一种无线语音传输系统设计方案

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1、一种无线语音传输系统设计方案西安电子科技大学通信工程学院(710071)陈红梅 陈健摘要：本文提出了一种将其应用于无线集群语音传输系统中的设计思路及实现方案。关键词： nRF401；MSP430F1121；TLV320AIC10以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路繁琐就是 调试困难，因而影响了用户的使用和新产品的开发，nRF401系列高速单片无线收发芯片为短距离无线数传应用提 供了较好的解决办法，由于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，因而可满足无线管制要求，使用无需许可证， 是目前低功率无线数传的理想选择，可广泛用于遥控装置、工业控制

2、、无线通信、电信终端、车辆安全、自动测试、 家庭自动化、报警和安全系统等。本文即提出了一种将其应用于无线语音传输系统的设计方案。1 射频收发芯片 nRF401nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433MHz ISM (工业、科研和医疗)频段工作 而设计。它是目前集成度最高的无线数传产品。该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解 调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点nRF401的外围元件很少，仅10个左右。只包 括一个4MHz基准晶振(可与MCU共享)、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有

3、调试部件，这 给研制及生产带来了极大的方便。主要技术特性见表1 所示，其内部结构如图1所示。参数J数值，单位频率，频道打频道加433.92/434.33 PMHz)调制方式JFSKP相调制度J15KHz)最犬输出发射功率400, 3VP10dEm 1灵敏度400 , BR=20kbit/Sj BER10= 1-105dEm 1最犬速率322Kbit/s J工作电压)2. 7-5. 25V 1接收电流250uA 发射电输出)mA 1特机电流uA 1+PW_UP管脚间歌供电，占空比为2%,周期200ms表1 nEF401主要技术指标PnRF401接收机使用具有较强抗干扰能力的FSK频移键控(Fre

4、quency-ShiftKeying)调制方式，改善了噪声环境下的 系统性能；采用DSS+PLL频率合成技术，工作频率稳定可靠。与ASK幅移键控(Amplitude-ShiftKeying)和OOK 开关键控(On-Off Keying )方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。图 1 nRF401 内部框图nRF401 无需外接昂贵的变容二极管，而其他竞争产品大多需要外接变容二极管、声表面波滤波器件等。这些芯片 一般需要进行曼彻斯特编码后才能传输，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼 彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速

5、率（实际速率）的 1/3,因此大大增加了软件的工作量 和产品开发的难度。而 nRF401 系列独特的技术可以直接传送单片机串口数据，应用及编程非常简单，抗干扰能力 强，传送的效率很高，且使用很方便。nRF401采用小型20引脚SSOP封装，管脚数和体积最小，采用非常紧凑的电路板布局，有利于减少PCB面积，降 低成本，适合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。3V直流电源供电。接收电流低，仅为11mA，而且在轮流 检测（Polling）模式时可以通过周期性暂停的方法使其更低，以延长电池寿命。它还提供进一步降低电流消耗的 待机模式。表 2 为其部分管脚说明。管脚名称功能说明1XC1输人.晶振输2k

6、4FILT1输入环路滤波器5VC01输入VC0电感6VC02输入VC0电感9DIN输人.数据输入10D0UT输出数据输出111RF PW输入发射功率设苴112CS输入频道选择cs=o 433. 92MHz(Channel#l) CS=l-434. 33MHz (Channel#2)15ANT2输入/输出天线终端16ANTI输入瀚出天线终端|18PWR_UP输A.节电控制PWR_UP=0P ower down (持机模式)PW UP=1Power up (操作模式)19TKEN输入发射/接收控制 TXEU二0接收模式 TXEN=1-射模式20XC2输出晶振输岀表2部分管脚描述nRF401另一个非

7、常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高（out-of-band blocking），这意味着它不需要外部声表 面波（SAW ）滤波器。此外nRF401的解调器是DC平衡的，因此可以使用任何一种协议，也可以使用各种O、T 序列，因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。 nRF401 的串口可以与任何单片机接口，也不需 要进行设置，应用及编程非常简单，可直接传输串口数据，传送的效率很高，是一种能方便地与各种单片机配合使 用的方案。2 音频接口芯片 TLV320AIC10TLV320AIC10是TI公司近年新推出的低功耗E-A型16位A/D、D/A音频接口(AIC )芯片。模拟接口芯片(A

8、IC) 又称调制解调编解码器(modem Codec )以其高度可编程性，高性能，低功耗，较少的外围器件，成为当前语音处 理的主流产品。适用于音频处理，语音增强，语音安全，回声抵消，VoIP(Voice-over-Internet Protocol)等广 泛的电话或语音应用中。其功能强大的串行接口和应用支持以及低功耗的特性使得TLV320AIC10成为音频应用的最 好的模拟接口。TLV320AIC10为一通用，3-5.5V Codec，内部集成了 16位A/D和D/A转换器。有两路模拟输入通道，一路模拟输 出通道和一对数字I/O 口。使用片内FIR滤波器时采样速率最高可达22ksps，采用片外

9、FIR滤波器时其采样速率 最高可达88ksps，工作方式和采样速率均可由单片机编程设置。其内部ADC之前有抗混叠滤波器，之后有抽样滤 波器， DAC 之前有插值滤波器，接收和发送可同时进行，且输入输出增益控制可编程，可工作在单端或差分方式。 其独特的直接DCSI参数设置模式采用单线串行口直接对内部寄存器编程，不受数据转换串行口的影响。事件控制 模式使单片机可监控如电话RING/0FF-H00K检测等外部事件。AIC10由5个控制寄存器控制。其中，控制寄存器1：软件复位，DAC的16位或15 + 1位模式选择以及抗混叠滤波 器、抽样滤波器、插值滤波器使能/旁路选择。控制寄存器2：决定工作方式和采

10、样速率。控制寄存器3：软件关 电，模拟及数字信号反馈和事件控制模式选择；ADC的16位或15 + 1位模式选择。控制寄存器4：输入输出增益 控制。AIC的初始化主要就是对这4个寄存器参数进行设定。该器件与单片机接口易于实现，开发和使用更加方便。 尤其适合应用于低比特率、高性能密集设备的话音传输、识别及合成等的各种VOIP、电缆调制解调器、语音和电 话领域。3 系统的硬件连接接收/发射机应满足便携式电池供电设备的一些基本要求，才能适用于无线RF应用。这些基本要求为:方案成本低， 体积小，低功耗，符合电池供电要求，集成度高，无需微调外部元件，外围元件极少，加工更容易，数据传输率高， 传输时间更短，

11、接口简单，可以与廉价的单片机接口。本文所设计的无线集群语音传输系统由单片射频收发芯片 nRF401、微控制器MSP430F1121、TLV320AIC10、EPM7128S等芯片组成。其系统的硬件连接如图2所示。MSP430F1121是TI公司生产的超低功耗微控制器，具有16位RISC结构，16位CPU寄存器和常数寄存器，4KB ROM, 256B FLASH，256B RAM,指令周期时间125ns，超低工作电压(1.8V-3.6V)，超低功率消耗(1.3uA-160uA)，具有5 种省电模式，可串行在线编程，程序代码由加密熔丝保护。从图中可以看出，微控制器是系统的主管，负责运行 协议、控制

12、 nRF401 的收发状态, 完成编解码,并运行系统的应用软件和硬件，从而节约成本和空间。电路中 E2PROM 用于存放发射频率跳变的顺序和编码数据，RAM用于存放需微控制器处理的数据。采用1.5V电池供电，由于系统 供电为3V,因此由一个DC/DC变换器完成电源的转换，为了避免DC/DC转换电源的噪声对通信造成影响，采用LC 滤波。nRF401 是接收发射合一芯片，即可以接收数据也可以发射数据，工作方式为半双工。因此该电路即是发射电路也 是接收电路。在有键按下时为发射状态，话音信号经TLV320AIC10做A/D变换后，在MSP430F1121的控制下将数据 送给nRF401，将其发射出去。

13、无按键按下时为接收状态。芯片使用时，首先通过微控制器对芯片内部寄存器进行设置，设定工作频率、发射功率等参数；进入正常工作状态 后，通过微控制器根据需要进行收发转换控制、发送/接收数据或进行状态转换。工作模式如表 3 所示。输入电平工作模式TXENCSPW UP频道模式0011C11121011TK1112TKXX0特机表 3 工作模式设置EPM7128S用来提供整个系统需要的组合逻辑。它属于MAX7000系列，是Altera公司的基于第二代MAX结构的CPLD。 它提供多达5000个可用门和在系统编程，其引脚到引脚延时快达6ns。可以容纳各种各样的，独立的组合逻辑和 时序逻辑功能。EPM712

14、8S有2个工作电压，核电压为5V，I/O工作电压可设为5V或3.3V。设为3.3V时，其输入 耐5V,而输出为3.3V TTL电平(所有的驱动器均能配置在3.3V和5V,允许用于混合电压系统中)。EPM7128S的优 点是它基于E2PROM，可以通过JTAG 口进行在线编程，设计者可将设计内容从PC机上通过下载电缆和J TAG 口对EPM7128S进行任意次修改。在这里使用EPM7128S是为电路提供组合逻辑以映射空间。它有多达100个I/O引脚可 供编程使用，方便系统扩展存储空间和外设。程序设计时应注意的问题是：nRF401的通讯速率最高为22Kbit/s；接收模式转换为发射模式的转换时间至

15、少1ms； 可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态， 电路不接收和发射数据。在低功耗模式时，电路进入不了工作状态，电路不接收和发射数据。待机模式和低功耗模 式转换为发射模式的转换时间至少为3ms；待机模式和低功耗模式转换为接收模式的转换时间至少2ms。4 混合信号 PCB 设计注意问题一个好的印制电路板(PCB)设计对于获得好的RF性能是必需的，本系统用两层板来设计。由于nRF401外围元件少， 是目前集成度最高的RF收发芯片并集成了基带处理，设计比较方便，但是实际由于高频电路的特性，工作频率较 高(UHF)，且nRF401 PCB设计是混合信号电路设计，尽管nRF401已经大大简化了射频电路设计及要求，设计时仍然 需要十分的注意。一般来说有以下原则需要遵循：(1) 布线时不能只考虑线能否布通，如果PCB布线布局不合理，可能会大大影响性能和通信距离，这是RF电路设计 的特点决定的。因此将PCB分为射频电路和控制电路两部分布置