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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
5 Q( P1 J9 I( Z( u; K  i% X- v
; ?: ?4 O% C5 T; ?. F  P- ]- P在各种通信系统中,无线语音通信系统应用广泛。但由
$ t- Y9 m) L1 M- y$ C. G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 O8 E5 F( r2 K/ H" Y- }" v1 s量、传输延时、系统工作的可靠性等有着更高的要求。
( F: `. H4 J4 y2 Q  h" u本文提出一种基于DSP平台构建的一种无线语音保密
7 U. B3 s) B9 J3 _: z$ a0 M通信系统,采用无线数传模块实现无线保密语音的传输。文
4 c4 j! R! ^% I* T8 b中着重讨论了其数据传输交换部分的软硬件设计。
5 F( {' p9 \7 g; Z' sl 无线数传模块
4 L3 g- {( t, K; I无线数传模块是由射频模块及外围控制电路组成的在无  W! h/ |8 l$ z" B
线信道上进行数据传输的电路,结构如图1所示。在短距离. j/ j4 g+ L0 M+ M2 V: i
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
* y, ], j, U5 I3 t& h廉等优点。' M) J# u7 o! `' `! j9 x
图1 无线数传模块内部结构
2 X! B, V8 j6 a- a4 i数传模块的串口在接收到串行数据信息后自动形成一帧1 o2 w! J5 a! |! L
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5 e6 Z8 n  Q& r. z5 B8 S2 x
本文于2O04一O6—25收到,2O04一O9一o3收到修改稿。  F& \* o1 ?' _5 E( ~
*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。
2 `. i: J! G- ?/ o: n9 n到尾部,并进行前向纠错编码(FEC)重传,然后再加上比特同
. z" {8 }7 U6 W/ J: 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
3 U5 ^3 a7 ?: V$ W. V无线数据后,通过比特同步,帧同步后,进行大数判决,纠错译) I; {; N/ a. B5 }5 C2 V- U
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
( k* a  N  }8 z) V' _. E( w3 ~: Q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
, b4 N( C: R( l" [' s应用,串行数据的收发不加任何协议,对用户进行透明传输。0 r' O$ k; V: m# j) [
本系统选用PTR4500型数传模块,该模块射频部分以
+ i- E' S8 }; n! ?# |; D$ MnRF24E1芯片为核心,工作在2.4G开放频段,最大发射功率" }7 z) R% r) `
0dBm,在视距情况下可靠传输距离超过1000m。在复杂环境
. g! s7 f) B5 M  x8 U2 G1 P9 c* n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8 l, U9 J4 F/ `' J9 Q, h) ]( O7 H/ C
进一步处理。该模块具有125个频道,满足多频、跳频及点对
6 U3 F' v+ E, K4 F9 d( ~点、点对多点无线通信的需求,无线速率最高1Mbps,内置硬
! i; z$ r2 T5 ~8 Y9 N; s; S9 L: w件CRC纠错编码,具有可靠的无线通信性能。提供RS232, Q# D1 _4 K% t9 h. l
标准串口,串口最高速率115200bit/s,使用方便。模块收发( ^5 G( u" t( v$ K
延时10ms,状态转换时间小于1ms。
! p2 z* L7 H! U0 b1 J7 y4 C+ M$ {2 无线数传模块的通信特点
. Y- a' b2 o7 g; l- T& ]利用无线数传模块构建无线信道实现语音通信,在硬件
2 a. q. e- L& w& z连接上可视为一个两端口的传输设备,分别对应于TX和
" i( f0 o& r  W- V1 O4 Y3 v7 _维普资讯 http://www.cqvip.com# b% c4 R6 b( D  e4 N
692 微计算机应用 2005钲, H4 s0 R$ x; D% Z2 }/ q
RX。但与有线连接方式不同,无线信道通信方式有几个特
+ u$ Q" p+ E$ T. M  S" S  K点:
- P  y7 Z8 s3 Q* T(1)通信中串口数据的帧格式、串口速率为一固定值,程( h1 n, ?2 c) T* _. J7 V( e
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
, [$ A2 Y# I' e+ N& F. J* F4 U满足实时语音通信码率要求。0 J* E$ [+ U: H. f. _  I
(2)有线通信为全双工方式,通信的双方分别在两个信道" Q: f# I, i; o/ I
中完成各自的数据收与发。而无线通信为半双工方式,为实. d' x; g% }2 m. @  W
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8 ]1 L/ {4 H3 q7 E8 e$ 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/ p9 S9 f! Y$ m
时刻与设备B收到数据的时刻有一定延时T。
6 [' T" q! C1 A+ W4 D, ^(3)数传模块在发送和接收两状态之间进行转换时需要
; e& v1 ~* P! I6 g. e" Q有数毫秒的转换时间。
6 ?# g& W  r1 B3 O+ O! V霹 fli~辑l S P_M胎4A5l+ \: y# J/ u# A
匝 f r医. c' M) Q7 k) y
匪 I团) T) a4 B% D" J9 [* x
l 器) q6 g4 l& S9 o$ _1 u" C
3 系统硬件方案及接口电路设计
" |0 c. I, f1 z# y7 y我们选用TI公司的TMS320VC5409芯片构建硬件平+ f3 ^2 H! U" a+ v
台,系统的结构如图2所示。正常工作时,通信双方的A/D
/ {. K9 E) K. Z/ q- B; o+ X转换芯片(TI 口2OAD5Oc)分别同时对放大和滤波后的语音: \5 H) J: j& `4 v. h) s
信号进行采集,经数字化成为每秒8kX16bit的数据流存入& A' H3 D: C* u4 n" l& ?
DSP芯片的缓冲区。A/D芯片每30ms发出一次中断要求
  m: l; {6 W2 d2 r; G1 hDSP对该数据进行处理,包括对语音信号的压缩、解压缩和
" o) o  S- B( Q. U0 k; Y7 P7 r  X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6 ?" |5 B& y, t, k
现数据收发。
, f. e8 D/ l, |" o# y7 k: nDSP与数传模块之间以标准异步串口方式通信,UART
& A' j3 B- m/ j1 ]: \" {硬件接口设计如图3所示。通信过程中,DSP只需对串口控
$ y0 W: r0 P( V+ [  l) y& |制芯片进行初始化,即可通过标准串口收发数据。对UART
. q2 ~* W8 C& O7 O的初始化设置见下面程序。, }+ c  ^( M. G% ^, [6 E3 }7 p/ x3 n
STI M B。AR0
! m! P" e! T6 j9 {1 [9 |P0RTW AR0.UART_ RBR_ REG5 `! E5 R; O0 X; u( Q) G8 @
S LM A。AR0
8 Q# L( M% P2 ?; v9 w# Q0 hP0RTW AR0.UART_ MSB_ REG
* `: }" s6 g4 R; {) a(LS=2 MS=0,即波特率因子为0002h)
3 d7 H: R3 G+ R+ q( m* gSTM #03,AR07 }* m& K, W# ~# g! ~+ v6 A5 A
DO.D7 DO.D7 OUT1\ T1 N T1OUT DCD, 、
0 k4 c, I1 I# E+ DAO.A2 A .A2 DTr\ T2 N T2OUT DSR 1
, L; |  ?! E3 b6
9 e9 F2 E( P- i4 \9 x地址 CSO SOUT TxD 3
, c8 k- l8 c. C3 ]% d( ZA3.A22 译码 CS1 RTS\ T41N T4OUT CTS 8) [3 n& y4 d, j, r
墨r_L一 CS2\OUT2\ T5IN T5OUT R1 : 9
; i6 L' D, D1 Q7 u3 y% ]R/#W 、 [] RDI\ FTS - 5
( ]( q* f/ V! F) H4 t! j3 q#IS LDI WR1\ CST1NS\ R12OUT R211N ’RxD 7 撑10STRB ’DTR 42
  W) ^, `0 Q  M- M1 ^0 o) P( oDSR\ R3OUT R31N  R( W2 i: A/ p( D
撑INT2 NTRPT/ n# P1 A: }4 w5 l, g8 F9 W
BAUDOUT\* T& R* p6 i% F: f/ H
[ WR2\ RCLK __J
! V% p7 }: T6 T' a  L/ S- k4 e1-- ARD2S\8 Q% u( X6 r( A5 J2 B
图3 硬件接口原理图
3 q$ V0 n% H. q& B( b" u0 ^PORTW AR0,UART_ I CR_ REG6 [7 D, J6 P+ S6 Z( |) ^* i
(DI AB=0,正常工作状态)% U" f8 ?+ Z& T# j
STM #01,AR0. U) X3 g2 D8 f! ]
P0RTW AR0,UART_ IER_ REG; ]9 ?% Z/ s! I
(IER—O1,只允许接收缓冲器满中断)1 D, ^! Q2 P' n/ V
STM #OBh,AR0
+ n3 i& i/ F3 N2 T8 BPORTW AR0,UART_  a; p1 h+ a/ d6 a! o6 p0 K3 z
MCR_ REG
# C& {- e  j- a! oRET6 j) x0 T' l7 C+ f
3 系统串口通信软件设计
0 V( q1 O& O: W( T& h3.1 通信协议" m* f, r) w4 d0 q# ^4 L
接口数据包通信格式:
8 o& y2 Y" b* x6 \, d8 a0 A0 a) t匮丑 .·回( U- r+ t/ B% B* I: P
(1)数据帧头数据包帧头固定标志0xFF。% z  U* ^7 B' x0 a: C# q
(2)数据长度表示数据内容的长度(包括本字节),该字
# `( z! Q9 v8 {, t节数值不大于25,即每个数据包有效数据长度不超过24字
9 f, B2 U+ H# b& Z( L节。发送及接收到的数据均遵循这一格式。  A3 @' W. u& Z
(3)PTR4500每次成功接收DSP系统的数据包后进行数
6 a( ^8 Z& n0 P: }: h- g) e据打包和纠错编码,并通过无线模块发送出去,然后回送
- U) p0 F8 a) T2 J5 i0x5A,表示发送正确,准备下一个数据包的发送。
# d3 ^1 a0 }: t7 S) B该DSP无线语音保密通信系统中,采样后的语音信号经/ E! V0 B1 l' v; Q8 J0 T. U/ _
G.723.1语音压缩编码和混沌数字加密后,每30ms数据量" W3 q4 p' J5 ]6 u- @9 Q3 L5 q
为24字节,恰好组成一帧。发送完毕后需额外读取接收端,+ ?+ L4 G# R/ r
收到0x5A表示成功发送。
& z% f7 Q2 D5 m. G$ p4 半双工通信的处理
; L1 H( A1 t4 K6 ?半双工的通信过程中只能实现A到B或B到A一条信- m6 Q3 ~5 G) F) }8 S
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。
9 K9 D. s7 U+ R. 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
+ I* V; b% [6 `7 ~- s: |' j0 D5 _替工作,而音频部分则是同时工作的。
2 G+ w) A, |* n1 ]: M系统中对语音模拟信号采用8K采样,每30ms产生2401 m+ u6 {# ^7 R
words数据,经过G.723.1语音压缩编码得到5.3Kit/s或8 s# A9 x5 g2 d% O- z7 |

9 q7 f/ L& H9 q3 `3 T* t" A; ^# D6期 马赞等:运用数传模块实现无线语音通信的方案设计 693
- B' }" v  Z, G0 l# Y/ M' i6.3Kbit/s两种速率码流(可任选一种)。语音的混沌加密并- f9 r2 o& Q5 B% i# y
不改变其数据量。也就是说,数传模块要实现30ms之内双8 w% R7 m9 Q6 b; E
方各24 bytes的数据交换。这样,对通话双方来说,其语音通9 s0 w8 }& D, D# Q/ m4 H, M  v+ h+ G
信是实时的。通信过程如图4。  b1 d- i2 W3 H, w  F0 w$ i
中断0 F  r5 N; z, v2 C+ C
一一.. .. . .笙堕 竺' k: ^/ S7 u- u
2 3ms 10ms! s: j7 R/ v4 x( ~+ C' x3 B
塑塑L壁 .
9 h& ^9 w& ^. y" V# t2 3 ms 1 ms
' x+ e- F1 |$ y+ d( v图4 半双工通信信道占用时间分配
( [. E2 S3 S5 a( Z7 F4.3 握手通信同步方法
3 W: v& t  O4 L$ W1 i+ n7 M该方案中A、B两端的发和收是同步交替工作的。因此
* A* s8 Q) X/ E# o. B' o系统开始通信时,必须首先实现收发端的同步。即先开机者. M$ [' U) Y! C' c2 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1 ?. _# G( m$ V  `( W+ K, a5 K
同步字符1,此时,A收到B发出的同步字符1,启动DSP系  C4 r( G0 H0 |4 a" o3 _
统中的30ms处理流程,发送同步字符2。B收到同步字符2
4 g9 g) Q$ f$ f$ \) c) S后,随即启动30ms流程。这样,A和B的信道占用时间刚好
( Z' j: w7 X4 a错开,实现了同步,时序如图5,流程如图6所示。3 L, B$ O2 j& d) g/ R/ ?' n- F
AD使能进入: :. _4 \! t0 l. e+ ?) j
B开机 I30ms流程j 30ms中断;
3 Z# d  i" v! V4 r! U: F( Y3 j圆委翌 蔓 巫圈i i* e4 l9 ?  A; \  U- ~
图5 同步时序图$ p/ M2 k9 B+ z) v% I3 Y
图6 同步流程图$ e) d' w/ _3 v! d( I/ Q
采用发送两次同步字的方法,对先后开机的顺序没有要5 H% H5 `: o4 f9 R. x
求。在同步字长度的选择上,我们让其恰为24 bytes,这样可, [( c, T5 D/ N! ~! W. Z4 N& ]
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
. m; b! e6 Y' [# R的再同步。在同步字中如果加入身份认证信息,还可实现多
4 R" O7 a4 W' P2 Q; c* Q机通信的身份识别。$ R. C- U8 C0 ]% N) F
5.4 数据的乒乓方式存储% ^3 T4 A+ z+ g5 E
在系统运行过程中,通话双方的数据交换非常频繁,每! D8 f/ X. ~  _9 {# v' i  \7 g! N/ 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( w& b" G/ D$ P8 N
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
! ?/ z+ d; x$ w现一帧数据还未处理好就被下一帧所更新。为避免冲突,程
/ v, P! h/ D( I6 u9 ]3 G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
  Q3 v: Y0 G* u( q为长度为2N的数据缓冲区,中断进来的数据根据数据存储# C# d8 B7 q# l# W! 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/ [. W& u1 S0 x1 O8 H
存储地址指针选择一个半区进行。* E9 ]1 [/ \0 P! L6 p
5 结束语" a% y; \6 q2 X- k& y
实时DSP无线语音保密通信系统采用了以上介绍的几% o7 h8 o4 `( g: \8 V" 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
4 h7 O' ?) Y/ s! X# g信的结构是合理的,系统总体方案是可行的,它数据获取准- f; h% ?7 \8 T! J5 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! A1 D  F8 d5 `. g% W7 k8 R& u$ ^
系统的数传模块串行通信设计和实现有一定的启发。- V, L( M3 }' W8 w

; X  K/ S* J4 w$ W3 x. D' _
% N7 m3 q( Q7 f+ s# U2 q/ X& C! Y  K* w/ w

/ g2 b0 A8 X0 d3 O; I专业无线总汇$ a) W6 q6 g& g3 o. \
QQ:1002421875 无线技术交流群(群号81070007  65332649 )
8 J; T0 {1 U* WMSN:yunjiakeji@hotmail.com
. B, @) w' L6 h! D& v5 p; oSkype:yunjiakeji EMAIL:myb33695@163.com
* v$ m; k. Y$ U, U( I$ VPHONE: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".
2 p( s2 k& u. T* k5 R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.
' y6 O9 [: \' B1 x$ O' u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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