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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  R/ S! E  V) E/ H+ g# ?; |7 [5 d* G$ F

  r0 h0 w- d$ [( v9 k在各种通信系统中,无线语音通信系统应用广泛。但由
4 }0 k3 n9 Q' H8 b1 o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
3 |- g9 n3 e" R( V0 V量、传输延时、系统工作的可靠性等有着更高的要求。
8 Z) Q2 |; I6 l# I  C5 w7 L本文提出一种基于DSP平台构建的一种无线语音保密
. \/ q& G0 h8 z通信系统,采用无线数传模块实现无线保密语音的传输。文! {8 q2 F, r3 U) Q6 V
中着重讨论了其数据传输交换部分的软硬件设计。
& f7 d, ^( N8 n* g( m8 Tl 无线数传模块% p) G( S: E7 g4 f
无线数传模块是由射频模块及外围控制电路组成的在无) D8 g$ R" n/ R  k) c& v  g
线信道上进行数据传输的电路,结构如图1所示。在短距离
7 L& k0 d1 J% ?. _' f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
( W, T, p* j% ~8 Y9 a, w- Q0 {$ T7 w廉等优点。
; X) o) @) Z9 E图1 无线数传模块内部结构
6 M" b) M( }+ i9 m8 s! o& f( [7 w数传模块的串口在接收到串行数据信息后自动形成一帧
8 d' D! }4 I1 X( {; G1 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1 _( Q  ~# t& `' I
本文于2O04一O6—25收到,2O04一O9一o3收到修改稿。
3 ?5 P7 N) ~  |4 A* P*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。
# k$ n+ e5 X; [' |) I到尾部,并进行前向纠错编码(FEC)重传,然后再加上比特同' W/ V$ w# T/ v( z7 R
步、帧同步,送调制解调后在无线信道上传送。接收方在收到2 ?; Q* x+ a2 {
无线数据后,通过比特同步,帧同步后,进行大数判决,纠错译( }6 p2 H+ D, l' g2 p
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
! d* @" N6 G. d6 z+ q  ]3 v  r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
2 r2 O, j! T7 ]9 N+ \应用,串行数据的收发不加任何协议,对用户进行透明传输。, o) [# W. E& R  z  f* {
本系统选用PTR4500型数传模块,该模块射频部分以
, l& ]& ?1 c) U+ s* Z: k0 x* knRF24E1芯片为核心,工作在2.4G开放频段,最大发射功率
8 q% S! o* q* _6 l  T0dBm,在视距情况下可靠传输距离超过1000m。在复杂环境( W4 G/ H* L3 k9 v, G8 c
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; Q6 k# ?! d5 Z
进一步处理。该模块具有125个频道,满足多频、跳频及点对
# {8 r- p, Q+ j$ ]& j点、点对多点无线通信的需求,无线速率最高1Mbps,内置硬1 M) P- B, Y5 ]5 _/ P9 R: k
件CRC纠错编码,具有可靠的无线通信性能。提供RS232
9 c; y" l. i4 K标准串口,串口最高速率115200bit/s,使用方便。模块收发, B: q3 q1 ?8 H8 X9 j! ^
延时10ms,状态转换时间小于1ms。- W$ `# w4 l, T& `$ D/ S
2 无线数传模块的通信特点+ E7 W2 z* W! K* p8 j( w
利用无线数传模块构建无线信道实现语音通信,在硬件
  v2 K2 f: ?3 h- R& j  p/ V1 N连接上可视为一个两端口的传输设备,分别对应于TX和
& v* c' p! p6 d维普资讯 http://www.cqvip.com; G0 E" x( [- d% K, ?8 W% T" o
692 微计算机应用 2005钲
$ Y7 {- _. L. W! J: KRX。但与有线连接方式不同,无线信道通信方式有几个特, M  P( i, ?  S
点:- ~! n) G1 `: R( K, x2 i6 ^# e
(1)通信中串口数据的帧格式、串口速率为一固定值,程
7 z; J, F* F$ f& B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1 N: K. q: Q' ]- c* Q; [
满足实时语音通信码率要求。/ C  R: d: ?# K+ N5 l; U
(2)有线通信为全双工方式,通信的双方分别在两个信道4 M& z8 V8 j; r0 d# t
中完成各自的数据收与发。而无线通信为半双工方式,为实6 O# O+ h+ }# Z. k5 Z
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$ j- Y5 k! |) z- L3 N3 \
态的转换及时钟同步。同时,无线通信时设备A发出数据的
8 L3 o2 K% I1 g时刻与设备B收到数据的时刻有一定延时T。* D+ B2 G8 u. m7 D# W& k
(3)数传模块在发送和接收两状态之间进行转换时需要
4 T1 T8 T' w) C) z, O3 f3 r# {6 W有数毫秒的转换时间。
" T1 E: R3 i1 ?1 I7 M1 L霹 fli~辑l S P_M胎4A5l& n$ [, L) p& ^
匝 f r医
0 K8 P4 K- n9 F: o( P9 S. ~  O匪 I团+ v/ A/ X8 W# O
l 器
9 d& M# ?  }" P3 系统硬件方案及接口电路设计' B, j% @% r, ~+ G# |. C# X
我们选用TI公司的TMS320VC5409芯片构建硬件平9 j( Y+ Q. b- W+ _7 P8 R
台,系统的结构如图2所示。正常工作时,通信双方的A/D
# G# c1 A, E1 A, B+ N转换芯片(TI 口2OAD5Oc)分别同时对放大和滤波后的语音
3 I" r% \0 w. c8 u6 n1 `" _- A# c信号进行采集,经数字化成为每秒8kX16bit的数据流存入
  e- X& O6 _' _( L0 A  QDSP芯片的缓冲区。A/D芯片每30ms发出一次中断要求7 d) T: @) ?- k7 W+ o9 d
DSP对该数据进行处理,包括对语音信号的压缩、解压缩和
0 k$ G# R+ `3 U7 a& v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& f" z, P5 }7 [# @
现数据收发。0 J6 o1 J+ E- u$ i
DSP与数传模块之间以标准异步串口方式通信,UART% ^( f" y: i* D# o6 l& Z' b9 k
硬件接口设计如图3所示。通信过程中,DSP只需对串口控/ o: X* b" s7 P8 ?- N( d
制芯片进行初始化,即可通过标准串口收发数据。对UART
+ W& s4 k" `: w+ l的初始化设置见下面程序。
/ |  |+ z: }8 {" l) a& ISTI M B。AR06 ~; M7 x: j  V* c: {6 [+ J
P0RTW AR0.UART_ RBR_ REG
) d# f6 t9 ?& n+ HS LM A。AR0
! v& s/ I- d% G% RP0RTW AR0.UART_ MSB_ REG' z& r; E: E  W1 n/ l
(LS=2 MS=0,即波特率因子为0002h)
# O+ h/ k! S1 d, d( mSTM #03,AR0
3 d" z+ e+ r. @8 X$ \. I" YDO.D7 DO.D7 OUT1\ T1 N T1OUT DCD, 、7 [% v6 U9 p3 j$ K, V: [0 D
AO.A2 A .A2 DTr\ T2 N T2OUT DSR 1: K' c/ ?: x( O( k$ D
6
' ~+ B" a- K) T/ F: q3 M4 A1 z地址 CSO SOUT TxD 3- A) u( D: l5 Y* P7 ]
A3.A22 译码 CS1 RTS\ T41N T4OUT CTS 8% [$ |# }. P0 I0 `9 i8 }7 m, B* {
墨r_L一 CS2\OUT2\ T5IN T5OUT R1 : 9* K0 M8 S) {% ?% t  ^9 q
R/#W 、 [] RDI\ FTS - 5
) @) l1 L; f  S/ E2 M% ]5 N#IS LDI WR1\ CST1NS\ R12OUT R211N ’RxD 7 撑10STRB ’DTR 42
; N: l% h/ r7 HDSR\ R3OUT R31N' v+ H( S, V# Z; @
撑INT2 NTRPT
& Y. D4 O# [. T) {BAUDOUT\
( T) w' q7 k1 a" A8 K) K[ WR2\ RCLK __J
+ j5 |" H3 F% S# Y& {1-- ARD2S\- C  }; t/ N% L
图3 硬件接口原理图
6 ~5 \) W4 [( w( p9 C9 kPORTW AR0,UART_ I CR_ REG0 G1 J/ K2 a" ?* w% w) |
(DI AB=0,正常工作状态)( C- M2 k1 @' w7 Q, U
STM #01,AR0
1 ~) ]: V' E9 D: C: iP0RTW AR0,UART_ IER_ REG$ Q: q; D* w" M6 N8 F: B" l
(IER—O1,只允许接收缓冲器满中断)
: n+ q" V8 ^  BSTM #OBh,AR0
/ p4 o- H, ?. t5 c: `) x8 k2 ^PORTW AR0,UART_3 a8 d) z0 o1 P% j
MCR_ REG2 l& q, T/ N. u. R! d2 t% x" ]2 F
RET
. B- j/ r  s( v3 系统串口通信软件设计6 h/ Z  A8 k( k4 X
3.1 通信协议
, I0 C5 `0 n) h+ L6 ~0 ?0 l接口数据包通信格式:
: M. y7 [6 n! L2 `匮丑 .·回
* v- B% {; r4 i: z  K" l(1)数据帧头数据包帧头固定标志0xFF。
9 T0 |: k+ b: i) w(2)数据长度表示数据内容的长度(包括本字节),该字
1 H9 I! C* S# x. u5 p% `2 r节数值不大于25,即每个数据包有效数据长度不超过24字  J" W1 s- N% F3 \  A: S; q$ u
节。发送及接收到的数据均遵循这一格式。* B5 N$ l4 b7 P- L0 v( B
(3)PTR4500每次成功接收DSP系统的数据包后进行数
" a* `5 d8 X) J  N# R  c+ Q据打包和纠错编码,并通过无线模块发送出去,然后回送& C# a6 f4 g2 \% G" ]
0x5A,表示发送正确,准备下一个数据包的发送。! E3 }9 }/ J3 u1 c7 D
该DSP无线语音保密通信系统中,采样后的语音信号经
, ^2 G+ Y  Z) d# w5 GG.723.1语音压缩编码和混沌数字加密后,每30ms数据量
. |- t1 U8 C0 Y6 w为24字节,恰好组成一帧。发送完毕后需额外读取接收端,4 [4 C! Y  t2 k1 d
收到0x5A表示成功发送。
' S/ H" Y' u* \: p) |5 q4 半双工通信的处理
/ z: A  n, Y' f; P! O半双工的通信过程中只能实现A到B或B到A一条信: X- t+ W+ A$ O1 o' \: \
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。
# r2 M6 N) ?4 Y, u. i' d6 O% _. 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! I6 `0 c) y; ^7 E" V
替工作,而音频部分则是同时工作的。
5 `( q# [* ]7 ?' A$ K9 l# B& C系统中对语音模拟信号采用8K采样,每30ms产生240- I9 j  @7 n$ n/ d- C
words数据,经过G.723.1语音压缩编码得到5.3Kit/s或5 {1 j9 u# ^  v$ g, U0 W

& }  S( B0 {3 T( ^; I7 y6期 马赞等:运用数传模块实现无线语音通信的方案设计 693
) z4 ?  w+ S# V9 W6.3Kbit/s两种速率码流(可任选一种)。语音的混沌加密并* c( J, k* W9 Y1 A. `' a
不改变其数据量。也就是说,数传模块要实现30ms之内双
6 }- S* G) ~/ s! U6 S" W# C8 ?  j6 {方各24 bytes的数据交换。这样,对通话双方来说,其语音通- J$ y; X4 g9 z+ q8 S
信是实时的。通信过程如图4。, w2 @5 x1 p# V% j
中断
5 T- c/ @8 o7 i* `7 \6 ?一一.. .. . .笙堕 竺
2 D& v! ]  ?! k% [6 f6 U2 3ms 10ms: z! d% ?# D4 v7 N# u' h8 \* s
塑塑L壁 .' W9 ?! Y  m$ r, R' F
2 3 ms 1 ms3 L2 K3 ^! \6 ]! {
图4 半双工通信信道占用时间分配
! M3 G5 R* U0 {; `6 A- w7 G4.3 握手通信同步方法( o0 |: z. f5 w# O
该方案中A、B两端的发和收是同步交替工作的。因此/ ?2 ]6 S  R* G" U* }7 w
系统开始通信时,必须首先实现收发端的同步。即先开机者# F4 q; [  h# e0 n, u* j
A发出同步字符1,并随后进入循环等待。B启动后亦发出; `: l& }$ Q0 W7 w5 a
同步字符1,此时,A收到B发出的同步字符1,启动DSP系0 S3 Q+ }# B8 o% r5 V4 I/ N+ ^2 A
统中的30ms处理流程,发送同步字符2。B收到同步字符2  `8 g+ w6 z( C9 M+ j6 I$ M
后,随即启动30ms流程。这样,A和B的信道占用时间刚好: I5 h) G' ?$ ]$ C2 D2 r+ X  t
错开,实现了同步,时序如图5,流程如图6所示。5 g! ?! D7 v7 {& V; b6 E
AD使能进入: :
8 j: I0 m& a- v9 FB开机 I30ms流程j 30ms中断;
" X% K; @' S- R. s( F! _7 Z圆委翌 蔓 巫圈i i
& F, h+ h1 j$ f0 c& u( U$ ]图5 同步时序图! q1 V" t" |4 v5 o1 {$ f% W7 w
图6 同步流程图
& N3 x' l2 b% O! ]采用发送两次同步字的方法,对先后开机的顺序没有要
2 N1 d% e2 D( S$ M求。在同步字长度的选择上,我们让其恰为24 bytes,这样可
/ V1 [0 C# n& _  R2 R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5 R, }, i  r. Q* b, ]9 `
的再同步。在同步字中如果加入身份认证信息,还可实现多
& Y( {; q+ |+ d! R机通信的身份识别。
  N  Z0 ~3 P# I4 m4 m8 B5 k5.4 数据的乒乓方式存储
! i, J# L& Q+ H4 R" ?. b! u: ]在系统运行过程中,通话双方的数据交换非常频繁,每# k# n" S3 D" E$ y; v4 p; k# \
30ms一次定时更新数据,由于串行通信中的数据接收采用中
4 o* u4 ~' c1 Q- g- x4 y- Q2 H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1 a1 f+ T' }" m7 r6 ^3 T8 G" j
现一帧数据还未处理好就被下一帧所更新。为避免冲突,程
5 ?7 |- `: W( I, m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! Q$ s# a+ ~& B) o: W. z, i" ]( b
为长度为2N的数据缓冲区,中断进来的数据根据数据存储
/ G( C1 J0 c: X9 t: l) X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
  ?5 I3 [$ u/ [6 T( H存储地址指针选择一个半区进行。
5 S& @' p$ V# v# T  a6 q. ?5 结束语- k2 I; V' G! |$ M
实时DSP无线语音保密通信系统采用了以上介绍的几
( w( \, g* C/ l8 e9 y, U: Z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7 Q9 Y* Q' |& [% r9 \0 t/ ~. o
信的结构是合理的,系统总体方案是可行的,它数据获取准
2 j4 |5 R: J# ]; u: ?- V3 E确,通信过程控制方便。同时本通信程序可移植性好,对同类
9 r, D' C- t( _, f! t' n系统的数传模块串行通信设计和实现有一定的启发。
7 s, h) f+ U4 a- k% @: @! x1 u, v7 w" }# M  R  n4 w. s
6 m5 k. n( X& M) E; C" h- t; b  f
- w5 G' N) @: J, b) F
4 m: L% I) b- G' `4 v: G% C2 e# D* r
专业无线总汇, k. f. K7 [0 z9 P/ ], P
QQ:1002421875 无线技术交流群(群号81070007  65332649 )
& i, u% t8 d% B6 eMSN:yunjiakeji@hotmail.com
8 m; \0 i* `# e  cSkype:yunjiakeji EMAIL:myb33695@163.com
8 Q* V6 g# ^( Q* r. P$ x) V* kPHONE:13430970167    http://shop35991384.taobao.com
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天使

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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". ! t+ r4 _+ ]4 `6 A
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.
! u' r8 ~; v5 l# h% y2 z" k1 I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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