介紹了射頻收發(fā)芯片nRF24E1的性能特點，闡述了基于此芯片的無線同聲傳譯系統(tǒng)的系統(tǒng)結構，分析了語音發(fā)送和接收的工作原理以及實現本系統(tǒng)所要解決的關鍵問題，最后通過實驗驗證了系統(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施。
同聲傳譯系統(tǒng)是在同時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、無線感應式和調頻發(fā)射式。由于調頻發(fā)射式具有抗干擾能力強、覆蓋面積大、成本較低等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用了調頻發(fā)射式。
本文設計與實現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和增強型8051內核的無線收發(fā)模塊。該芯片的通道運算時間小于200μs，數據速率為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。內部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數轉換器，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，該功能由內部并行口和內部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程，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)、科學和醫(yī)學）頻段2.4～25GHz內實現無線通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調節(jié)器和兩個收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數可通過射頻寄存器方便地編程調節(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，所以功耗相當低[2]。
2. 同聲傳譯系統(tǒng)的基本結構
如圖1所示，整個同聲傳譯系統(tǒng)由主席單元、代表單元、譯音單元和其他的一些輔助設備組成[6]：
圖1 整個系統(tǒng)的基本結構框圖
主席單元上有優(yōu)先權按鈕，一般分配給會議主持人或貴賓使用。整個系統(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，實現對整個系統(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備）進行統(tǒng)一管理和指揮。其主要功能如下：
（1）限制發(fā)言人數；
（2）處理多種語言翻譯通道；
（3）具有發(fā)言申請功能，并可否決或批準代表的發(fā)言申請；
（4）總音量調節(jié)及輸入電平調節(jié)；
（5） 配合視頻切換臺、高速云臺攝像機及視頻控制軟件，可實現攝像機自動跟蹤功能，當代表開啟話筒時，攝像機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、代表機和譯音機之間通過nRF24E1無線收發(fā)芯片實現數據通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：
圖2 利用nRF24E1實現通信的基本框圖
nRF24E1芯片是無線數據采集、收發(fā)部分的核心，通過內嵌的8051單片機內核，控制芯片內的A/D轉換模塊和無線收發(fā)模塊nRF2401，從而實現數據的采集、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，內部存放系統(tǒng)運行所需的程序。當模塊加電后先將EEPROM中的程序調入芯片的RAM中，然后運行程序。EEPROM通過SPI(串行外設接口)與nRF24E1芯片連接。
nRF24E1芯片內嵌有9通道的10位ADC模塊，可對麥克風送過來的模擬的音頻信號進行A/D轉換。
nRF24E1具有一個可編程控制的PWM輸出。使用時，通過編程可決定PWM工作在６位、７位或８位[1]。nRF24E1中PWM調制器的最大載波頻率為64KHz，這個頻率更易于數據接收后的過濾。
鍵盤和LCD顯示屏實現系統(tǒng)的人機界面功能。
3. 語音的采集、發(fā)送及接收過程
會議代表的發(fā)言（原語）經麥克風拾音后，通過無線調頻傳輸到譯音單元，然后由翻譯人員譯成各種規(guī)定好的語言，再經無線調頻把譯音送到各個代表單元。
nRF24E1芯片內嵌有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，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進行數據通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個RF數據包含有24個字節(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模塊對麥克風送過來的模擬音頻信號進行A/D轉換；采集到的數字音頻信號，在不夠一個RF數據包之前，存儲在微控制器8051內開辟的發(fā)送緩沖區(qū)（TxBuf）中；采樣數據滿包后，8051一邊存儲下一個數據包，一邊把已滿的數據包轉移到RF前端去[7]。
在接收端，當RF前端收到1個有效的數據包，并且微控制器收到1個RF接收中斷的時候，接收到的數據包中的有效數據部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數據部分存儲到8051內的接收緩沖區(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引擎來驅動，不需要微控制器分擔處理任務[7]；最后語音信號被送到揚聲器。
圖3 語音的采集、發(fā)送和接收
4. 系統(tǒng)實現的關鍵技術
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)的各個設備之間主要進行的是語音信號的通信。原語通過無線調頻發(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。所以實現各個設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)模塊即可實現各個設備之間的譯音通信。此時，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無線收發(fā)模塊通過一個通道來發(fā)送并接收數據，即工作于單通道模式。
在各個設備進行語音通信的同時，有時還要進行控制信號的通信。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，需要通過按鍵向主席單元發(fā)出請求信號；主席單元也要根據情況相應給出應答信號。這樣，就會出現各個設備之間語音信號和控制信號同時進行通信的情況。它們分別占用一個通道，這就要求nRF24E1芯片必須工作在ShockBurst雙通道接收模式下。nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz（８個頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數據。這兩個不同數據頻道的數據被分別送到兩套不同的接口
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