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运用数传模块实现无线语音通信的方案设计

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发表于 2009-3-6 10:22:13 | 显示全部楼层 |阅读模式
运用数传模块实现无线语音通信的方案设计+ l1 D- A* H* f5 Q. T- \/ g
  l& R2 e( q( \3 c1 c8 U
在各种通信系统中,无线语音通信系统应用广泛。但由
+ X' Q8 j9 A0 m" E  b于其传输信道的特殊性而对语音信息传输的安全性、语音质
. @7 o) Y  I) ~; H量、传输延时、系统工作的可靠性等有着更高的要求。% Q( N$ D7 Z1 I6 U+ {2 s: u. ^
本文提出一种基于DSP平台构建的一种无线语音保密
: b; ]2 p* m7 \) `8 A5 @$ E! A/ \通信系统,采用无线数传模块实现无线保密语音的传输。文
9 g; \$ d# R! Z# \中着重讨论了其数据传输交换部分的软硬件设计。" L! d9 _/ I. @" S6 W# L
l 无线数传模块2 s3 x: b/ Y9 c2 u7 f8 @
无线数传模块是由射频模块及外围控制电路组成的在无
/ H( a  w: B6 u- E9 X7 `线信道上进行数据传输的电路,结构如图1所示。在短距离
8 g: a" }  z7 @; \/ @& Y+ G无线数据传输应用方面具有接口方便、通信速率较快、成本低$ I% F8 h- [3 N5 T+ D3 ]
廉等优点。, {/ y  v$ m( p( c7 Y* V
图1 无线数传模块内部结构* S" q; l" B4 U, U3 ]1 r% G. X
数传模块的串口在接收到串行数据信息后自动形成一帧( @" q( [- J2 W& K
数据消息帧,并对该数据消息帧进行奇偶校验,将校验结果加( }3 L" @2 E# k  C
本文于2O04一O6—25收到,2O04一O9一o3收到修改稿。( }! b* |6 T: a  n
*本文的研究项目得到2002年度江苏省高新技术研究基金的支持。
/ R% U$ G. D# O+ i8 Y" j到尾部,并进行前向纠错编码(FEC)重传,然后再加上比特同
* Z" \& _* s) @/ f7 _步、帧同步,送调制解调后在无线信道上传送。接收方在收到
3 {2 \. A9 T; q' S4 G. N( s4 w4 s无线数据后,通过比特同步,帧同步后,进行大数判决,纠错译7 K) n; Y1 Y  k6 |8 Z
码和奇偶校验以证实是否为正确的数据消息帧,确认为正确
! ^5 W  b0 n9 g& X5 g" T( A数据后再以串行数据的形式发送出去。为了方便各种用户的, r7 u) i8 b6 _  c) W( g) t
应用,串行数据的收发不加任何协议,对用户进行透明传输。
! G. Q5 {7 F# q' n本系统选用PTR4500型数传模块,该模块射频部分以+ D! T. z6 u5 C4 [/ t
nRF24E1芯片为核心,工作在2.4G开放频段,最大发射功率% s5 \8 i7 c9 `' F7 o+ Y# m% r/ q; E
0dBm,在视距情况下可靠传输距离超过1000m。在复杂环境1 F8 _$ K) S$ H$ z* [
中,传输距离及质量均会有所下降,对于数据需要在软件上作
, e: x2 y& Q9 z8 _5 h进一步处理。该模块具有125个频道,满足多频、跳频及点对, [. n! w( R" g- l- I! C5 w7 {) z' @
点、点对多点无线通信的需求,无线速率最高1Mbps,内置硬
8 t/ p7 E! @8 c6 J) X6 l# E& s件CRC纠错编码,具有可靠的无线通信性能。提供RS232
3 G/ [6 I1 r4 o& v7 T标准串口,串口最高速率115200bit/s,使用方便。模块收发6 d5 F/ E5 _$ a0 P+ l$ ]- q, l
延时10ms,状态转换时间小于1ms。7 o' L7 M/ P* N! f# W1 z  U
2 无线数传模块的通信特点
+ V5 z$ j0 e8 z, I8 A8 j0 k' x利用无线数传模块构建无线信道实现语音通信,在硬件: @% ^6 I5 o) X7 c) }* d
连接上可视为一个两端口的传输设备,分别对应于TX和+ M! \$ h! {6 N& U" @
维普资讯 http://www.cqvip.com
, A; M0 q$ F" K0 A( u3 d6 p; v692 微计算机应用 2005钲: L9 L* @* `6 I4 ?5 |+ D6 N
RX。但与有线连接方式不同,无线信道通信方式有几个特
% ~. |  h+ \3 f: R* u点:8 K* ]* y' O* x0 b& x
(1)通信中串口数据的帧格式、串口速率为一固定值,程2 u$ E/ Y) D) j7 ~$ l, Q
序在这两个参数上应与模块一致。且所选模块传输速率要能7 `- K+ [4 z8 `7 k; y
满足实时语音通信码率要求。
6 {9 f' ?  c' G8 S(2)有线通信为全双工方式,通信的双方分别在两个信道
$ A- S0 D3 q4 ]! Q* ?$ ^中完成各自的数据收与发。而无线通信为半双工方式,为实% I7 c1 T" H+ ~% O/ Y
现在一个无线信道中收发数据,在数据收发时要进行收发状
& y/ R2 n$ d; p: f; E态的转换及时钟同步。同时,无线通信时设备A发出数据的# Y% f7 H: e1 E& o6 \2 O) ^0 A
时刻与设备B收到数据的时刻有一定延时T。' q! t6 I/ w9 r- s* O% e
(3)数传模块在发送和接收两状态之间进行转换时需要' \5 Y/ |" t6 b2 R0 H, l3 `
有数毫秒的转换时间。, C+ d- a, H" n
霹 fli~辑l S P_M胎4A5l; L' M- {9 T! B- V  |0 _5 |
匝 f r医
7 u% _& y4 v$ l  |, e6 N6 |4 r/ e2 y匪 I团
/ A  \: i5 t0 C' W7 Ul 器
5 X8 f" p, x" n$ B' j; k+ B* T  s3 系统硬件方案及接口电路设计* O4 E/ k- p, U% J# Q! N
我们选用TI公司的TMS320VC5409芯片构建硬件平
# m8 r( k1 z3 b" G, g. Q台,系统的结构如图2所示。正常工作时,通信双方的A/D
, k' S0 l$ V" a" W9 N' v转换芯片(TI 口2OAD5Oc)分别同时对放大和滤波后的语音+ @! X$ p# S. r! F+ D
信号进行采集,经数字化成为每秒8kX16bit的数据流存入! }' O% y: ?( Q6 H
DSP芯片的缓冲区。A/D芯片每30ms发出一次中断要求
. M0 C0 q  Q. o: J1 JDSP对该数据进行处理,包括对语音信号的压缩、解压缩和  |! K6 _2 w+ d/ r7 u" U
加解密,并最终经由标准异步串行接口通过无线数传模块实, n- q5 Q' b, m
现数据收发。: p2 h9 D1 r+ @" \. E# M$ M2 T
DSP与数传模块之间以标准异步串口方式通信,UART
* C# s' {9 v9 c' Q8 a; Y硬件接口设计如图3所示。通信过程中,DSP只需对串口控5 ~, W3 r3 B' o4 M# C
制芯片进行初始化,即可通过标准串口收发数据。对UART
. N, H! E9 Z# L: r! O& D! }8 p的初始化设置见下面程序。" T9 \8 z/ t* d4 j; N9 }1 v
STI M B。AR0
/ @$ r  l' L6 ?4 s6 j5 l; M+ gP0RTW AR0.UART_ RBR_ REG
5 P2 L! z. G! c2 h3 l8 J) aS LM A。AR0
6 ?4 ?/ n0 O/ F  T$ d7 u; k  w3 eP0RTW AR0.UART_ MSB_ REG1 k7 g# m# n: h- p, ?. }
(LS=2 MS=0,即波特率因子为0002h)4 _  G" ?% R% d! b- n
STM #03,AR0
, S2 l7 [% H2 N# e  ?: v- S3 aDO.D7 DO.D7 OUT1\ T1 N T1OUT DCD, 、
$ Z) ?- V7 f2 C  qAO.A2 A .A2 DTr\ T2 N T2OUT DSR 1: D) m+ D: w  @) i* o6 s: v
6! G: x- L  X6 S1 u: y
地址 CSO SOUT TxD 3$ {' E: ^8 P2 x! `+ p
A3.A22 译码 CS1 RTS\ T41N T4OUT CTS 85 N' N8 q* s; F+ C
墨r_L一 CS2\OUT2\ T5IN T5OUT R1 : 9
" ~+ D  I5 R# p6 z" b  g; yR/#W 、 [] RDI\ FTS - 5; \* E  D) B. [  J
#IS LDI WR1\ CST1NS\ R12OUT R211N ’RxD 7 撑10STRB ’DTR 42
8 p+ p5 y/ j2 H. k, Z. ~# B+ bDSR\ R3OUT R31N% h9 |3 b' `+ x, s
撑INT2 NTRPT( t* z/ ?1 b. h
BAUDOUT\# H  I8 e. y* n% E
[ WR2\ RCLK __J; r% l3 S4 T$ r1 }  N' t+ A
1-- ARD2S\# b! }" {' B: C; Z
图3 硬件接口原理图
3 c9 b$ [/ e- M2 q9 G' D  Y/ s. qPORTW AR0,UART_ I CR_ REG% n: m0 k( \. T
(DI AB=0,正常工作状态)4 _3 _* z( K( Y/ c- `7 Y8 T/ l3 V& J
STM #01,AR09 Q! g& P4 M2 e* w# m$ H
P0RTW AR0,UART_ IER_ REG- ^2 i; z# p0 e4 j
(IER—O1,只允许接收缓冲器满中断)0 q0 J& \4 e1 j& P
STM #OBh,AR07 h7 W3 i' A7 `# E$ [
PORTW AR0,UART_
5 }! y  _/ E9 g2 d% _/ ?MCR_ REG
4 u: c; G; f! x5 @* {4 S! oRET; W5 ~0 ~! H0 y: D1 ?. o
3 系统串口通信软件设计$ c; a6 S/ X' g
3.1 通信协议9 r4 Z# u0 N; ]0 U
接口数据包通信格式:) T: E. `' {/ H
匮丑 .·回
$ ]9 a+ D+ y$ P% H(1)数据帧头数据包帧头固定标志0xFF。
4 v5 t) X5 }* Z9 _# D(2)数据长度表示数据内容的长度(包括本字节),该字1 |* F2 Z/ B* e
节数值不大于25,即每个数据包有效数据长度不超过24字
! @$ ?  O7 [& Y4 e7 _节。发送及接收到的数据均遵循这一格式。8 F: @3 K, O! P5 W" u1 T, r
(3)PTR4500每次成功接收DSP系统的数据包后进行数
" b* a( q3 h9 M* l4 `3 ^+ z6 P据打包和纠错编码,并通过无线模块发送出去,然后回送6 O' u4 Q6 H/ N6 L& ?  o! ]( y2 q" l
0x5A,表示发送正确,准备下一个数据包的发送。3 O7 s  J; ?2 d9 ^
该DSP无线语音保密通信系统中,采样后的语音信号经
" O( g0 C/ {$ cG.723.1语音压缩编码和混沌数字加密后,每30ms数据量
; ~9 S$ r; ?4 p& P+ m, u; s为24字节,恰好组成一帧。发送完毕后需额外读取接收端,
/ K/ d7 L' ?( A+ F& r* A收到0x5A表示成功发送。
! q$ w: u1 X# P7 {) o4 半双工通信的处理, ^: q! ?. r, l* I) x! i9 r5 s- Q
半双工的通信过程中只能实现A到B或B到A一条信6 _1 P' X1 e; x
道的数据传输,绝对不能出现两个设备同时发送接收的情况。
" |$ r1 a4 h1 d/ M! b0 `. 为此,在通信过程中使接收机和发射机在同一信道上分时交
8 |+ {0 X8 E7 I5 S替工作,而音频部分则是同时工作的。: B9 D* H/ K# [! N( ]% e8 ]4 Z  m
系统中对语音模拟信号采用8K采样,每30ms产生240
. Z9 r. m; X! X( r2 C8 Qwords数据,经过G.723.1语音压缩编码得到5.3Kit/s或& H& d) m( j( t

  ~/ P5 T: U& }# T" G* u( T, B6期 马赞等:运用数传模块实现无线语音通信的方案设计 693
) H( B# R, M" n! F6.3Kbit/s两种速率码流(可任选一种)。语音的混沌加密并, n$ @! H" t/ t3 j  F+ h+ I$ X
不改变其数据量。也就是说,数传模块要实现30ms之内双
% a0 R6 X) O; P$ [9 Z方各24 bytes的数据交换。这样,对通话双方来说,其语音通5 W- Y' \) ?% M# h7 B. r
信是实时的。通信过程如图4。0 h& _; q% x) }, F3 N( r% X( Q
中断2 V+ y  L# f# x+ I, m, |
一一.. .. . .笙堕 竺
$ |4 J- Z3 F" D4 ~2 3ms 10ms
7 x( [/ }$ \' p( A. E& q, b塑塑L壁 .
4 }( K# {! P0 P) Z, m$ q& S2 3 ms 1 ms
" E  @/ ]$ }+ J& w图4 半双工通信信道占用时间分配
0 Q1 _- U6 ^& s% C) l  D: R' ]# {) F" `4.3 握手通信同步方法
7 X' P$ X- C0 C1 O3 t7 O该方案中A、B两端的发和收是同步交替工作的。因此, i) ^# ~! |. X/ b, f
系统开始通信时,必须首先实现收发端的同步。即先开机者& O5 P3 ?0 g; [2 ]  u
A发出同步字符1,并随后进入循环等待。B启动后亦发出
: J  J& @5 f8 X( _0 G同步字符1,此时,A收到B发出的同步字符1,启动DSP系
4 q" N9 \" q1 H; g统中的30ms处理流程,发送同步字符2。B收到同步字符2' u* _* K9 n  w0 u2 w! o" U
后,随即启动30ms流程。这样,A和B的信道占用时间刚好
& ^; V4 I( h3 Z0 A% r! ]3 q错开,实现了同步,时序如图5,流程如图6所示。
2 n/ W/ ?7 r: G) v( g3 q/ S  `AD使能进入: :3 v  Q+ _4 K3 ?" v
B开机 I30ms流程j 30ms中断;
' }/ d% \9 [4 I圆委翌 蔓 巫圈i i
& Y0 o# k. O# x图5 同步时序图+ V9 T% Y* F* E# ~2 R
图6 同步流程图) t! k* P0 o3 I, m' d+ g
采用发送两次同步字的方法,对先后开机的顺序没有要% H4 ^: M  O& H7 `7 H  R
求。在同步字长度的选择上,我们让其恰为24 bytes,这样可; F6 s6 b( q% N& b. f9 i
以准确控制两边的时序间隔,并实现系统运行过程中失步后
: _0 C/ s9 H3 ^; I. h  k# d: {0 i的再同步。在同步字中如果加入身份认证信息,还可实现多
3 |* k$ k2 _3 n8 B" P机通信的身份识别。/ r, ~' B. j- }' J
5.4 数据的乒乓方式存储; v6 C6 K! w) W7 ^1 d
在系统运行过程中,通话双方的数据交换非常频繁,每
& V9 u, l! Y9 M+ g/ @30ms一次定时更新数据,由于串行通信中的数据接收采用中
* z8 t: [) ]; w+ e5 @9 q断方式,中断响应程序需要对数据进行解密解压操作,可能出
- F! N3 H& ?% o. E# a/ r现一帧数据还未处理好就被下一帧所更新。为避免冲突,程
/ ^: l( W3 P* Q6 X7 b8 R序中采用了乒乓存储方式,即将长度为N的数据缓冲区扩展
1 D3 X8 d) k. A( z/ ]" f为长度为2N的数据缓冲区,中断进来的数据根据数据存储
5 O3 d! C) z9 C" k4 R地址指针分别填人两个数据缓冲区,数据处理时亦根据数据
8 T6 H$ x/ P# I- S, s存储地址指针选择一个半区进行。, x. _+ S3 t4 {( y) P  r; O5 O8 I
5 结束语7 q% w* S, U/ G; K  b
实时DSP无线语音保密通信系统采用了以上介绍的几
5 M  d; H% k  T' Z8 {种串口通信处理方法,在实际的运行过程中证明:这种数据通
9 Y8 v1 u" }, u) w5 c! K信的结构是合理的,系统总体方案是可行的,它数据获取准
: r: x. P6 `3 b/ D) O确,通信过程控制方便。同时本通信程序可移植性好,对同类
* k, _  H, \  n, H% [9 a" Q系统的数传模块串行通信设计和实现有一定的启发。
( j$ K2 j; s9 q2 E# k' Q
3 d+ Q/ K1 o, I/ e1 [) [
9 O0 G6 V; _4 B( m1 A& C. I& i/ O3 |
0 @2 q# I  h5 K9 r6 {1 E; M$ s, ?1 J! M" U
专业无线总汇
, l2 S) N6 _. s6 D& a4 nQQ:1002421875 无线技术交流群(群号81070007  65332649 )
1 |* D5 P* E9 mMSN:yunjiakeji@hotmail.com
+ ~) V1 i5 R8 `; WSkype:yunjiakeji EMAIL:myb33695@163.com
2 E- e+ h, R2 x! BPHONE:13430970167    http://shop35991384.taobao.com
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发表于 2010-12-1 18:37:01 | 显示全部楼层
我也想得到"高新技术研究基金的支持". , A6 C2 }1 \7 X6 Y
前几天我也在感叹,我怎么变成了一个废人.做的产品,一点创新也没有,对于民族的供献一点也没有.甚至,以为骄傲的数字对讲机模块,最后发现,现在的工作量只完成了一半.非常感叹. 对比论主发表的文章,更是以感叹,我们国家的民族产业,怎么就这点水平吗.0 \% ^/ E& P! m8 p" c( Y
我先说说我们的做说,大家可以对比一下.   对于语音编解码,一定要选择一颗 dsp,其主要的原因:mcu只能做 adpcm,比较简单的算法,就会有一个问题,bps波特率下不来,同时adpcm具有相关性,根本就行不通. 其原因是如果你压缩不是很高的话,做无线时灵敏度就上不去;大家可以记一个经验公式; 4kbps,8kbps的灵敏度相差一般是 3dbm, 当加了lna的话,会相差 2dbm左右.除此之外,如果你用的是mcu,你的DA,AD有问题,有人说用pwm,最后会发现听上去有金属声.听感不好.当然客户接受的话另当而论. 对于DSP,大多数人都会选择TI的,最主要的原因是因为它的语音编解码不需要自己去做,完全可以调用其库函数.这是一个完全不考虑成本的做法. 而且电流也比较大,在我看来不是做工程的,做学术研究还可以. 对于RF,首先考虑的是应用,认证,所以一定要选择窄带RF,有人说用cc1100做数字对讲机,完了,这就做错了,根本不能买.因为有监督局会抓你的.   对不起,要上去带孩子,吃饭了.有时间大家一起讨论. QQ:3637323
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