基于AT86RF231的無線擴(kuò)頻語音通信方案

摘要：隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，適配多種應(yīng)用場景的短距離無線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。由于傳輸?shù)臅r(shí)延不固定，ZigBee不適合實(shí)時(shí)語音通信。為改善時(shí)延問題，文章設(shè)計(jì)了一種以ZigBee芯片AT86RF231為通信芯片的語音對講系統(tǒng)，使用芯片的MAC層和物理層，通過FPGA控制收發(fā)時(shí)序，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)無線語音通信，滿足了某系統(tǒng)的無線語音通信要求。

關(guān)鍵詞：ZigBee；AT86RF231；短距離通信；無線語音；擴(kuò)頻

中圖分類號：TP391.4" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡介：劉市生（1973— ），男，高級工程師，博士；研究方向：傳感器融合，信息工程，通信。

0" 引言

無線語音通信是一種常用的通信手段，由于存在安全性低、信號不穩(wěn)定、易沖突、使用頻率許可等問題，因此，在實(shí)際應(yīng)用中，就須要另外設(shè)計(jì)專用的無線語音通信系統(tǒng)［1-2］。隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，通信模塊的集成處理能力也得到很大提升，單個(gè)芯片就提供了在天線和微控制器接口之間的完整無線電接口，使設(shè)計(jì)方案得到簡化。ZigBee芯片覆蓋了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能，如數(shù)據(jù)成幀、擴(kuò)頻、調(diào)制、上變頻、下變頻、解調(diào)、解擴(kuò)、解幀等完整的數(shù)據(jù)處理過程［3］。調(diào)制方式和發(fā)射頻率均可通過寄存器靈活配置。該方案使用ATMEL公司生產(chǎn)的AT86RF231作為核心芯片，采用CSMA/CA方式，解決了易沖突問題；采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）的加密算法，解決了通話安全性低的問題；采用擴(kuò)頻通信體制，解決了信號不穩(wěn)定問題；采用固定時(shí)隙通信，解決了通信時(shí)延問題；采用變頻，解決了頻率許可問題。

1" 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目背景是工程隊(duì)野外作業(yè)，每組4位成員，其中1位是組長。需求是設(shè)計(jì)1套無線語音通信系統(tǒng)，保障成員野外作業(yè)時(shí)可以話音通信。

根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了1套無線語音通信系統(tǒng)，系統(tǒng)由4個(gè)手持無線語音終端組成，每個(gè)終端有2種工作模式：組長模式和成員模式。

組長手持的無線語音終端工作在組長模式，具有最高權(quán)限，可以隨時(shí)通話。

成員手持的無線語音終端工作在成員模式，只能通過CSMA/CA方式競爭信道進(jìn)行組內(nèi)成員通信。

2" 方案設(shè)計(jì)

2.1" 系統(tǒng)方案

為解決通信的可靠性，無線語音通信系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，將基帶信號的頻譜擴(kuò)展到較寬的頻帶進(jìn)行傳輸，接收端采用相關(guān)接收的原理，將擴(kuò)展的頻譜恢復(fù)到基帶信號的頻譜［4］。擴(kuò)頻通信是有效的抗干擾通信方式，是解決無線通信中多址、抗干擾、保密性等最好的途徑之一。

手持無線語音終端工作原理如圖1所示，主要包括：天線、RF信道模塊、擴(kuò)頻基帶處理器、信道終端、電源及其他配套設(shè)備。其中，射頻信道單元與擴(kuò)頻基帶處理器一起構(gòu)成了無線收發(fā)信機(jī)模塊。

數(shù)據(jù)處理部分實(shí)現(xiàn)的主要功能是數(shù)據(jù)的擴(kuò)頻/解擴(kuò)以及調(diào)制/解調(diào)等功能。目前，具有該部分功能的常用芯片有：Z2000、HFA3824、SX043以及具有ZigBee功能的芯片等。Z2000、HFA3824、SX043等芯片由于型號較舊，市場采購較為困難。具有ZigBee功能的芯片，常用的有Chipcon、RadioPulse和Atmel公司的產(chǎn)品。芯片本身均集成了基帶和射頻的功能，且基帶處理部分均采用擴(kuò)頻體制，數(shù)據(jù)速率在20 kbps以上，比較適合使用［5］。由于射頻部分均在2.4 GHz頻段，不適合語音終端的使用，因此，須要對射頻部分進(jìn)行變頻處理。基于Chipcon和RadioPulse的芯片沒有收發(fā)控制的輸出，在使用上較為復(fù)雜，因此，數(shù)據(jù)處理部分選用了Atmel公司的產(chǎn)品，具體型號為AT86RF231［6］。該芯片覆蓋了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的基本功能。從數(shù)據(jù)成幀、擴(kuò)頻、調(diào)制、上變頻、

下變頻、解調(diào)、解擴(kuò)、解幀等完成數(shù)據(jù)處理過程。調(diào)制方式和發(fā)射頻率均可通過寄存器靈活配置。

手持無線語音終端的方案如圖2所示。

2.2" 詳細(xì)設(shè)計(jì)

在該方案中，話音編解碼及人機(jī)交互方案均較成熟，核心工作是FPGA對AT86RF231的控制，從而實(shí)現(xiàn)基于CSMA/CA機(jī)制的全雙工語音通信。系統(tǒng)的工作過程包括時(shí)隙設(shè)計(jì)、成幀設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)。

2.2.1" 成幀設(shè)計(jì)

成幀設(shè)計(jì)是在AT86RF231和AMBE3000間完成數(shù)據(jù)成幀和解幀，通過FPGA來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，須要對AT86RF231進(jìn)行收發(fā)控制，保證節(jié)點(diǎn)間形成一個(gè)無線鏈路。

由于AMBE2000數(shù)據(jù)幀周期為20ms，為了保證雙工效果，在20ms內(nèi)必須完成一次收發(fā)過程，由于收發(fā)速率相同，因此，時(shí)隙劃分以10ms為一個(gè)周期。當(dāng)數(shù)據(jù)速率為40 kbps時(shí)，每秒可以發(fā)送的數(shù)據(jù)量為5 kB。

AT86RF231幀由幀頭和數(shù)據(jù)域組成。幀格式如圖3所示。

幀頭長度為固定的5 B∶4 B前導(dǎo)和1 B幀開始界定符（Start of Frame Delimiter，SFD）。數(shù)據(jù)域最大載荷長度為128 B，包含的數(shù)據(jù)域?yàn)椋何锢韺宇^（Physical Layer Header，PHR）（1 B）、有效載荷（最大125 B）、幀校驗(yàn)序列（Frame Check Sequence，F(xiàn)CS）（2 B）。

在通信過程中，除了傳送話音數(shù)據(jù)，還須要傳送部分信令，因此，須要定義載荷域的幀格式。根據(jù)功能，定義的幀格式如圖 4所示。

各部分具體定義如下：

源址/宿址：1 B，前4b為源地址，后4b為宿址，00H時(shí)，組內(nèi)通播。

幀類型/信道號：1 B，前2b為幀類型，后6b為信道號。

（1） 當(dāng)幀類型為00H時(shí)，為語音幀，數(shù)據(jù)5～24 B。

（2） 當(dāng)幀類型為01H時(shí)，為數(shù)據(jù)幀。

（3） 當(dāng)幀類型為02H時(shí)，為控制幀。

幀號：幀長序列號，最大64個(gè)幀。

（1） 話音數(shù)據(jù)為5～24 B。

（2） 加密數(shù)據(jù)：包含加密模塊時(shí)數(shù)據(jù)長度增加10 B。

總數(shù)據(jù)長度為34 B，信道保護(hù)時(shí)間3ms。

當(dāng)增加保密模塊時(shí)，話音數(shù)據(jù)按9.6 kbps編碼時(shí)，數(shù)據(jù)長度為44 B，信道保護(hù)時(shí)間1.25ms。

2.2.2" 時(shí)隙設(shè)計(jì)

收發(fā)控制功能是進(jìn)行時(shí)隙劃分，保證通信按照規(guī)定的時(shí)隙進(jìn)行收發(fā)，模擬出時(shí)分雙工的效果。在每次通信發(fā)起階段，控制時(shí)隙產(chǎn)生，在通話過程中，依據(jù)產(chǎn)生的時(shí)序進(jìn)行工作。具體時(shí)隙產(chǎn)生流程如圖5所示。

無線語音終端通過時(shí)分雙工方式實(shí)現(xiàn)全雙工通信。在工作過程中，終端的狀態(tài)主要有值守狀態(tài)、接收狀態(tài)、收發(fā)狀態(tài)、發(fā)送狀態(tài)。狀態(tài)變遷如圖6所示。

平時(shí)網(wǎng)內(nèi)各終端均處于接收值守狀態(tài)，檢測信道是否有終端發(fā)射和信道時(shí)隙空閑與否及信道狀態(tài)等，并自動地同步到首家終端發(fā)射的幀時(shí)隙上，當(dāng)某終端有信息要發(fā)射時(shí)，根據(jù)檢測到的空閑時(shí)隙，按MAC層的CSMA/CA協(xié)議爭用某一空閑時(shí)隙；爭用成功后即預(yù)留了后續(xù)幀中的該時(shí)隙，發(fā)射待傳的信息，直至發(fā)射完畢釋放此時(shí)隙為止。

組長手持終端在該系統(tǒng)中級別最高，必須時(shí)刻具備收發(fā)功能。信道空閑時(shí)，隨時(shí)可以發(fā)起通信，信道占用時(shí)，通過在爭用第二個(gè)時(shí)隙采取提前0.5s的方式爭搶時(shí)隙。

2.2.3" 流程設(shè)計(jì)

上電激活后，首先執(zhí)行初始化操作，初始化后進(jìn)入正常工作模式。終端檢測通話按鍵（Push to Talk，PTT）按鈕是否按下，當(dāng)按鈕按下時(shí)，啟動語音采集及處理模塊，將采集的語音數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送給其他終端；若沒有檢測到PTT按鍵按下，檢測是否接收到無線數(shù)據(jù)，若有無線數(shù)據(jù)接收，啟動語音采集及處理模塊對語音信號進(jìn)行解碼還原，經(jīng)喇叭播放語音。收發(fā)流程如圖7所示。

3" 系統(tǒng)測試

對無線語音通信系統(tǒng)的指標(biāo)進(jìn)行測試，各項(xiàng)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。具體指標(biāo)如表1所示。

對無線語音通信系統(tǒng)進(jìn)行話音質(zhì)量測試，用平均意見得分（Mean Opinion Score，MOS）值大小來評判性能。ITU-TP.800和P.830定義MOS的主觀測試方法［7］： 由不同的人分別對原始語料和經(jīng)過系統(tǒng)處理后有衰退的語料進(jìn)行主觀感覺對比，得出MOS分，最后求平均值。MOS值為5.0表示語音質(zhì)量非常好，聽得很清楚；MOS值為4.0分表示語音質(zhì)量稍差，聽得清楚；MOS值為3.0分表示語音質(zhì)量一般，聽不太清楚，有雜音；MOS值為2.0分以下表示語音質(zhì)量很差，聽不清。表2是無線語音系統(tǒng)測試的MOS值，通過MOS評分可以看出無線語音系統(tǒng)具有較好的話音質(zhì)量。

4" 結(jié)語

無線語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過軟硬件的調(diào)測，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能，滿足設(shè)計(jì)的要求。此系統(tǒng)具有成本低廉、能耗低、通信距離適中的特點(diǎn)，能夠很好地滿足小組近距離安全無線語音通信需求。該設(shè)計(jì)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如：通信延時(shí)短、信號穩(wěn)定、功能強(qiáng)大等。該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性在于利用ZigBee芯片的調(diào)制解調(diào)、擴(kuò)頻解擴(kuò)以及射頻接口等特點(diǎn)，使得無線通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托蔬M(jìn)一步提高。通過變頻，將頻段設(shè)計(jì)為適合環(huán)境傳輸?shù)念l段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠、實(shí)時(shí)、安全，特別是在惡劣環(huán)境下，穿透性較強(qiáng)，完全避免了以前傳輸模式的缺陷［8］。在實(shí)際應(yīng)用中，該系統(tǒng)頗具塑造性，可應(yīng)用于飯店、工地、商場、消防、公安、工廠等場所。

參考文獻(xiàn)

［1］高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］陳彥明.基于ZigBee技術(shù)的音頻傳輸系統(tǒng)［J］.哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009（6）：52－55.

［3］劉旭.基于IEEE802.15.4g的無線通信系統(tǒng)開發(fā)與研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2013.

［4］彭立，徐紅漫.發(fā)展中的IEEE802.15.4［J］.現(xiàn)代電信科技，2004（4）：56－58.

［5］李文仲，段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［6］Microchip公司.AT86RF231數(shù)據(jù)手冊［EB/OL］.（2014-10-12）［2024-04-18］.https：//www.microchip.com/wwwproducts/AT86RF231.

［7］敬朝暉，趙峰，朱慶源.基于IEEE802.15.4實(shí)現(xiàn)無線語音通信［J］.信息技術(shù)，2009（8）：45-49.

［8］趙少行.面向廣域覆蓋的無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2017.

（編輯" 王永超）

Wireless spread spectrum speech communication scheme based on AT86RF231

LIU" Shisheng

（The 54th Research Institude of CETC， Shijiazhuang 050081， China）

Abstract：" With the development of wireless communication technology， short distance wireless communication technology that is suitable for various application scenarios has emerged. ZigBee technology is a bidirectional wireless communication technology that offers close range， low complexity， low power consumption， low data rate， and low cost. Due to the unpredictable transmission delay of ZigBee， it is not suitable for real-time voice communication. To improve the latency issue， a voice intercom system using ZigBee chip AT86RF231 as the communication chip was designed. Using the MAC layer and physical layer of the chip， real-time wireless voice communication was achieved by controlling the transmission and reception timing through FPGA， meeting the wireless voice communication requirements of a certain system.

Key words： ZigBee; AT86RF231; short distance communication; wireless voice; spread spectrum