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無線自組網(wǎng)語音通信終端設計
來源：電子技術應用2013年第9期
王國富，鄭善友
桂林電子科技大學 廣西無線寬帶通信與信號處理重點實驗室，廣西 桂林541004
摘要： 針對目前國內(nèi)礦井下語音通信不夠靈活或者通信系統(tǒng)成本過高的情況，設計了一種低功耗、低成本、使用靈活高效的手持式語音通信終端。通過采用ZigBee自組網(wǎng)技術靈活搭建通信網(wǎng)絡，多跳延伸通信距離，并且針對ZigBee由于傳輸速率低的而不能很好傳輸語音的問題，本設計使用IMA-ADPCM算法進行語音壓縮以保證高通話質(zhì)量的前提下適應ZigBee的低傳輸速率特性。經(jīng)試驗證明，本語音通信終端功耗可低至0.63 W，在井下點對點通信距離可達到28.76 m，語音信號傳輸平均誤碼率僅為1.95%。
中圖分類號： TP393
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)09-0021-03
Design of wireless Ad-hoc networking voice communication terminal
Wang Guofu，Zheng Shanyou
Key Laboratory Cognitive Radio and Information Processing of the Ministry of Education， Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China
Abstract： A hand-held voice communication terminal which is of low power consumption, low cost, flexibility and efficiency in use is designed. Aming at the problem，ZigBee Ad-hoc networking technology is adopted to achieve the purpose of building up communication network flexibly, and extending the communication distance by multihop. Moreover, considering the problem that voice can not be well transferred due to ZigBee′s low transmission speed, IMA-ADPCM algorithm is utilized to compress voice, which may adapt to ZigBee′s low transmission speed under the premise of ensuring high-quality voice communication. Experiments prove that the power consumption of this voice communication terminal can be as low as 0.63 W, the underground point-to-point communication distance can reach 28.76 m, and that the average bit error rate of the voice signal transmission is only 1.95%.
Key words : ZigBee technology；Ad Hoc network；signal processing；voice communication

    目前，國內(nèi)的井下語音通信大多采用溝通效率較低的有線防爆電話或者成本高昂的井下3G通信[1]。由于在井下有線通信系統(tǒng)安裝復雜，而且通話裝置(如防爆話機)通常位置固定，從而造成了井下作業(yè)溝通效率的低下。國內(nèi)中小型礦井眾多，井下3G無線通信系統(tǒng)成本過高，很多企業(yè)無法承擔架設費用。因此，對搭建靈活且功耗和成本低廉的語音通信裝置的需求尤為迫切。

    本文使用新興的短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的ZigBee技術[2]以及具有高壓縮比和高還原音質(zhì)的語音壓縮算法IMA-ADPCM，解決了以往井下語音通信設備成本昂貴、使用不靈活、通信效率低的問題。經(jīng)驗證，本語音通信終端井下實測點對點穩(wěn)定通信距離為28.76 m，語音信號傳輸誤碼率為1.95%，額定功耗為0.63 W。
1 系統(tǒng)方案和模塊原理
1.1 語音終端設計原理
    本文設計的語音終端系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示。其工作原理是：聲音信號由麥克風輸入，由語音采集模塊將之轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；CPLD被設計成語音壓縮和解壓縮模塊，負責對語音數(shù)字信號進行壓縮或者解壓縮處理。STM32W108是高性能的IEEE 802.15.4無線片上系統(tǒng)(SoC)，集成2.4 GHz IEEE 802.15.4兼容的收發(fā)器以及基于ZigBee系統(tǒng)的外設，是本系統(tǒng)的核心，負責數(shù)據(jù)的交互和ZigBee應用程序管理[3]。數(shù)據(jù)由STM32W108的ZigBee外設發(fā)出，再經(jīng)過2.4 GHz射頻放大模塊進行功率放大，最后輻射到信道中。這樣做目的是增加信號強度和提高有效通信距離。當接收語音信號時，語音數(shù)據(jù)經(jīng)過CPLD進行解壓縮后，經(jīng)由語音播放模塊輸出音頻信號。

1.2 語音壓縮及解壓縮模塊的設計
    由于ZigBee為低速率(<250 kb/s)無線網(wǎng)絡技術，如果語音不經(jīng)過壓縮處理，則無法很好地適用于該技術。本設計采用IMA-ADPCM，即自適應差分脈沖編碼調(diào)制算法，該算法壓縮比為4:1，符合低空間消耗、高質(zhì)量、高效率的要求[4]。為了降低核心MCU的負擔，語音編解碼的任務由CPLD承擔。


    基于CPLD的語音編解碼模塊的設計框圖如圖3所示。該模塊由時鐘模塊、編碼器和解碼器、數(shù)據(jù)存儲器以及中央控制單元構成。控制單元負責與STM32W108進行控制和數(shù)據(jù)交互。進行語音編碼時，存儲器存儲ADPCM碼數(shù)據(jù)，解碼時則暫存PCM數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由控制元傳輸至STM32W108進行進一步處理。

1.3 語音編解碼算法性能評估
    為模擬真實通話環(huán)境，將普通語音錄入PC，然后處理成采樣率為44.1 kHz、碼寬為16 bit、格式為wav的音頻文件。將wav文件導入Matlab中進行IMA-ADPCM進行編解碼處理，將原始語音信號和解碼還原后的語音信號進行比對和誤碼率計算，結果如圖4所示。根據(jù)波形比對和人耳辨識，語音還原質(zhì)量較高。經(jīng)計算，本設計的語音編解碼器的平均誤碼率僅為1.95%。

2 組網(wǎng)節(jié)點分析和軟件方案設計
2.1 組網(wǎng)節(jié)點分析
    ZigBee網(wǎng)絡設備類型主要有3種。第1種是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器(Coord)，其功能是發(fā)送網(wǎng)絡信標，建立網(wǎng)絡，管理網(wǎng)絡節(jié)點，備份網(wǎng)絡節(jié)點信息，搜尋一對節(jié)點間的路徑[5]。而本設計中語音終端則被設計成第2或第3種設備，即全功能設備(FFD)或者精簡功能設備(RFD)。FFD包含由標準指定的所有IEEE802.15.4功能和特性，在空閑時充當網(wǎng)絡路由器，也能作為終端設備使用。由于礦井下通信的節(jié)點位置隨機性高，為了保證其可靠性和穩(wěn)定性，優(yōu)先考慮將語音終端設計為FFD類型設備。為降低成本和復雜性，RFD只包含有限的功能，在網(wǎng)絡中只能用作終端設備，RFD由于省掉了內(nèi)存和其他電路，所以降低了ZigBee部件的成本。當然，在礦井下工作位置相對固定的情況下，邊緣位置節(jié)點亦可以采用RFD類型的設備以達到節(jié)約成本的目的。
    本設計采用的網(wǎng)絡拓撲類型為網(wǎng)狀網(wǎng)，通用情況下所有節(jié)點類型的組網(wǎng)如圖5所示。其中節(jié)點4為FFD類型設備，節(jié)點7為RFD類型設備。當節(jié)點4和節(jié)點7加入網(wǎng)絡時，可能產(chǎn)生可用的新路徑如圖中虛線所示。此時，假定節(jié)點8向節(jié)點2發(fā)起通信，則路由器算法根據(jù)每個節(jié)點的路由表項信息搜索新的最佳路徑，路徑8、7、6、5、2(方向從左到右)已經(jīng)過時，最優(yōu)新路徑8、7、4、2(方向從左到右)將被采用。

 

 

    如果設備是網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，則主動進行該區(qū)域的網(wǎng)絡組建流程，直至自組網(wǎng)建立成功方可對網(wǎng)絡狀態(tài)進行監(jiān)控。當協(xié)調(diào)器檢測到新節(jié)點加入網(wǎng)絡的請求時，會轉(zhuǎn)入節(jié)點入網(wǎng)處理。協(xié)調(diào)器還具備數(shù)據(jù)上傳功能，即可以上傳語音數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡信息到指定地面上的PC。
    如果設備是FFD類型設備，則該設備可以充當路由器使用，初始化路由并發(fā)送加入網(wǎng)絡請求。路由初始化成功后，F(xiàn)FD終端即可中繼數(shù)據(jù)或者充當目的節(jié)點接收語音數(shù)據(jù)以及進行播放處理。最后一個分支是識別RFD設備，此時RFD設備成功入網(wǎng)后只可作為網(wǎng)絡邊緣節(jié)點，只具備語音收發(fā)播放功能而不可充當路由器使用。

    本文針對常規(guī)井下語音通信效率低或者系統(tǒng)搭建成本過高的缺陷，提出使用先進的ZigBee網(wǎng)絡技術進行語音通信的方案。針對ZigBee技術由于傳輸率低而無法適應語音即時傳輸?shù)膯栴}，提出了使用高壓縮比的IMA-ADPCM語音壓縮算法對語音數(shù)據(jù)進行壓縮后傳輸，既保證了語音信號質(zhì)量也達到了低速率傳輸語音的目的。實驗表明，本設計具備網(wǎng)絡自能特性，額定功耗為0.63 W，符合低功耗應用場合，在礦井下通信中具有廣闊的應用前景。
參考文獻
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[4] GAWALI D，VARMA N.Design and implementation of ADPCM based audio compression using VHDL.2012 International Conference on Information and Network Technology (ICINT 2012)，IPCSIT vol.37[C].Singapore：IACSIT Press，2012：246-250.
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