基于M-Power500的无线语音传输系统设计与实现

摘要：无线通信技术发展到今天，通信产品已经可以承栽包括语音在内如数据、图像、动画以及多媒体等的其他业务，但语音通信仍然是最基本、最主要的通信方式。本文以MSP430F149单片机为控制核心，射频模块选用工作在2.4GHz频段的M-Power500，语音编解码芯片则选用CM-X639来搭建一针对短距离通信的、全双工、低功耗的无线语音传输系统。经过测试，该系统在空旷的环境下，通信距离约200 m，该设计实现了点对点无线对讲功能的预期目标。
关键词：无线语音传输系统；M-Power500；MSP430F149；ZigBee

    随着无线通信技术的迅猛发展，通信方式越来越多，且整体朝着数据业务量增大的方向发展。但在日常生活中，语音通信仍占据重要地位。在短距离通信中，通信设备的价格、音质、功耗一直是消费者关注的焦点。手机虽然是很好的选择，但是对于要求随时随地的地区性短距离通信来说，其耗价很不合算。而目前市场上的对讲机在体积、价位和功耗上都不能满足特定场合下用户的需求。本文介绍了一种针对
短距离通信的、全双工、低功耗的无线语音传输系统实现方案。该设计体积小、音质好、价廉，有一定的实际需求。

1 系统总体设计方案
    无线语音系统按功能划分可由以下几部分组成：语音信号采集模块、语音信号编解码模块、控制模块、射频模块及语音信号输出模块。
    语音信号采集模块主要负责对原始的模拟语音信号的检测与采集，通常的设备是麦克风。
    语音信号编解码模块负责对话筒输入的语音信号进行语音编码以及对通过控制模块传过来的语音编码数据进行语音解码还原。可以用软件实现以上功能，但非常繁琐，且开发代价很高，一般用专用的语音编解码芯片进行硬件实现。专用语音编解码芯片将所需的语音编码与解码功能都集成在一块芯片当中，不仅便于开发，也降低了系统开发的难度。
    控制模块主要负责射频模块通讯的控制、数据传输的控制、软件流程的控制，由拥有中央处理器功能的微处理器来担任，一般可选用DSP或者单片机来实现。
    射频模块主要负责信号的调制／解调、发送及接收功能，由专用的无线信号射频芯片来实现。

2 M-Power500介绍
    M-Power500是一款低功耗长距离的无线收发模块(10 dBm,500m)。它由UBEC的24GHz收发芯片UM2455以及UBEC的UP2268组成。UP2268是由PA+LNA+RF SWITCH射频前端芯片组成，UP2268作用是增加芯片发射功率以及接收灵敏度。优异的射频性能使其能满足电池供电时距离和功耗要求。
    UM2455是符合IEEE802．15.4及ZigBee标准的射频芯片，采用直接序列扩频技术(DSSS)来避免2．4 GHz ISM频带上日益严重的电波与噪声干扰，采用载波监听多路访问／冲突避免(CSMA／CA)防碰撞机制进一步提高通讯稳定性，UM2455采用AES-128加密算法。可根据实际需求，通过SPI口灵活编程，设置UM2455芯片。
    M-Power500模块工作在全球通用的ISM 2．4～2.5GHz频段。可通过最高速率为5 M的SPI串口控制UM2455收发数据。SPI口工作模式为从机模式，4线接口(SCLK、SI、SO和SEN)，可读取UM2455中功能模块(MAC／BB／RF)的控制寄存器和状态寄存器、TXFIFOs、RXFIFOs和密钥表。M-Power500模块的性能特点如下：
    IMS工作频段为2．405～2．480 GHz；睡眠电流为3μA；通讯速率为625／250 kbps；接收灵敏度为-101 dBm；接收电流为26 mA：尺寸为38．35 mmx14．00 mm；工作电压为3．O～3．6 V；传输距离为大于500 m(空旷)；发射功率为10 dBm；发射电流为54 mA；天线为ACX陶瓷天线；调制方式为DSSS。

3 硬件设计
    本文介绍了一种针对短距离通信的、全双工、低功耗无线语音传输系统的实现方案。本系统由单片机控制模块、射频模块、语音编解码模块构成。无线语音传输系统终端结构框图如图1所示，下面分别对系统内部的各个模块给予详细说明。

3．1 单片机控制模块
    由于语音通信要求较强的实时性，对处理器的运算速度要求较高。根据控制要求及节省成本的考虑，本论文选用美国TI公司研制生产的MSP430F149单片机作为微处理器，能较好满足系统对微处理器的要求。
    MSP430系列单片机是16位超低功耗、高性能的混合信号处理器，集多种领先技术于一体，以16位RISC(精简指令集计算机)处理器、超低功耗、高性能模拟技术及丰富的片内外设、JTAG仿真调试定义了新一代单片机的概念。
    系统是以16位MSP430F149为控制核心，通过串行通信接口与语音模块和射频模块相连接。系统中使用到的微处理器最主要的模块是USART串行通信模块。MSP430系列的每一种型号都可以实现串行通信功能——USART硬件直接实现或者通过定时器软件实现。其中USART是一个通用串行同步／异步通信接口，它允许7或8位串行位流以预先编程的速率或外部时钟确定的速率移入、移出MSP4300。
    MSP430F149具有2个USART模块，即USART0和USART1。USART模块可以自动从任何一种低功耗模式开始自动工作。所有的USART0和USART1都可以实现2种通信方式：UART和SPI。
3．2 射频模块与微处理器的接口
    系统采用USART模块的SPI同步通信模式。当USART模块的控制寄存器UCIL的SYNC位置位且I2C位复位时，串行模块工作在SPI模式。它可通过发送控制寄存器UTCIL的STC位来选择3线(SOMI、SIMO、UCLK)或4线(SOMI、SIMO、UCLK及STE)模式使微处理器与外部系统通信。SPI总线上允许连接多个设备，但任一时刻只运行一个设备作为主机。总线的时钟由主机控制，另外还有数据线：主入从出(SOMI)和主出从入(SIMO )。主机和哪台从机通信要通过各从机的选通线进行选择。
    SPI模式是全双工的，主机在发送的同时也在接收数据，发送速率由主机编程决定：主机提供时钟UCLK与数据，从机利用这一时钟接收数据，或在这一时钟下送出数据。子机在任何时候初始化发送并控制时钟，时钟的极性和相位也是可选择的，具体的约定根据总线上各设备接口的功能决定。主机模式与从机模式是通过控制寄存器UCTL的MM位来选取的。
    本系统中MSP430F149采用4线主机模式与M-Power500模块进行通信，其连接电路图如图2所示。

3．3 语音模块
    在无线语音传输中，以较低的语音编码率获得较高质量的音质，实现对无线通信资源的充分利用，是语音编码算法研究的一个重要领域。目前应用较为广泛的语音编码方式有：ADPCM(自适应音频脉冲编码)、CVSD(连续可变斜率调制编码自适应音频脉冲编码)、CELP(码激励线性预测编码)、AMBE(高级多带激励编码)、LPC(线性预测编码)等。
    该设计考虑到系统实现的复杂性和成本，选择了全双工语音编码芯片CMX639实现语音的CVSD编码。CMX639是集CVSD编解码于一体的语音编码芯片。它的外围设备简单，而且用户可以通过其管脚方便地对其编解码算法进行设置。
    CMX639采样速率完全取决于振荡器的频率和所设置的时钟模式。用户可以依据实际情况，自主选择采样速率，在语音质量和编码数据码率之间进行权衡，而且在振荡器的频率固定的情况下，还可以利用外部端口改变采样速率，因此赋予用户开发极大的自主权。
    CMX639外围电路十分简单，其典型应用电路如图3所示。ENCODER INPUT为麦克的输出，ENCODER OUTPUT为编码输出，DECODER INPUT为解码输入，DECODER OUTPUT为SPEAKER的输入信号。

    在语音模块中，从话筒来的语音信号幅度通常不大，为了减小量化噪声对信号质量的影响，加入了前置放大器(LMV771)，将信号幅度提高到适合CMX639编码的水平。CMX639在进行解码时，不可避免地混入了一些高频噪声，音频滤波器(MAX7400)可以有效地滤除语音信号中混有的高频噪声，使得语音信号柔和。由于CMX639输出的语音功率较低，不宜直接输出到耳机，加入功率放大器(LM386)可以提高音量，用户还可以对音量大小进行调节。

4 软件设计
4．1 开发环境
    本文的无线语音传输系统的微处理器是采用MSP430系列单片机，所有的软件控制流程均在通过它实现。基于MSP430的开发软件较多，较常用的如IAR公司的IAREmbedded Workbench，AQ公司的AQ430等，均支持汇编语言和C语言。系统采用与MSP430配套的IAR EmbeddedWorkbench开发软件，使用C语言编写程序。
    MSP430F149芯片在内部集成了JTAG模块，全部JTAG接口只用少量的几个引脚，主要有TDO、TDI、TMS、TCK、RST等，只要经过JTAG接口就可以实现对CPU的仿真调试功能。整个调试过程，外部只需要一台能实现JTAG接口控制功能的主机即可。
4．2 系统软件流程
    系统的软件设计主要包括微处理器MSP430F149的初始化、射频模块M-Power500的初始化、地址模块的初始化、MSP430F149与CMX639间的数据传输、MSP430F149与M-Power500间的数据传输，以及用MSP430F149控制半双工射频模块M-Power500以时分的方式来实现双工通信。系统软件总体流程图如图4所示。

5 结论
    本文以MSP430F149为核心，M-Power500为射频模块，CMX639为语音模块搭建的无线语音传输系统，是一针对短距离通信的、全双工、低功耗的无线语音传输系统。经过测试，在空旷的环境下，通信距离约为200 m，实现了点对点的无线对讲功能的预期目标。此外，M-Power500射频模块的核心-UM2455是符合IEEE802．15．4及ZigBee标准的射频芯片，所以，可以基于ZigBee标准进行组网，增加通信距离，扩大通信范围，可将其应用于饭店、工地、商场、消防，公安、工厂等地。