一種有無線結(jié)合的局域網(wǎng)通信系統(tǒng)*

劉 臺，胡 斌，龔 鵬，劉興姿

（武漢中原電子集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430205）

0 引言

在現(xiàn)代大型通信系統(tǒng)項目中，小型通信系統(tǒng)可作為大型通信系統(tǒng)的子系統(tǒng)存在。現(xiàn)有的通信方式中，USB 傳輸方式已經(jīng)發(fā)展成為一種成熟的通信方式，而近距離無線傳輸多采用藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙5.0是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在2016 年提出的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相比于之前版本的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，藍(lán)牙5.0 具有更高的傳輸速率、更大的傳輸數(shù)據(jù)量和更遠(yuǎn)的傳輸距離，理論通信范圍可達(dá)300 m[1]，同時在低功耗方面性能突出[2]。

本文實現(xiàn)了有線與無線兩種方式的通信系統(tǒng)方案。方案使用的開發(fā)板型號為NRF52840，開發(fā)環(huán)境為keil5，兼容USB 有線模式和藍(lán)牙無線模式，實現(xiàn)了多個多功能通信設(shè)備對一個通話終端的實時話音通信。本文對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)流程以及程序?qū)崿F(xiàn)流程進(jìn)行展示，分析模擬音頻單元器件選型，對藍(lán)牙5.0 通信方式的傳輸速度進(jìn)行分析并配置測試，并對比話音質(zhì)量測試標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行丟包測試、波形測試和實際話音測試，最終展示實驗結(jié)果。根據(jù)通話終端與多功能通信設(shè)備一對多實時話音通信方案，實現(xiàn)了藍(lán)牙5.0 無線話音傳輸和USB 有線話音傳輸。經(jīng)實測話音質(zhì)量，結(jié)果滿足音頻性能指標(biāo)要求。

1 系統(tǒng)原理分析

有無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。多功能通信設(shè)備可通過有線USB 或無線藍(lán)牙方式和通話終端實現(xiàn)話音通話合按鍵指令的傳輸。同時，一個通話終端可以和多個多功能通信設(shè)備同時通話，實現(xiàn)一對多通話功能。

多功能通信設(shè)備原理如圖2 所示。耳機(jī)采集話音模擬信號，傳輸進(jìn)入多功能通信設(shè)備。多功能通信設(shè)備將模擬信號降噪、放大以及AD 轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字信號。當(dāng)工作模式為USB 模式時，數(shù)字信號通過USB 發(fā)給通話終端或計算機(jī)；當(dāng)工作模式為藍(lán)牙模式時，多功能通信設(shè)備的藍(lán)牙模塊作為從設(shè)備，將數(shù)字信號經(jīng)從設(shè)備的藍(lán)牙模塊發(fā)送給藍(lán)牙主機(jī)，然后藍(lán)牙主機(jī)再將數(shù)據(jù)經(jīng)USB 轉(zhuǎn)發(fā)給通話終端或計算機(jī)。

圖1 有無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 多功能通信設(shè)備原理圖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1.1 低功耗藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，是星形拓?fù)鋄3]。系統(tǒng)分為主機(jī)和從機(jī)兩種設(shè)備，其中系統(tǒng)如何運行取決于主機(jī)。中心主機(jī)可以和多個外設(shè)從機(jī)進(jìn)行連接和通信。在有無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中，多功能通信設(shè)備充當(dāng)藍(lán)牙系統(tǒng)中的從機(jī)角色，而與通話終端通過USB 連接的藍(lán)牙模塊充當(dāng)藍(lán)牙系統(tǒng)中的主機(jī)角色。

圖3 低功耗藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

USB 模式數(shù)據(jù)流向示意圖如圖4 所示。多功能通信設(shè)備將音頻信號直接通過USB 轉(zhuǎn)發(fā)到通話終端或計算機(jī)。

藍(lán)牙模式數(shù)據(jù)流向示意圖如圖5 所示。多功能通信設(shè)備將音頻信號通過藍(lán)牙發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)后，USB 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給通話終端或計算機(jī)。相比于USB模式，藍(lán)牙模式增加了主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

1.3 模擬音頻單元設(shè)計

模擬音頻單元框圖如圖6 所示。當(dāng)輸入MIC 有效值7 mV、1 kHz 正弦波時，發(fā)送端的DNR-3F 降噪模塊輸出的MICBUFF 信號有效值為660 mV±5%，需要通過下一級的運放進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，以滿足數(shù)字話音幅值要求和ADC 的輸入范圍要求310 mV±5%。

音頻信號增益調(diào)節(jié)電路如圖7所示，調(diào)節(jié)R23/R25的倍數(shù)，使運放輸出給ADC 輸入端電壓有效值在310 mV±5%以內(nèi)，調(diào)試時將R25設(shè)定為10.5 kΩ，將R23設(shè)定為4.99 kΩ，電阻選擇貼片薄膜電阻，精度1%即可。

圖4 USB 模式數(shù)據(jù)流向

圖5 藍(lán)牙模式數(shù)據(jù)流向

圖6 模擬音頻單元

圖7 語音信號發(fā)送增益調(diào)節(jié)電路

R23與C68組成低通濾波器，截止頻率f=1/2πRC，要求放大器設(shè)計相位漂移5°以內(nèi)，則截止頻率必須滿足：

因為人的聲音頻率范圍是300～3 400 Hz，為了放大一點余量，計算時取值300～4 000 Hz 的范圍。同時，要求低通濾波器在4 kHz 時的響應(yīng)誤差在-0.01 dB（十進(jìn)制0.999）以內(nèi)，則截止頻率必須滿足：

綜上所述，截止頻率滿足f≥89.376 kHz 時，低通濾波器滿足增益誤差-0.01 dB 以內(nèi)和相位漂移5°以內(nèi)，因此反饋電容C取值為：

這里取值C=360 pF，重新計算可得截止頻率f=88.6 kHz。

當(dāng)C71交流耦合電容前后端直流偏置電壓不一樣時，R26做為限流電阻限制通過交流耦合電容的電流，一般取值幾十到幾百歐姆，這里R26=49.9 Ω。

C71和R28組成高通濾波器，R28與連接到運放輸出端的ADC 輸入阻抗并聯(lián)，在這里建議并聯(lián)后的電阻為10 kΩ，此處所使用ADC 輸入阻抗為20 kΩ，因此R28=20 kΩ。

此處高通濾波器截止頻率300 Hz 處響應(yīng)誤差取值-0.01 dB（十進(jìn)制0.999），則截止頻率滿足：

交流耦合電容取值滿足：

這里C71取值為1 μF 時，高通濾波器截止頻率約為16 Hz。

電壓偏置電路設(shè)計如圖8 所示。

圖8 運放電壓偏置電路

設(shè)置R41=R42=100 kΩ，因此偏置電壓為2.5 V。C89和R41、R42組成低通濾波器，用于濾除電阻產(chǎn)生的熱阻噪聲和由電源VDDA5V 產(chǎn)生的電源噪聲，C89取值2.2 μF，C83預(yù)留，低通濾波器截止頻率為：

剛好只允許直流電源電壓通過，作為偏置電壓。

計算壓擺率SR：

式中，A為運放輸出最大幅值。

一般保守的選擇是取計算值的8～10 倍以上，這里取值為：

為了獲得THD+N 為-100 dB 大小的要求，此運放電路輸出端總噪聲必須滿足：

計算可得1 kHz 時，運算放大器輸入噪聲密度需要滿足：

OPA1611 滿足以上要求。

音頻編解碼芯片將從MCU 橋接芯片處收到的數(shù)字音頻信號通過DAC 轉(zhuǎn)換成模擬信號輸出，通過運放OPA1611 差分放大和濾波后傳送給耳機(jī)受話器。為使該模擬信號能夠滿足驅(qū)動耳機(jī)受話器，需將該信號調(diào)至有效值7.35 V±10%。

增益調(diào)節(jié)電路如圖9 所示。由于DAC 部分收到的其他音頻設(shè)備的音頻有效電平值是310 mV（7 mV輸入情況下），理論上需要放大的倍數(shù)為7.35 V/310 mV ≈23.7。電路中電阻值越高，會貢獻(xiàn)越高的熱噪聲給電路而降低音頻指標(biāo)；電路中電阻值越低，會使DAC輸出越多的電流增加失真。因此，權(quán)衡考慮，選取電阻值R30=R47=2 k Ω。根據(jù)放大比例，計算可得R46=R48=47.5 kΩ，即放大倍數(shù)為47.5/2=23.75。

圖9 語音信號接收增益調(diào)節(jié)電路

圖9 中的U7A 部分，反饋電阻和電容實現(xiàn)低通濾波器功能。該低通濾波器的截止頻率為f=1/2πRC，要求差分放大器相位漂移5°以內(nèi)，則截止頻率必須滿足：

因為人的聲音頻率范圍是300～3 400 Hz，為了放大一點余量，計算時取值300～4 000 Hz的范圍。

同時，要求差分放大器增益誤差-0.01 dB（4 kHz情況下），則截止頻率必須滿足：

綜上選擇f≥89.376 kHz，因此反饋電容C取值為：

這里取值C=36 pF，重新計算可得截止頻率f=93.12 kHz。

對于運放輸出電流能力的分析計算，差分放大器接耳機(jī)受話器負(fù)載，最大功耗110 mW，耳機(jī)1 kHz 阻抗大小為600 Ω，則對于運放每個通道的要求如下：

計算壓擺率SR：

式中，A為運放輸出最大幅值。根據(jù)尼奎斯特采樣原理，f=24 kHz（為DAC采樣頻率48 kHz的一半）。

一般保守選擇取計算值的8～10 倍以上，這里取值為：

為了獲得THD+N為-100 dB 大小的要求，此運放電路的總噪聲必須滿足：

式中，玻爾茲曼常數(shù)K=1.381×10-23，開氏溫度T=298 K。

電阻R30或R47的熱噪聲為：

1.4 軟件處理流程

主機(jī)程序流程圖如圖10 所示。從機(jī)程序流程圖如圖11 所示，流程中省略了按鍵處理。藍(lán)牙和USB 通過接收模塊接收數(shù)據(jù)。發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，為了調(diào)和各模塊的處理速度，使用環(huán)形緩存進(jìn)行中和調(diào)整，保持收發(fā)速率的匹配。數(shù)據(jù)處理在主函數(shù)中進(jìn)行。

1.5 藍(lán)牙處理能力分析

藍(lán)牙連接或廣播都是周期性的。在一個周期中，藍(lán)牙連接或廣播只持續(xù)很短一段時間，幾百微妙至幾毫秒，與數(shù)據(jù)包長度有關(guān)[4]。CPU 或系統(tǒng)只會在這段時間內(nèi)工作，其余時間系統(tǒng)都處于空閑狀態(tài)。若廣播間隔為200 ms，CPU 或者系統(tǒng)不是持續(xù)工作200 ms，實際只工作幾百微妙，大部分時間（199 ms以上的時間）系統(tǒng)都是處于空閑狀態(tài)。這是廣播或連接狀態(tài)系統(tǒng)平均電流很低的原因。圖12 為廣播間隔為200 ms 時系統(tǒng)的實時電流波形。

藍(lán)牙想要達(dá)到最大吞吐率，必須保證藍(lán)牙帶寬盡可能被利用。此問題可轉(zhuǎn)化為藍(lán)牙包盡可能占滿時間軸。如圖13 所示，在固定的時間內(nèi)，發(fā)包占用的時間比例越高，越接近最大吞吐率。

圖10 主機(jī)程序流程

圖11 從機(jī)程序流程

圖12 廣播間隔200 ms 系統(tǒng)實時電流波形

圖13 藍(lán)牙發(fā)包情形一

相反，若連接間隔很長且每個間隔只發(fā)一包，那么即便包長為251 Bytes，吞吐率也不高，如圖14 所示。

藍(lán)牙的傳輸效率可以粗略表示為：

圖14 藍(lán)牙發(fā)包情形二

式中，th表示藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸吞吐率，data表示一個連接間隔傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，interval表示連接間隔，datalen表示一個數(shù)據(jù)包的長度，num表示在一個連接間隔內(nèi)發(fā)送藍(lán)牙數(shù)據(jù)的包數(shù)。例如。連接間隔為60 ms，一個連接間隔只傳244 Bytes 的數(shù)據(jù)包，此時的吞吐率為244 Bytes/60 ms=4.1 kB/s。因此，欲提高吞吐率，可以從數(shù)據(jù)包長度、每個連接間隔發(fā)送的包數(shù)和連接間隔3 個方面入手。

已知NRF52840 藍(lán)牙傳輸支持的數(shù)據(jù)包最大長度為247 Bytes，I2S 采樣頻率為8 kHz，采樣位數(shù)16 bits。只取左聲道，根據(jù)條件確定了一包數(shù)據(jù)長度為160 Bytes，采樣一包數(shù)據(jù)20 ms，實際應(yīng)用中需外加6 Bytes 包頭，因此一包數(shù)據(jù)長度為166 Bytes，即每20 ms 藍(lán)牙需輸出一個166 Bytes 數(shù)據(jù)包。

藍(lán)牙連接間隔取值范圍為7.5 ms～4 s，連接間隔太長會降低藍(lán)牙傳輸?shù)耐掏侣剩B接間隔短一些會提高藍(lán)牙傳輸吞吐率，但連接間隔過短也不會繼續(xù)提高藍(lán)牙吞吐率且會增加耗電。經(jīng)實驗，最佳連接間隔為30 ms。

現(xiàn)已確定一個包的數(shù)據(jù)長度為166 Bytes，連接間隔為30 ms，需確定每個連接間隔發(fā)送的包數(shù)num。每個連接間隔發(fā)送的包數(shù)取決于一個重要參數(shù)NRF_SDH_BLE_GAP_EVEVT_LENGTH，此參數(shù)的單位是1.25 ms。它的大小代表在一個連接間隔內(nèi)用于發(fā)包的時間。為了盡可能多發(fā)包，應(yīng)將整個連接間隔都用來發(fā)包。因此將此參數(shù)設(shè)為24，即30 ms，即整個連接間隔都用來發(fā)包。

一個251 Bytes 的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包和它的ACK 包在空中總共持續(xù)的時間大概為2.5 ms，可以估算在30 ms連接間隔內(nèi)理論上可以發(fā)的包數(shù)為30 ms/2.5 ms=12包。雖然NRF_SDH_BLE_GAP_EVEVT_LENGTH 設(shè)為30 ms，希望整個連接間隔都用來發(fā)包，但實際每個連接間隔還要預(yù)留一些時間給協(xié)議棧調(diào)度，射頻初始化和應(yīng)用程序執(zhí)行。假設(shè)以上時間花費為3 ms，那么30 ms 連接間隔理論上可以發(fā)送的最大包數(shù)為（30-3） ms/2.5 ms=10 包，最終確定每個連接間隔發(fā)送的最大包數(shù)為10，因此可以得出藍(lán)牙最高的傳輸速度可以達(dá)到247 Bytes10/30 ms=81 kB/s。

以上分析為1M 模式，藍(lán)牙5.0 提出了一個2M高速率模式[5]，即同樣的連接間隔，2M 模式可以發(fā)出的數(shù)據(jù)包基本上是1M 模式的兩倍，相當(dāng)于傳輸速率翻倍。

2 實驗結(jié)果分析

首先，根據(jù)圖1 的連接方式連接設(shè)備，一個通話終端連接4 個多功能通信設(shè)備，每個多功能通信設(shè)備連接一個用戶耳機(jī)。多功能通信設(shè)備在發(fā)送音頻包時，將發(fā)出的數(shù)據(jù)包數(shù)累加，使用Jlink 打印出來。發(fā)出的數(shù)據(jù)包經(jīng)USB 模式或藍(lán)牙模式傳輸?shù)接嬎銠C(jī)，計算機(jī)使用Microsoft Visual Studio 2010 實現(xiàn)了一個從com 口讀取數(shù)據(jù)并原路寫回com 口的程序，并經(jīng)USB 或藍(lán)牙傳回到各個多功能通信設(shè)備，即回環(huán)測試。多功能通信設(shè)備將返回的數(shù)據(jù)包累加并打印，測試的數(shù)據(jù)量為30 萬包。多功能通信設(shè)備連接數(shù)為4，經(jīng)過發(fā)送的包數(shù)和回環(huán)后收到的包數(shù)對比可以看出，發(fā)送與接收數(shù)據(jù)包延遲30 包。圖15 為發(fā)送包數(shù)與回環(huán)包數(shù)打印，packet_no 為發(fā)送話音包數(shù)，packet_recv 為回環(huán)后接收包數(shù)。

其次，測試音頻質(zhì)量。耳機(jī)MIC 輸入7 mV、1 kHz正弦波，經(jīng)USB 或藍(lán)牙傳回到各個多功能通信設(shè)備。回環(huán)后，耳機(jī)PHONE 輸出有效值7.35 V、1 kHz 正弦波。圖16 為回環(huán)后I2S 輸出波形，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)。

圖15 丟包測試

圖16 波形測試

最后，進(jìn)行話音測試。使用耳機(jī)講話，回環(huán)后傳回到耳機(jī)，可聽到話音，稍有延遲和雜音。

3 結(jié)語

本文設(shè)計一種有無線結(jié)合的局域網(wǎng)通信系統(tǒng)。一個通話終端可連接多個多功能通信設(shè)備實現(xiàn)多人遠(yuǎn)端通話，且實現(xiàn)有線與無線兩種傳輸模式。經(jīng)實驗比對數(shù)據(jù)包數(shù)、波形測試和話音測試，結(jié)果可以得出此方案可行。但是，本次實驗通話延時稍大，與程序中使用的環(huán)形緩存較大有關(guān)。為保證不丟包，將環(huán)形緩存設(shè)置得較大。此外，本次實驗話音質(zhì)量存在瑕疵，與開發(fā)板資源有限有關(guān)，且藍(lán)牙通信距離受限，需改進(jìn)天線。