基于WT600F的超短波語音通信系統(tǒng)*

李 敏 ，吳 凡 ，陳啟貴 ，何 敏

（1.江蘇航天神禾科技有限公司，江蘇 南京 210046；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引 言

超短波電臺是工作波長為1～10 m，工作頻率為30～300 MHz的無線電通信設(shè)備。與短波電臺相比，超短波電臺的射頻場強極為穩(wěn)定，幾乎不受外界干擾，擁有更寬的頻段。與基站相比，超短波電臺投資小，設(shè)備簡單，使用費用低，因此在無法搭建手機基站的地區(qū)有著極為廣泛的應(yīng)用。

隨著電子工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平不斷提高，目前超短波電臺在近距離通信領(lǐng)域有著極大的優(yōu)勢。由于超短波電臺操作簡單，不受網(wǎng)絡(luò)限制，適合于在處理突發(fā)事件中進行緊急調(diào)度和集體協(xié)作，同時該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因而使其在公安、民航、鐵路、水利、電力、野外施工等行業(yè)應(yīng)用更廣泛[1]。

目前超短波電臺的接收靈敏度受環(huán)境等因素的影響，通信距離越遠(yuǎn)，傳輸速率越低，如何在保證通信質(zhì)量的前提下增加通信距離是超短波電臺研究的重點。目前解決這個問題主要有以下3種方法：

（1）提高電臺的輸出功率；

（2）提高電臺的接收靈敏度；

（3）降低信源信號的傳輸速率。

本文提出采用WT600F聲碼器的超短波語音通信系統(tǒng)，對語音信號進行壓縮，能夠在600 bit/s低速率下傳輸較高質(zhì)量的語音信息，大大降低了信源信號的傳輸速率，理論上能夠提高語音傳輸距離。

1 系統(tǒng)組成

基于WT600F的超短波電臺語音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于WT600F的超短波電臺語音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

語音信號的發(fā)送過程如下：麥克風(fēng)將語音信號轉(zhuǎn)為電信號（模擬信號），語音編碼模塊對輸入的電信號進行A/D采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對數(shù)字信號進行數(shù)字語音壓縮編碼，編碼后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊，調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)過低噪放大器和功率放大器傳輸至射頻天線。

語音信號的接受過程如下：天線接收到射頻信號，調(diào)制解調(diào)模塊對接收到的信號進行解調(diào)，并將解調(diào)后的數(shù)字信號通過串口傳輸至語音解碼模塊，語音解碼模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行解壓縮，進行D/A轉(zhuǎn)換成為模擬語音信號，信號通過揚聲器輸出。

由于系統(tǒng)是雙工的，任意一個終端設(shè)備都同時具有收發(fā)功能。

2 語音編解碼模塊

2.1 WT600F芯片

WT600F是一款低碼率聲碼器芯片，支持休眠模式和低功耗模式，可以在600 bit/s低速率下合成出較高質(zhì)量的語音。WT600F采用UART接口與MCU連接通信，用戶可通過UART接口實現(xiàn)語音編碼數(shù)據(jù)的讀出和寫入，且這個過程是異步、全雙工的[2]。

WT600F芯片引腳如圖2所示。

圖2 WT600F引腳圖

部分引腳功能如表1所示。

表1 管腳功能描述

系統(tǒng)需要給WT600F芯片提供兩種電源：3.3 V和1.8 V。WT600F的IO口可以模擬成SPI總線與外部芯片通信。在移位時鐘BCLK的控制下，采樣的數(shù)字信號從PCM_IN端口輸入，WT600F對語音數(shù)據(jù)壓縮，每75 ms從VOCTX輸出一幀數(shù)據(jù)，同時從VOCRX接收壓縮的語音數(shù)據(jù)，對其進行解壓，在移位時鐘BCLK的控制下，從PCM_OUT輸出解壓后的數(shù)據(jù)。

2.2 通信規(guī)約

WT600F與MCU之間以定長幀進行通信，發(fā)端WT600F芯片定時輸出數(shù)據(jù)幀，語音幀每幀含有效語音位數(shù)為45 bits，放置在幀中第5～9字節(jié)，以及第10字節(jié)的高五位。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聲碼器數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

2.3 TLV320AIC23B芯片

WT600F只能對數(shù)字語音信號進行壓縮和解壓縮。實驗中還需要對數(shù)字語音信號進行模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn) 化，并進行數(shù)字采樣，語音數(shù)據(jù)的采樣頻率為8 kHz。

在實驗中，采用了TLV320AIC23B實現(xiàn)對語音數(shù)據(jù)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和采樣，TLV320AIC23B是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻編解碼器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）集成在芯片內(nèi)部。采用先進的Σ-△過采樣技術(shù)，可以在8 kHz至96 kHz的采樣率下提供16 bit、20 bit、 24 bit和32 bit的采樣數(shù)據(jù)[3]。ADC和DAC的輸出信噪比分別可達(dá)90 dB和100 dB。內(nèi)置耳機輸出放大器，支持線路輸出，麥克風(fēng)輸入和線路輸入，輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能。

TLV320AIC23B的麥克風(fēng)或線路輸入和耳機輸出的放大倍數(shù)可以通過修改寄存器值進行調(diào)節(jié)，其內(nèi)部有十一個寄存器，各寄存器地址和功能如表2所示。

表2 AIC23B寄存器地址及名稱

通過修改寄存器可以改變麥克風(fēng)輸入，線路輸入，耳機輸出的增益。

（1）實驗一：調(diào)節(jié)麥克風(fēng)語音輸入增益

實驗原理如圖4所示。

圖4 麥克風(fēng)輸入實驗原理圖

地址為0000100的寄存器中第0 bit（MICB）為0，第二級放大倍數(shù)為1，從原理圖可以看出，默認(rèn)麥克風(fēng)輸入的增益為5。

1）若需要減小增益，可以在輸入引腳外接串聯(lián)電阻R，增益為50/（10+R）；

2）若需要增加增益，可以將第0 bit（MICB）的值設(shè)為1，第二級增益由默認(rèn)的0 dB提高為20 dB， 信號放大10倍。通過調(diào)整第一級外接串聯(lián)電阻R，總放大倍數(shù)最高可增加至50倍。

（2）實驗二：調(diào)節(jié)線路語音輸入增益（以語音信號從左線路輸入為例）

實驗原理如圖5所示。

圖5 線路輸入實驗原理圖

修改地址為0000000的寄存器值，LIV[4:0]即低5位的值默認(rèn)為10111，增益為0dB，LIV[4:0]可從00000（-34.5 dB）調(diào)至11111（+12 dB），可調(diào)步幅為1.5 dB。

（3）實驗三：調(diào)節(jié)耳機輸出增益（以左耳機輸出為例）

實驗原理如圖6所示。

圖6 耳機輸出實驗原理圖

修改地址為0000010的寄存器值。LHV[6:0]默認(rèn)為1111001，增益為0 dB，可從0110000（-73 dB） 調(diào)至1111111（+6 dB），可調(diào)步幅為1 dB，低于-73 dB 則沒有聲音。

2.4 電路原理圖

低速率語音編解碼電路原理如圖7所示。

WT600F通過端口LIN/MIC選擇語音信號的輸入方式，通過SPI總線對TLV320AIC23B的寄存器進行設(shè)置，完成設(shè)置后，就能夠?qū)崿F(xiàn)低速語音編解碼。

音頻信號輸入到TLV320AIC23B芯片，該芯片通過A/D采樣將模擬語音信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，WT600F芯片對接收到的數(shù)字信號進行壓縮編碼，定時輸出具有固定幀格式的16字節(jié)數(shù)據(jù)至串口。

WT600F芯片從串口接收到具有固定幀格式的16字節(jié)數(shù)據(jù)進行解壓縮，將解壓后的數(shù)據(jù)送到TLV320AIC23B芯片，轉(zhuǎn)化為模擬信號從線路輸出。

圖7 語音編解碼模塊原理圖

3 實驗驗證

3.1 實驗系統(tǒng)

系統(tǒng)中采用的數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊的工作頻點為170 MHz，屬于超短波的頻段，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，靈敏度理論值可達(dá)-140 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可以在600 bit/s，1 kbit/s和2 kbit/s中選擇。

調(diào)制解調(diào)模塊和語音編解碼模塊之間通過串口通信，波特率設(shè)置為115200，字長為8位數(shù)據(jù)，一個停止位，無奇偶校驗。

語音編解碼模塊發(fā)出的是16個字節(jié)的語音幀，每幀含有效語音位數(shù)只有45 bits，系統(tǒng)只需將有效數(shù)據(jù)發(fā)出去，就可以降低傳輸速率，提高傳輸距離。

進行調(diào)制解調(diào)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

Header_1固定為0x4C，Header_2固定為0x4E， DATA為語音數(shù)據(jù)。一共8個字節(jié)，長度是語音編解碼模塊語音幀結(jié)構(gòu)的一半。

3.2 軟件流程

聲碼器與數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通信過程如下：

數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通過串口接收到語音編解碼模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，先判斷數(shù)據(jù)幀頭是否為0x4C，

0x4E，符合要求后再判斷接收數(shù)據(jù)的長度，如果長度為16字節(jié)，則將數(shù)據(jù)解包成8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，通過射頻輸出。軟件流程如圖9（a）所示。

數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通過射頻端口接收到數(shù)據(jù)，先判斷數(shù)據(jù)幀頭是否為0x4C，0x4E，符合要求后再判斷數(shù)據(jù)的長度，如果長度為8字節(jié)，則將數(shù)據(jù)打包成16字節(jié)的語音幀，發(fā)送給語音編解碼模塊。軟件流程如圖9（b）所示。

圖9 模塊通信流程圖

3.3 實驗結(jié)果

在實驗室環(huán)境下，利用衰減器模擬測試遠(yuǎn)距離語音通信，通過調(diào)整衰減值，來測試語音傳輸效果，當(dāng)接收靈敏度衰減至-130 dBm時，仍可接收到清晰的語音信號。

在陸地實驗中，通過將電臺架高，拉遠(yuǎn)等實驗，系統(tǒng)的發(fā)射功率達(dá)到47 dBm時，可以測得兩部電臺在相距120 km時也能有較好的語音通信。

4 結(jié) 語

基于WT600F的超短波電臺語音通信系統(tǒng)具有較強的抗干擾能力，接收端合成的語音能夠清楚的分辨聲源，有較高的可懂度、自然度，并且該通信系統(tǒng)在陸地可達(dá)超過120 km的語音傳輸距離。

為了進一步提高傳輸距離，還需要提高調(diào)制解調(diào)模塊的接收靈敏度，如抗干擾性更強的PSK調(diào)制方式，在同等傳輸距離的條件下，可以提高傳輸速率，得到更高質(zhì)量的語音信號，或者是LoRa線性調(diào)頻擴頻調(diào)制方式，此調(diào)制方式在降低功耗的同時能夠明顯增加通信距離。