1 前言
無線語音技術(shù)從早期的模擬無線語音到目前的數(shù)字無線語音技術(shù)，經(jīng)歷了一個比較漫長的過程。隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，特別是無線射頻收發(fā)器成本的逐年下降，數(shù)字無線語音通信逐漸成為市場應(yīng)用主流。最簡單的例子莫過于對講機(jī)，目前仍然廣泛使用的是模擬對講機(jī)，而高檔的數(shù)字對講機(jī)正在降低成本，逐漸蠶食模擬對講機(jī)的市場。
ZigBee原本定位于小數(shù)據(jù)量的通信，但是本身250 kb/s的通信速率也是足以滿足基本語音通信的，幾大射頻芯片廠商都有基于ZigBee的語音通信方案，本文將對ZigBee語音通信技術(shù)做一些探討。
2 ZigBee語音通信分析
ZigBee傳輸語音數(shù)據(jù)屬于數(shù)字傳輸，數(shù)字通信系統(tǒng)在本質(zhì)上有著一些巨大的優(yōu)勢：首先是抗干擾能力強(qiáng)。模擬信號在傳輸過程中很難與疊加的噪聲分離，噪聲會隨著信號被傳輸、放大，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。數(shù)字通信中的信息是包含在脈沖的有無之中的，只要噪聲絕對值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無，以保證通信的可靠性。其次是遠(yuǎn)距離傳輸仍能保證質(zhì)量。因?yàn)閿?shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣通信質(zhì)量便不受距離的影響，可高質(zhì)量地進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信。此外，它還具有適應(yīng)各種通信業(yè)務(wù)要求(如電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等)，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)，便于采用大規(guī)模集成電路，便于實(shí)現(xiàn)加密處理，便于實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)的計(jì)算機(jī)管理等優(yōu)點(diǎn)。
標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee傳輸數(shù)據(jù)率為250 kb/s，目前廠商支持的傳輸速率可以達(dá)到1 Mb/s，更高的傳輸速率意味著更低的接收靈敏度，也意味著更短的通信距離，因此在話音質(zhì)量要求不高的場合，盡量使用最低可接受最差通話質(zhì)量，即最低通信流量，以保證通話距離。
在250 kb/s的通信速率下，理論上有25 kB/s的傳輸流量，可以滿足電話質(zhì)量，即ITU-TG·711標(biāo)準(zhǔn)，8 kHz取樣，8 bit量化，碼率 64 kb/s，而AM廣播采用ITU-TG·722標(biāo)準(zhǔn)，16 kHz取樣，14 bit量化，碼率224 kb/s，標(biāo)準(zhǔn)ZigBee 250 kb/s也是可以滿足的。
無線語音通信因?yàn)閭鬏數(shù)臄?shù)據(jù)量要盡量少，因此通常需要采用語音壓縮算法先將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，然后再傳輸，接收方按照對應(yīng)的解壓算法解壓后播放，常見的三種語音編碼解碼算法為：μ-law、a-law、ADPCM。
μ-law算法是一種壓擴(kuò)算法（companding algorithm），主要用于北美和日本的數(shù)字通信系統(tǒng)。與其他壓擴(kuò)算法一樣，其目的是減少音頻信號的動態(tài)范圍。在模擬域中，這可以提高發(fā)送過程中的信噪比(SNR)；在數(shù)字域中，則可以減少量化誤差（quantization error）（因而提高了信號-量子化噪聲比（SQNR））。反過來，SNR的這些改善又可以減少帶寬和等效SNR。
a-law算法也是一種標(biāo)準(zhǔn)的壓擴(kuò)算法，被歐洲數(shù)字通信系統(tǒng)用來優(yōu)化/修改數(shù)字化模擬信號的動態(tài)范圍。
a-law算法以更壞的小信號比例失真(proportional distortion)為代價，提供的動態(tài)范圍比μ-law稍微寬一點(diǎn)。
自適應(yīng)差值脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）是在差值（或增量）脈沖編碼調(diào)制（DPCM）基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它主要改變了量化級數(shù)，從而可以進(jìn)一步減小某一特定信噪比所需的帶寬。DPCM將PCM值編碼成當(dāng)前值和之前值的差。對于音頻，這種編碼方法可以將每次采樣的位數(shù)相對PCM減少25%左右。
3 系統(tǒng)構(gòu)成
ZigBee語音通信系統(tǒng)由音頻ADC芯片采集語音數(shù)據(jù)，經(jīng)由I2S總線傳輸?shù)綆дZ音處理單元的單片機(jī)（如ZICM2410芯片）中，經(jīng)過硬件編解碼單元，進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，可選μ-law、A-law和ADPCM等，然后進(jìn)入MAC層的FIFO，最后通過PHY層調(diào)制成射頻信號發(fā)射出去。接收端的結(jié)構(gòu)與發(fā)射端相同。
因?yàn)椴捎蒙漕l數(shù)據(jù)打包的分組傳輸方式，因此可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字全雙工通信，這也是普通模擬對講機(jī)不能實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。
為保證語音數(shù)據(jù)的高速傳輸，語音芯片和CPU最好使用I2S總線，I2S(Inter—IC Sound)總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線專責(zé)于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿獨(dú)立的導(dǎo)線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設(shè)計(jì)，通過將數(shù)據(jù)和時鐘信號分離，避免了因時差誘發(fā)的失真，為用戶節(jié)省了購買抵抗音頻抖動的專業(yè)設(shè)備的費(fèi)用。CPU和音頻編解碼芯片的連接如圖2所示。
4 ZigBee語音路由分析
點(diǎn)對點(diǎn)的通信通常距離不遠(yuǎn)，在語音通信中更是如此，因?yàn)閿?shù)據(jù)量本身已經(jīng)接近最大帶寬，又考慮到音頻圖像等的傳輸對于細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)不太敏感，一般不做確認(rèn)重發(fā)機(jī)制，所以通信距離甚至只能達(dá)到數(shù)據(jù)通信距離的一半。如果要增加通信距離，則必須增加中繼節(jié)點(diǎn)，隨之而來的是音質(zhì)降低了一半。
以已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的一個無線語音中繼系統(tǒng)為例，ZICM2410模塊本身可以實(shí)現(xiàn)16 kHz采樣率，8 bit位采樣(單身道)，也就是每秒鐘可以傳輸16 KB的數(shù)據(jù)，但是為滿足中繼需要，只能降到8 kHz采樣率，時隙上的分析如下。
如圖3所示，16 kHz，8 bit采樣，每4 ms發(fā)送一次64 B的語音數(shù)據(jù)，8 kHz，8 bit采樣，每8 ms發(fā)送一次，增加中繼之后，源節(jié)點(diǎn)每8 ms發(fā)送一次（8 kHz，8 bit），而中繼節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，會有一個存儲轉(zhuǎn)發(fā)的過程，大致4 ms，這時，如果通過ZigBee分析儀查看，依然會看到每4 ms一個無線數(shù)據(jù)包，和之前16 kHz采樣時的時間占用是一樣的。
這樣的時隙下，即使發(fā)送機(jī)、接收機(jī)和中繼器放在一起，也是不會有影響的，因?yàn)榻邮諜C(jī)接收時會有幀序號比對，收到中繼的重復(fù)數(shù)據(jù)包會立即丟掉，一旦離開源節(jié)點(diǎn)信號覆蓋范圍，接收節(jié)點(diǎn)就只能收到中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)了。
如果位置選擇合適，則這種中繼可以延續(xù)下去；否則再加一級中繼，會打亂原先系統(tǒng)的時隙。
5 ZigBee語音應(yīng)用
ZigBee語音傳輸比較合適的是導(dǎo)游解說系統(tǒng)。在同一處旅游景點(diǎn)，可能有不同的導(dǎo)游向不同的游客介紹景觀。如果使用一般的擴(kuò)音系統(tǒng)，往往會出現(xiàn)導(dǎo)游之間互相比嗓子，或者搶游客的尷尬局面，在一些文化底蘊(yùn)很濃的場合，這樣鬧哄哄的場面往往會破壞景點(diǎn)本身的意境。
使用ZigBee技術(shù)可以非常容易地解決這個問題，如圖1所示的點(diǎn)對點(diǎn)通信，只要發(fā)送端設(shè)置為廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)，即可在有效通信范圍內(nèi)，配置不限數(shù)目的接聽節(jié)點(diǎn)(因?yàn)榻邮展?jié)點(diǎn)并不發(fā)數(shù)據(jù)，因此技術(shù)上不存在節(jié)點(diǎn)限制，只有空間上的體積限制)，而不同導(dǎo)游之間，采用不同的物理頻段(標(biāo)準(zhǔn)ZigBee總共16個)，彼此之間是不會干擾的。
6 小結(jié)
ZigBee語音通信目前還在應(yīng)用的初級階段，在成本上還有些高，對于價格敏感的應(yīng)用，還不太適用。較為便宜的類ZigBee通信方式(不使用O-QPSK等編碼方式)正在較大規(guī)模地應(yīng)用，這些通信方式，抗干擾性不強(qiáng)(臨道抑制比差，抗WiFi干擾能力弱)，將來ZigBee價格和應(yīng)用難度降下來之后，必然會取而代之。