數(shù)據(jù)，即工作于單通道模式。

在各個(gè)設(shè)備進(jìn)行語音通信的同時(shí)，有時(shí)還要進(jìn)行控制信號的通信。比如，代表單元要申請發(fā)言、譯員請求發(fā)言者語速放慢時(shí)，需要通過按鍵向主席單元發(fā)出請求信號；主席單元也要根據(jù)情況相應(yīng)給出應(yīng)答信號。這樣，就會出現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間語音信號和控制信號同時(shí)進(jìn)行通信的情況。它們分別占用一個(gè)通道，這就要求nRF24E1芯片必須工作在ShockBurst雙通道接收模式下。nRF24E1通過一個(gè)天線，能夠接收兩個(gè)頻率相差8MHz（８個(gè)頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數(shù)據(jù)。這兩個(gè)不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口