2.4 GHz無線VoIP發射器和接收器的開發

葛海江

（杭州職業技術學院 信電系，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在無線VoIP數據通訊中存在的主要問題是由于干擾造成數據包的丟失，產生了間斷數據流，使得語音信號中斷。因此，在VoIP的無線數據通訊中，研究者需要穩健性較高的解決方案來適應不間斷數據流的需要[1]。目前大多數的無線VoIP通訊采用的是單天線設計，這樣在無線通訊時容易造成數據包丟失，使得聲音出現斷續現象，筆者提出了一種雙天線的設計方式來實現無線音頻信號的傳送。在音頻編碼上，傳統方法采用的是PCM編碼方式，這種方式對音頻信號的存儲和傳輸都存在著非常大的冗余度，考慮到聲波信號的連續性，筆者提出了一種PCM轉換成ADP?CM的編碼方式來壓縮音頻信號。在無線通訊中，WirelessUSB[2-3]技術在抗干擾性能上優于其他2.4 GHz解決方案，而且其運行穩定性也比價格更昂貴的藍牙與DECT解決方案高，通信協議設計更為簡潔，能縮短產品開發周期；在語音編解碼上，華邦的W681360音頻編/解碼器具有線性轉換、低功耗、無干擾信號傳輸等特點，從而確保音頻編/解碼器獲得出色的信號質量。

鑒于此，本研究提出一種將華邦的W681360[4]與WirelessUSB組合的方式來實現短距離的無線音頻通訊；采用這種方式實現的無線VoIP發射器和接收器將具有高穩健性、低功耗、成本低等優點。

1 無線VoIP發射器和接收器的硬件設計

無線VoIP發射器和接收器的硬件設計介紹如下：

（1）無線VoIP發射器和接收器由兩個部分組成：發射端（Remote）、接收端（Bridge）。

（2）在發射部分設計中,主控和RF芯片采用了Cypress公司的CY7C60323和CYRF6936。音頻編解器采用華邦公司的W681360，射頻部分還采用了兩路射頻開關芯片UPG2012TB，其功能是在帶寬允許的范圍內，實現雙路無線通訊。此外本研究采用了BQ24080的充電芯片，給鋰電池進行充電，鋰電池供電輸出經過TPS79133低壓差電壓轉換芯片得到3.3 V的工作電壓，給后面模塊進行供電。主控芯片與音頻編解器、無線通訊芯片通過SPI接口進行通訊，通過W_CS及RF_CS進行片選。

發射部分的具體模塊如圖1所示。

圖1 無線VoIP發射器硬件模塊圖

（3）在接收部分設計中，主控和RF芯片采用了Cy?press公司的CY7C64215和CYRF6936。USB接口供電輸出5.0 V電壓經過TPS79133得到3.3 V電壓，作為上述芯片供電輸入。

接收部分的具體模塊如圖2所示。

圖2 無線VoIP接收器硬件模塊圖

2 音頻編、解碼設計

對于有線CD音質的立體聲采樣率為44.1 ksps或者48 ksps，對于7.5 kHz帶寬的音頻信號采樣率為16 ksps。本研究考慮到無線通訊的信號帶寬為250 kbps，CPU工作頻率為12 MHz及SPI通訊的工作要求，對語音信號的采樣率設置為8 ksps，已能滿足單一語音信號的無線通訊要求。

該設計中有兩個音頻信號通路：

（1）從USB到SPKR，主機通過USB接口傳送16-bit PCM的音頻信號，經過Bridge，將16-bit PCM轉換成4-bit ADPCM，然后無線傳送給Remote端；在Re?mote端將4-bit ADPCM還原成15-bit PCM，然后經過13-bit音頻編解碼器，輸出音頻信號驅動揚聲器（SP?KR）發聲。

（2）從MIC到USB，與上述類似。

本研究為了簡化操作，音頻數據從主機到SPKR端時，將USB的16-bit PCM，在Bridge上轉換為15-bit的數據流，然后再進行ADPCM編碼。同樣音頻數據從MIC到主機端時，ADPCM編碼在Bridge上還原出15-bit數據流后，還需要完成16-bit的PCM數據轉換，然后通過USB接口傳送給主機。

此外與揚聲器和麥克風的接口音頻編、解碼器是13-bit的，在進行ADPCM之前，要將它轉換成15-bit的PCM碼。由于音頻信號的前后自相關性，這樣的轉換并不會造成聲音信號的弱化。

PCM到ADPCM編、解碼，如圖3所示。

圖3 PCM到ADPCM編/解碼

ADPCM編碼充分利用了聲波在連續的采樣中具有很高的前后相關性，使得后續聲波的采樣能夠被預測，而不是只對當前的采樣進行編碼。ADPCM對預見的聲波采樣和當前的采樣進行差分編碼。這種方法不僅提高了聲波的壓縮率，同時也能保持完整的聲音質量[5-6]。此外，文獻[6]詳細闡述了DPCM、DM、ADM與ADPCM的壓縮算法原理及算法實現流程，通過實驗，給出了每個算法的特征，實驗結果進一步證實了ADPCM算法既能夠有效的壓縮語音，又能還原出高質量的語音。

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ADPCM算法是建立在IMA組織為了提高數字化語音兼容性應用的基礎之上的。IMA提供了ADPCM參考算法，它通過簡化許多操作和查表的方式來減少運算的復雜性，將16-bit PCM壓縮成4-bit。

在圖3中，編碼器（Encoder）將輸入的采樣值（Xn）和預測值Xp（n）進行差分d（n），將差分的值送入量化器（Quantizer）來產生4-bit的c（n）。c（n）通過反向量化器輸出dq（n）和舊的預測值Xp（n）相加，產生新的Xp（n）。理想狀態下，d（n）＝dq（n），新舊Xp（n）值也相等。

在這里Xp（n）為解碼器解碼后的值。如果解碼器中的Predic和StepSize值跟編碼器都相同，那么解碼器的解碼和編碼器的Xp（n）計算是相同的。對于StepSize是對4-bit的c（n）值進行增加或者減少。文獻[7]提出了通過克隆重組方法來快速優化ADPCM的多參數。

通過ADPCM編碼壓縮的方法，編碼器設置和更新它的Predic和StepSize值，解碼器在數據流中來捕捉這兩個值。只要沒有數據丟失，編碼器和解碼器就具有相同的Predict和StepSize值。然而在無線傳輸中，系統無法保證數據包不丟失，因此解碼器并不能總是跟蹤編碼器的Predict值和StepSize的值。在這里本研究給每個數據包設置3 ms的長度，同時每個數據包中都包含了Predict和StepSize的值，讓每個數據包被單獨處理，然而3 ms數據包的丟失，并不會讓人覺察到語音信號的失真。

本研究設置USB的PCM速率為8 ksps，每個PCM為16位，通過將音頻數據的PCM轉換成ADPCM，使得音頻數據被壓縮了3/4，有效實現了音頻數據的壓縮。

3 無線通訊協議設計

為了防止在無線傳送過程中數據包的丟失，造成聲音信號的中斷。在無線通訊上，本研究在硬件上采用了雙天線設計，提供了兩個無線數據通路，通過無線高頻開關進行天線的切換工作。此外在無線射頻電路的參數匹配上，要得到最大的功率傳遞，源阻抗與負載阻抗必須相匹配[8]，通過采用“逐個優化參數”的方法[9]來盡量匹配射頻參數，以此來提高射頻電路的發射功率，通過該方法使得兩邊的無線通訊距離可達15 m以上。

文獻[10]中簡要介紹了無線音頻無線數字/模擬音頻傳輸系統的設計，在天線設計方面，它采用的是單天線設計，這樣使得音頻數據在無線傳輸過程中，如果造成數據包的丟失，則在接收端將無法重現丟失的信號。因此本研究采用了雙天線的設計。這里設計的天線A和天線B在Remote端，同樣也可以設置在Bridge端，設計中將128 kbps的無線帶寬分成兩個64 kbps帶寬。一個數據包使用64 kbps通過天線A進行傳送，這個數據包的復制包使用另外的64 kbps通過天線B進行傳送。這樣Bridge端就有兩個無線數據通路。此外Bridge端也傳送兩個同樣的數據包給Re?mote端，天線A接收第一數據包，天線B接收復制的數據包。

通過這種方式，將有效地減少數據包的丟失。因為只有兩個無線通路上都丟失數據，數據才會丟失。

無線通訊數據包中有15個字節，其中包含了24個ADPCM編碼，時間為3 ms；24 samples/8 ksps=3 ms。采用了8-bit step和12-bit Predict值。

圖4 無線VoIP數據包

4 軟件設計流程

軟件設計流程為：

（1）軟件設計有兩個部分：發射器部分和接收器部分。

（2）發射器的主程序流程圖如圖5所示。

圖5 發射器主程序流程圖

（3）接收器的主程序流程圖如圖6所示。

圖6 接收器主程序流程圖

在3 ms的數據包中，包含有24單獨的中斷，每125 μs就有一個中斷，每個750 μs中包含了6個中斷。研究者可以采用中斷序號的方式來確定每個中斷服務程序的內容。

5 結束語

本研究通過對2.4 GHz的無線VoIP發射器和接收器的應用研究，實現了音頻信號短距離的無線雙向通訊。筆者對該無線發射器和接收器進行無線語音通訊測試，在有效距離15 m以內，無間斷數據流產生，語音信號通訊流暢。該方案通過自適應差分編碼方式實現了聲波的有效壓縮，壓縮率達1/4；通過雙天線的設計方法解決了數據包丟失的問題；通過引入“逐個優化參數”的方法來提高發射的功率及接收靈敏度；通過采用華邦的W681360編解碼器與WirelessUSB組合來實現VoIP的軟、硬設計，具備了無線VoIP的低功耗、高穩健性特點，而且相比藍牙方案，成本較低。

該方案可廣泛應用于無線VoIP耳機、無線多媒體輔助應用等短距離的無線音頻數據通訊的場合。

（References）：

[1] DAS S K，LEE E，BASU K，et al.Performance optimization of voip calls over wireless links using H.323 protocol[J].IEEE Transactionson Computers，2003，52（6）：742-752.

[2] Cypress Corporation.Wireless USB 2-Way HID Systems-AN4003[EB/OL].[2011-05-13].http：//www.cypress.com/？docID=29040.

[3] 劉連浩，楊 杰，沈增暉.2.4 GHz無線USB技術的開發與應用[J].計算機工程，2009，35（3）：152-154.

[4] Winbond Electronics Corporation.W681360 Data Sheet[EB/OL].[2005-01-01].http：//datasheet.eeword.com.cn/pdf/20017/-WINBOND.W681360.html.

[5] 李文華，徐 剛.利用ADPCM進行網絡環境下實時多點語音通信[J].計算機工程與應用，2004，40（36）：127-130.

[6] 廖廣銳，劉 萍.基于ADPCM的語音壓縮算法研究[J].計算機與數字工程，2007，35（7）：39-41.

[7] 張 剛，謝克明，郭紅波，等.基于N進制編碼的克隆重組方法應用于快速優化ADPCM的多參數[J].通訊學報，2006，27（3）：28-31.

[8] 黃煜梅，葉菁華，朱 臻，等.2.4 GHz、增益可控的CMOS低噪聲放大器[J].固體電子學研究與進展，2004，24（4）：498-504.

[9] 葛海江，陶 姍，吳弋旻，等.2.4 GHz無線鼠標的多信道控制方法研究[J].計算機工程與應用，2009，45（9）：77-79.

[10] 湯煒偉，孫新亞，吉吟東.基于nRF24Z1的無線數字/模擬音頻傳輸系統[J].電子技術應用，2007（4）：41-43.