基于CC2530的語音偵聽節(jié)點(diǎn)設(shè)計方案

張金榜，楊穎，何騫，喻濤，曾品善

（武警警官學(xué)院 信息工程系，成都610213）

引 言

語音偵聽是為應(yīng)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(qiáng)制偵查措施，能夠彌補(bǔ)常規(guī)偵查措施在查清犯罪事實(shí)方面的不足，在打擊嚴(yán)重犯罪或某些特殊類型的犯罪方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]。

現(xiàn)有的語音偵聽設(shè)備多采用有線傳輸方式，要完成語音偵聽任務(wù)，需要在偵聽區(qū)域內(nèi)先完成線路鋪設(shè)，部分無線語音偵聽設(shè)備主要采用激光或雷達(dá)等手段實(shí)現(xiàn)語音信息的無線傳輸。常見的語音偵聽節(jié)點(diǎn)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(xiàn)有的語音偵聽設(shè)備不難發(fā)現(xiàn)：語音偵聽區(qū)域的隨機(jī)性、復(fù)雜性及危險性使得有線偵聽設(shè)備無法滿足隨時隨地完成布設(shè)進(jìn)行偵聽的要求，增加了執(zhí)行任務(wù)的風(fēng)險系數(shù)。激光、雷達(dá)昂貴的價格使得以此作為通信手段的無線偵聽設(shè)備不能普及推廣，語音編碼處理及無線傳輸?shù)母吖氖蛊錈o法滿足長時間、不間斷偵聽任務(wù)的需要。

因此，研究設(shè)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(jié)點(diǎn)，對于減少人力資源消耗，降低任務(wù)的風(fēng)險系數(shù)和裝備成本，實(shí)現(xiàn)長時間、不間斷的遠(yuǎn)距離語音偵聽具有重要意義。

1 節(jié)點(diǎn)總體設(shè)計

遵循模塊化的設(shè)計思想，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特點(diǎn)，根據(jù)語音偵聽任務(wù)需求，本文設(shè)計的語音偵聽節(jié)點(diǎn)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(shù)轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)整個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議、節(jié)點(diǎn)調(diào)度管理和功率控制，而且還負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間按照一定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送和接收。電源模塊為各部分電路提供運(yùn)行時所需要的能量，維持節(jié)點(diǎn)正常工作。

圖1 語音偵聽節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

2.1 語音感知模塊設(shè)計

語音信號的獲取是完成語音偵聽任務(wù)的首要環(huán)節(jié)，其質(zhì)量的好壞直接決定著語音偵聽結(jié)果的準(zhǔn)確性。在比較分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等語音處理芯片的特點(diǎn)后，選取CMX649芯片作為偵聽節(jié)點(diǎn)的語音感知模塊。CMX649芯片是一種集語音檢測、采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼多種功能于一體的集成芯片，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shè)置CMX649工作參數(shù)；C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于調(diào)整MIC放大器增益和頻率響應(yīng)，單位增益設(shè)為150 Hz，高低3 dB的滾降點(diǎn)設(shè)為15 k Hz；C5為直流阻斷電容，連接外部揚(yáng)聲放大器用來驅(qū)動揚(yáng)聲器工作；晶振X1為4.096 MHz有源晶振，用來產(chǎn)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(shè)計

本設(shè)計從節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用需求、性能指標(biāo)和成本三個方面來確定處理器的選型。在比較分析免費(fèi)提供ZigBee協(xié)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(jié)點(diǎn)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(diǎn)，完全能夠滿足語音偵聽節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)采集、存儲、預(yù)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(jié)點(diǎn)的控制、數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)由分立電感、電容（C252、L252、C262、L261）組成，它能夠優(yōu)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(dá)到芯片的最優(yōu)性能。

圖3 CC2530外圍電路

選用兩個晶振來保證CC2530無線發(fā)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(wěn)定性，輸入電壓應(yīng)采用3.3 V穩(wěn)壓電源，接內(nèi)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(shè)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(shè)計、減小節(jié)點(diǎn)體積，根據(jù)電壓一致性原則，將該節(jié)點(diǎn)的供電電壓定為3.3 V[5]。結(jié)合本節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)正常工作，需要通過電源轉(zhuǎn)換電路來實(shí)現(xiàn)3.6 V到3.3 V電壓的轉(zhuǎn)換。

在比較分析3.3 V電源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的轉(zhuǎn)換效率和轉(zhuǎn)換精度后，選用TPS780330220來 實(shí) 現(xiàn)3.6～3.3 V 電 壓 的 轉(zhuǎn) 換。TPS780330220的最大驅(qū)動電流為150 m A，可以滿足CC2530工作的需要，轉(zhuǎn)換效率高，有利于延長節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

根據(jù)需求分析，節(jié)點(diǎn)加電后開始工作，首先完成對CMX649和CC2530的初始化。而后依據(jù)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(jìn)入偵聽狀態(tài)，還是繼續(xù)停留在休眠狀態(tài)。若進(jìn)入偵聽狀態(tài)，則啟動采樣，待完成模數(shù)轉(zhuǎn)換、語音編碼后，調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)。此時，根據(jù)在一定時間范圍內(nèi)能否連續(xù)檢測到語音信號判斷偵聽是否結(jié)束。如果連續(xù)檢測到語音信號，則偵聽沒有結(jié)束，繼續(xù)進(jìn)行采樣、編碼處理和發(fā)送；反之，判斷偵聽結(jié)束，節(jié)點(diǎn)的編碼傳輸模塊進(jìn)入到休眠狀態(tài)，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(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。

圖5 節(jié)點(diǎn)程序流程圖

4 節(jié)點(diǎn)測試

4.1 偵聽功能測試

測試環(huán)境示意圖如圖6所示，節(jié)點(diǎn)A為本文設(shè)計的語音偵聽節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)B為射頻接收端，節(jié)點(diǎn)B通過串口與PC端相連。其中，節(jié)點(diǎn)A運(yùn)行語音偵聽?wèi)?yīng)用程序，節(jié)點(diǎn)B運(yùn)行接收程序。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A處測試人員發(fā)出“您好”的聲音后，PC端顯示結(jié)果如圖7所示。從顯示結(jié)果看，節(jié)點(diǎn)A基本實(shí)現(xiàn)了對語音信號的采集、處理、傳輸功能，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

4.2 傳輸距離測試

將節(jié)點(diǎn)A放置在偵測區(qū)域，接收節(jié)點(diǎn)B通過串口與PC連接，使用Sniffer軟件顯示接收數(shù)據(jù)包情況，CC2530的輸出功率設(shè)置為0 dBm。如果Sniffer能接收到數(shù)據(jù)，PC上會有數(shù)據(jù)包顯示，同時LED閃爍，此時說明A、B兩節(jié)點(diǎn)之間的距離在通信距離范圍內(nèi)；如果收不到數(shù)據(jù)，PC上沒有數(shù)據(jù)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(diǎn)的位置，測量傳輸距離。選取10次測試數(shù)據(jù)如下，如圖8所示。平均最遠(yuǎn)通信距離為85.6 m，測試結(jié)果表明該節(jié)點(diǎn)的設(shè)計滿足應(yīng)用需求。

圖6 測試環(huán)境示意圖

圖7 PC端顯示結(jié)果

圖8 節(jié)點(diǎn)通信距離測試

結(jié) 語

基于CC2530的語音偵聽節(jié)點(diǎn)，選取CC2530設(shè)計了核心處理器模塊，采用CMX649設(shè)計了語音感知模塊，采用TPS780330220設(shè)計了電源模塊。測試結(jié)果表明，該節(jié)點(diǎn)能穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)語音信號的實(shí)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(yuǎn)的特點(diǎn)，為情報信息的獲取提供了一種新的、可靠的技術(shù)手段，可廣泛地應(yīng)用于戰(zhàn)場態(tài)勢感知領(lǐng)域。

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