基于CC2530的語音偵聽節點設計方案

張金榜，楊穎，何騫，喻濤，曾品善

（武警警官學院 信息工程系，成都610213）

引 言

語音偵聽是為應對犯罪手段新變化而采用的一種借助于高科技、具有隱秘性的強制偵查措施，能夠彌補常規偵查措施在查清犯罪事實方面的不足，在打擊嚴重犯罪或某些特殊類型的犯罪方面發揮著不可或缺的作用[1-2]。

現有的語音偵聽設備多采用有線傳輸方式，要完成語音偵聽任務，需要在偵聽區域內先完成線路鋪設，部分無線語音偵聽設備主要采用激光或雷達等手段實現語音信息的無線傳輸。常見的語音偵聽節點的功耗都比較大，主要集中在語音處理、編碼及無線傳輸過程中。

分析現有的語音偵聽設備不難發現：語音偵聽區域的隨機性、復雜性及危險性使得有線偵聽設備無法滿足隨時隨地完成布設進行偵聽的要求，增加了執行任務的風險系數。激光、雷達昂貴的價格使得以此作為通信手段的無線偵聽設備不能普及推廣，語音編碼處理及無線傳輸的高功耗使其無法滿足長時間、不間斷偵聽任務的需要。

因此，研究設計一種操作簡單、使用方便、采用無線傳輸、低功耗的語音偵聽節點，對于減少人力資源消耗，降低任務的風險系數和裝備成本，實現長時間、不間斷的遠距離語音偵聽具有重要意義。

1 節點總體設計

遵循模塊化的設計思想，結合嵌入式系統開發的特點，根據語音偵聽任務需求，本文設計的語音偵聽節點由語音感知模塊、處理器模塊和電源模塊三部分組成，如圖1所示。其中，語音感知模塊包括語音采集單元和語音編碼單元，完成語音信號的檢測、采樣、模數轉換和編碼。處理器模塊包括處理器單元、存儲單元和無線通信單元，不僅負責整個節點的數據處理、數據存儲、執行通信協議、節點調度管理和功率控制，而且還負責節點與節點之間、節點與上位機之間按照一定的通信協議完成數據、指令的發送和接收。電源模塊為各部分電路提供運行時所需要的能量，維持節點正常工作。

圖1 語音偵聽節點硬件結構圖

2 節點硬件設計

2.1 語音感知模塊設計

語音信號的獲取是完成語音偵聽任務的首要環節，其質量的好壞直接決定著語音偵聽結果的準確性。在比較分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等語音處理芯片的特點后，選取CMX649芯片作為偵聽節點的語音感知模塊。CMX649芯片是一種集語音檢測、采樣、模數轉換、編碼多種功能于一體的集成芯片，能夠實現ADM編碼、PCM編碼，能夠滿足語音處理低功耗的要求[3]。

CMX649豐富的功能集成使其需要極少的外部原件就可完成語音信號的檢測與編碼，其外圍電路如圖2所示。

圖2 CMX649外圍電路

其中，引腳14、15、16、17和18與C-BUS總線連接，用于設置CMX649工作參數；C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于調整MIC放大器增益和頻率響應，單位增益設為150 Hz，高低3 dB的滾降點設為15 k Hz；C5為直流阻斷電容，連接外部揚聲放大器用來驅動揚聲器工作；晶振X1為4.096 MHz有源晶振，用來產生芯片工作時所需時鐘頻率；VDD和VBIAS分別與去耦電容C6和C7連接來獲得良好的噪聲性能。

2.2 處理器模塊設計

本設計從節點的應用需求、性能指標和成本三個方面來確定處理器的選型。在比較分析免費提供ZigBee協議棧的 MSP430C＋C1100/CC2420/CC2520方案和CC2430/CC2530、JN5121/JN513x、Ember＋EmberZNet2.0方案后，選擇TI公司的CC2530芯片作為語音偵聽節點的處理器模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有集成度高、功耗低、體積小、成本低和接口豐富的特點，完全能夠滿足語音偵聽節點在數據采集、存儲、預處理與無線傳輸時對處理器的要求[4]。

CC2530集成了多種特色功能模塊，只需要極少的外部元件就可完成節點的控制、數據的處理及無線傳輸，其外圍電路如圖3所示。在射頻電路中，天線使用單極子不平衡天線。輸入/輸出匹配網絡由分立電感、電容（C252、L252、C262、L261）組成，它能夠優化天線的性能，減小在射頻電路連接時造成的頻率漂移，能夠匹配阻抗為50Ω的天線，達到芯片的最優性能。

圖3 CC2530外圍電路

選用兩個晶振來保證CC2530無線發射/接收電路正常工作，主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振，由XTAL1及電容C221和C231組成；32 k Hz時鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成。為提高芯片工作的穩定性，輸入電壓應采用3.3 V穩壓電源，接內部參考電壓的外圍電阻R301的精度要在0.5%以上，且在電源處加入去耦電容。

2.3 電源模塊設計

由于CMX649芯片的工作電壓在2.7～5.5 V；CC2530的工作電壓為2.0～3.6 V，典型值為3.3 V。為簡化電源模塊設計、減小節點體積，根據電壓一致性原則，將該節點的供電電壓定為3.3 V[5]。結合本節點需求，最終選取容量220 m A、電壓3.6 V的鋰電池完成供電。為使節點正常工作，需要通過電源轉換電路來實現3.6 V到3.3 V電壓的轉換。

在比較分析3.3 V電源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的轉換效率和轉換精度后，選用TPS780330220來 實 現3.6～3.3 V 電 壓 的 轉 換。TPS780330220的最大驅動電流為150 m A，可以滿足CC2530工作的需要，轉換效率高，有利于延長節點工作時間。它的輸出電壓噪聲非常低，信噪抑制比高，對于較易受到干擾的語音信號而言，能夠減少背景噪聲的干擾、提高語音信息采集的精度[6]，具體電路如圖4所示。

圖4 3.3V電源電路

3 節點軟件設計

根據需求分析，節點加電后開始工作，首先完成對CMX649和CC2530的初始化。而后依據能否檢測到語音信號來判斷編碼模塊和傳輸模塊是被喚醒進入偵聽狀態，還是繼續停留在休眠狀態。若進入偵聽狀態，則啟動采樣，待完成模數轉換、語音編碼后，調用發送子程序發送數據。此時，根據在一定時間范圍內能否連續檢測到語音信號判斷偵聽是否結束。如果連續檢測到語音信號，則偵聽沒有結束，繼續進行采樣、編碼處理和發送；反之，判斷偵聽結束，節點的編碼傳輸模塊進入到休眠狀態，語音激活檢測部分周期性工作，等待下一次檢測到語音信號。節點軟件流程如圖5所示。

圖5 節點程序流程圖

4 節點測試

4.1 偵聽功能測試

測試環境示意圖如圖6所示，節點A為本文設計的語音偵聽節點，節點B為射頻接收端，節點B通過串口與PC端相連。其中，節點A運行語音偵聽應用程序，節點B運行接收程序。

當節點A處測試人員發出“您好”的聲音后，PC端顯示結果如圖7所示。從顯示結果看，節點A基本實現了對語音信號的采集、處理、傳輸功能，達到了預期的目標。

4.2 傳輸距離測試

將節點A放置在偵測區域，接收節點B通過串口與PC連接，使用Sniffer軟件顯示接收數據包情況，CC2530的輸出功率設置為0 dBm。如果Sniffer能接收到數據，PC上會有數據包顯示，同時LED閃爍，此時說明A、B兩節點之間的距離在通信距離范圍內；如果收不到數據，PC上沒有數據包顯示，LED不閃爍，此時A、B之間的距離超出有效通信范圍。以此來確定臨界點的位置，測量傳輸距離。選取10次測試數據如下，如圖8所示。平均最遠通信距離為85.6 m，測試結果表明該節點的設計滿足應用需求。

圖6 測試環境示意圖

圖7 PC端顯示結果

圖8 節點通信距離測試

結 語

基于CC2530的語音偵聽節點，選取CC2530設計了核心處理器模塊，采用CMX649設計了語音感知模塊，采用TPS780330220設計了電源模塊。測試結果表明，該節點能穩定地實現語音信號的實時采集與無線傳輸，具有體積小、使用方便、成本低、功耗低和偵聽距離遠的特點，為情報信息的獲取提供了一種新的、可靠的技術手段，可廣泛地應用于戰場態勢感知領域。

[1]張黎.監聽制度研究[D].上海：復旦大學，2010.

[2]劉玉華，鄭燁.偵聽技術綜述[J].電子科技，2012，25（10）：138-144.

[3]周捷，陳向東.基于CVSD編碼的無線語音系統方案的設計[J].微電子學，2006，36（1）：121-124.

[4]林語，張金榜.TinyOS在CC2530上的移植[J].電子技術應用，2013，39（7）：25-27.

[5]劉軍，張金榜.基于CC2530的脈搏感知節點設計[J].電子技術應用，2013，39（1）：34-36.

[6]周志敏.便攜式電子設備充電器實用電路與電源管理[M].北京：中國電力出版社，2009.