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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
4 Z+ y) m7 |+ ~- |$ Q1 M1 H
$ H- m8 e+ K8 ^) {在各种通信系统中,无线语音通信系统应用广泛。但由
+ i3 [% [  Z8 ]" ^5 n3 Z% H6 Z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. L! u. z% L3 ]$ Y
量、传输延时、系统工作的可靠性等有着更高的要求。# @2 @8 P( Y$ N& D0 c
本文提出一种基于DSP平台构建的一种无线语音保密
5 i& \. d, x3 B& l. ~! a; p4 c$ t, L通信系统,采用无线数传模块实现无线保密语音的传输。文
% j1 N/ t1 h+ Z9 R" w' T* S6 T中着重讨论了其数据传输交换部分的软硬件设计。8 W6 Z3 n4 r9 U; i" b
l 无线数传模块
) |; K7 e# }! D0 A# O" ^无线数传模块是由射频模块及外围控制电路组成的在无
6 J: T- E5 W6 n线信道上进行数据传输的电路,结构如图1所示。在短距离1 C& s5 b* {* z2 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
6 p; j1 @  e# t0 t: I1 w% Q$ h廉等优点。
, M# I; `# ]8 _$ C) n图1 无线数传模块内部结构* z6 H" H7 o& {5 e0 z
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 F  ^4 l/ g. i% P" V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 m9 }! |/ H  T7 R. R+ I本文于2O04一O6—25收到,2O04一O9一o3收到修改稿。1 o- V2 e' c/ f% y0 v2 U
*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。
+ }$ n" f4 s5 j/ i到尾部,并进行前向纠错编码(FEC)重传,然后再加上比特同
' M8 H7 |' n3 c) l  H步、帧同步,送调制解调后在无线信道上传送。接收方在收到. p8 _9 }$ F; ~0 }" R* B
无线数据后,通过比特同步,帧同步后,进行大数判决,纠错译
/ X$ P" I: S$ ^( g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
+ o8 m( M) d( W+ R7 \8 h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3 z; Y/ [* d8 e( b# Q' w
应用,串行数据的收发不加任何协议,对用户进行透明传输。7 I* M5 g% F0 i2 Z
本系统选用PTR4500型数传模块,该模块射频部分以
% Q9 w7 T/ g) T; m% UnRF24E1芯片为核心,工作在2.4G开放频段,最大发射功率3 n5 @) W: m% G" h7 z: X7 E
0dBm,在视距情况下可靠传输距离超过1000m。在复杂环境
4 c0 k3 n' `' Q, i5 Y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
( }0 G: o# E1 Z6 `: V' R进一步处理。该模块具有125个频道,满足多频、跳频及点对
5 I  _5 w9 f; u& T" [+ e点、点对多点无线通信的需求,无线速率最高1Mbps,内置硬0 V3 G4 `' c0 ~5 o. @) c
件CRC纠错编码,具有可靠的无线通信性能。提供RS232
# [" i/ f+ ~% V标准串口,串口最高速率115200bit/s,使用方便。模块收发5 Y3 P( `" S/ y
延时10ms,状态转换时间小于1ms。
' a& t7 ^% s' `$ ~2 无线数传模块的通信特点
( H/ d8 z* f: S. Z6 W3 j利用无线数传模块构建无线信道实现语音通信,在硬件, i/ V5 \" f/ l1 C- ^/ A4 R
连接上可视为一个两端口的传输设备,分别对应于TX和% k* J. v5 R3 W# z* ^
维普资讯 http://www.cqvip.com; x# z0 T6 `: R4 J
692 微计算机应用 2005钲* m5 e6 w: ^( c; _" M
RX。但与有线连接方式不同,无线信道通信方式有几个特, X, q% W0 ?; W
点:
( T% c5 T/ N" B/ l(1)通信中串口数据的帧格式、串口速率为一固定值,程- T' G3 z0 Y/ v
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  X. s- |, k4 ?3 Y7 w3 n
满足实时语音通信码率要求。
6 J% [  P' i* f0 j5 X! @(2)有线通信为全双工方式,通信的双方分别在两个信道- K2 G8 ]) _) x( w/ D2 i. S
中完成各自的数据收与发。而无线通信为半双工方式,为实: O" Y6 k, s! c; z& h4 s7 B
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. }$ i4 m  y: I8 n! m* `: X$ {2 |
态的转换及时钟同步。同时,无线通信时设备A发出数据的
1 n( P  ^4 j& \6 E! b% \" g- N- L时刻与设备B收到数据的时刻有一定延时T。- }2 ]9 k& _( U* J
(3)数传模块在发送和接收两状态之间进行转换时需要1 b! U+ p# X7 y2 I$ H, }$ Q7 j& d. A
有数毫秒的转换时间。$ V% L; b% D' ~
霹 fli~辑l S P_M胎4A5l
* `& P7 {$ t+ M) t匝 f r医
0 _- z4 d# }5 q; n. U匪 I团  O) N  @) F5 }1 b
l 器
  J: b7 W9 c. C3 系统硬件方案及接口电路设计
& \* y: k! j2 {9 q2 [6 P我们选用TI公司的TMS320VC5409芯片构建硬件平. \' w; n" V6 R: h, \8 d) y
台,系统的结构如图2所示。正常工作时,通信双方的A/D
  \! t  M& e0 Y/ e) P  h5 Z" I+ B转换芯片(TI 口2OAD5Oc)分别同时对放大和滤波后的语音
+ Z6 v4 s5 t4 g8 Y信号进行采集,经数字化成为每秒8kX16bit的数据流存入
; W. }, R" _9 o7 C7 p% u. yDSP芯片的缓冲区。A/D芯片每30ms发出一次中断要求
. I/ G: n# K8 U3 RDSP对该数据进行处理,包括对语音信号的压缩、解压缩和
- l" o- q: A/ N+ X) y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% B  y- B. U; P" f) s  H& k
现数据收发。- Q4 U, Q$ g! S) w0 m
DSP与数传模块之间以标准异步串口方式通信,UART& [; T# @9 x, G( }, W( W
硬件接口设计如图3所示。通信过程中,DSP只需对串口控& f# v9 J: i# k
制芯片进行初始化,即可通过标准串口收发数据。对UART/ x  ]5 E/ d* q& Y( ]
的初始化设置见下面程序。: b, K3 q  A3 |5 F4 S
STI M B。AR0& k; J/ }. x+ Z& y
P0RTW AR0.UART_ RBR_ REG
1 _/ X! ~* {0 ~5 aS LM A。AR0
0 C" n/ c+ f5 l9 O6 @+ q- {5 V' aP0RTW AR0.UART_ MSB_ REG
7 ]1 t- x( l1 Z% X% \" B- o# i, `(LS=2 MS=0,即波特率因子为0002h)
" V6 _) x% W1 pSTM #03,AR0
6 N1 I. O& ]) ^! TDO.D7 DO.D7 OUT1\ T1 N T1OUT DCD, 、3 Q" D- }; x6 S* e
AO.A2 A .A2 DTr\ T2 N T2OUT DSR 18 }' h! E9 w1 I) S  k/ J
6
) P$ ?7 y" T7 h3 W0 ^) {地址 CSO SOUT TxD 31 c! o" a; p- {" v, G& t, G
A3.A22 译码 CS1 RTS\ T41N T4OUT CTS 89 A: d" d, _: x7 p% K: [
墨r_L一 CS2\OUT2\ T5IN T5OUT R1 : 9: s- L' J; ]) A, U6 G! i
R/#W 、 [] RDI\ FTS - 50 \: k! M7 |3 D% G& `  }/ }
#IS LDI WR1\ CST1NS\ R12OUT R211N ’RxD 7 撑10STRB ’DTR 42' C" G' P6 ]  {
DSR\ R3OUT R31N
( Z. N0 G) D+ g9 P. _3 c撑INT2 NTRPT
. y% v9 z1 A' O( v% k* {BAUDOUT\7 s* N: L0 n# |& J1 ]6 W
[ WR2\ RCLK __J
$ g1 z1 X: W. G1-- ARD2S\1 `. d/ \2 M& ?8 G  T
图3 硬件接口原理图
6 ^: k! |$ C- YPORTW AR0,UART_ I CR_ REG
9 l$ D  ~8 H" V/ L  ~) z(DI AB=0,正常工作状态)- G1 n: x6 @4 h" [
STM #01,AR0
! j; q' F& B0 n2 P" rP0RTW AR0,UART_ IER_ REG+ B0 q! T5 l2 F& w
(IER—O1,只允许接收缓冲器满中断)+ y; v! W' n4 [' Z* n
STM #OBh,AR0
' P" O  I) \$ T/ i  L; f# NPORTW AR0,UART_
0 }& ^4 C3 X$ Z6 P& X: tMCR_ REG
; V4 `. N5 b- M3 \RET% R4 S% f9 G0 v$ _) G# c9 J
3 系统串口通信软件设计4 `9 M  a8 _9 F* q1 }
3.1 通信协议
: i2 ?9 c$ m' ?6 s; U% w  J接口数据包通信格式:" {$ E5 N+ H* ]+ x2 ~
匮丑 .·回; b$ E( R1 s# c( o# V* `
(1)数据帧头数据包帧头固定标志0xFF。+ E' [# V8 ]9 f  D5 |9 M# Q
(2)数据长度表示数据内容的长度(包括本字节),该字/ L- i; Y% \3 w4 O% L3 b+ g) M
节数值不大于25,即每个数据包有效数据长度不超过24字3 Y: Y4 S* C0 }; H. |. w
节。发送及接收到的数据均遵循这一格式。5 W# F2 |2 x; L/ K: H2 k; t
(3)PTR4500每次成功接收DSP系统的数据包后进行数
5 @+ T6 S( t6 t6 G8 y- ^$ p% R) q+ E据打包和纠错编码,并通过无线模块发送出去,然后回送+ p1 G2 X' [0 |; l; ~$ X; k
0x5A,表示发送正确,准备下一个数据包的发送。
; G2 X! b: g* }& z该DSP无线语音保密通信系统中,采样后的语音信号经* W' ~2 B4 q9 t! l0 e6 K; [2 w& {
G.723.1语音压缩编码和混沌数字加密后,每30ms数据量
/ C7 a# K; u9 }) I, R为24字节,恰好组成一帧。发送完毕后需额外读取接收端,
% m5 |! O# D9 A2 I收到0x5A表示成功发送。
( ?9 A# m. d& j7 l3 z6 k9 v, L4 半双工通信的处理' i9 p4 K$ V0 A" Z8 [
半双工的通信过程中只能实现A到B或B到A一条信
; N+ P: |. F( c$ |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 [2 t6 D0 R! Z: A
. 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( U( q- U6 Q7 a3 w" k3 ?4 H6 m
替工作,而音频部分则是同时工作的。
( W+ L: Y& [# I( Z7 x+ Y. u系统中对语音模拟信号采用8K采样,每30ms产生2409 O, u, _- k4 r* h
words数据,经过G.723.1语音压缩编码得到5.3Kit/s或$ p' Z. O" F% V* C

5 w. [+ ~2 ]# |9 w: `0 U6期 马赞等:运用数传模块实现无线语音通信的方案设计 693
: s* S! m5 k* q3 m0 }6 R$ N6.3Kbit/s两种速率码流(可任选一种)。语音的混沌加密并& N% \! N; T6 k4 A
不改变其数据量。也就是说,数传模块要实现30ms之内双
% v) j; H4 z- H2 W0 W8 Z$ X; v0 G方各24 bytes的数据交换。这样,对通话双方来说,其语音通
8 {% ]0 j" a+ X2 e9 d8 Y; [信是实时的。通信过程如图4。3 k4 [+ e7 z3 A! u4 b+ J
中断
8 q8 E" U- s- Y9 _一一.. .. . .笙堕 竺  H: G  ]& q/ H7 P- K/ D& s3 D
2 3ms 10ms* d2 x3 v, N$ \5 I" {- w
塑塑L壁 .0 V; i0 J$ F$ U  F
2 3 ms 1 ms0 s; J" P. v2 T7 h, l( O) \- p  Z! Q' L
图4 半双工通信信道占用时间分配
4 I6 [4 B, d3 }8 r3 Z4.3 握手通信同步方法
" L# r8 M* e9 w该方案中A、B两端的发和收是同步交替工作的。因此5 M) P* [9 m# Y1 G
系统开始通信时,必须首先实现收发端的同步。即先开机者
! W  [0 w5 `" G+ _A发出同步字符1,并随后进入循环等待。B启动后亦发出
2 g4 {+ K6 i1 f  u, ~2 y" D同步字符1,此时,A收到B发出的同步字符1,启动DSP系$ M# D6 n- v' Y2 V
统中的30ms处理流程,发送同步字符2。B收到同步字符2) S; S( ], N9 R% W8 D5 t4 `6 Q
后,随即启动30ms流程。这样,A和B的信道占用时间刚好
6 `9 H4 M5 J, c, q8 w/ j% C错开,实现了同步,时序如图5,流程如图6所示。9 T% Q# L% q. \1 B8 j4 v! @: h
AD使能进入: :9 p1 y! D5 I# t) _
B开机 I30ms流程j 30ms中断;9 Q8 N" m2 L9 \" a2 a
圆委翌 蔓 巫圈i i6 Q; C$ y: g) v! ?( W
图5 同步时序图
3 N6 F' r4 m8 Y9 _, }6 O图6 同步流程图0 E- l+ y% ?- T; S3 R6 j
采用发送两次同步字的方法,对先后开机的顺序没有要$ r+ x3 h* f& ?0 n# W7 G
求。在同步字长度的选择上,我们让其恰为24 bytes,这样可& H. x$ k& s: P: w' T# `7 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
, Q: q8 b4 x& [: ~% P" 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
! M; V7 j! s8 \; _( s: ]8 s机通信的身份识别。' q, `6 l& M; f
5.4 数据的乒乓方式存储7 u0 S) ~) G2 }" A, ^
在系统运行过程中,通话双方的数据交换非常频繁,每
; K; G- a' D7 I1 r' H2 E30ms一次定时更新数据,由于串行通信中的数据接收采用中/ z( I9 @& z- X8 V' w5 m) P
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3 S( l2 e' l  p9 i7 r0 ]! O, |
现一帧数据还未处理好就被下一帧所更新。为避免冲突,程
# O, O6 I) P. D" G4 T+ A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/ Y/ l5 i  W$ _: o: Y5 ~( L: t1 _
为长度为2N的数据缓冲区,中断进来的数据根据数据存储1 a# o( G+ F7 P3 C/ _
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2 n3 s2 \( x  p5 T* q" D, e
存储地址指针选择一个半区进行。
5 h' T& {% f0 |) z# V1 m* k5 结束语8 W  P: x$ z3 Q! [" Y6 w/ M
实时DSP无线语音保密通信系统采用了以上介绍的几- b+ \! b' f2 G- I  ]
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: L# _& i! k2 N7 l& w* P% W" ?$ n
信的结构是合理的,系统总体方案是可行的,它数据获取准) S2 H9 D- B* A' g; 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' G" X& x6 J* S0 l& b, }( U, j
系统的数传模块串行通信设计和实现有一定的启发。
( ?, o+ i- }$ ]: |/ m/ k: l
" L/ {0 [. `2 R6 \. Y' I& |
. c% Y/ T( H/ e. L! h) y6 t0 E2 Q9 L7 t/ ?/ |

' V# P1 P2 P3 U- W" s专业无线总汇7 A9 w! @8 @, u' m
QQ:1002421875 无线技术交流群(群号81070007  65332649 )
# x* V' Z* B) n$ s+ q: \MSN:yunjiakeji@hotmail.com
4 x' v3 s9 ?  t9 v  @1 USkype:yunjiakeji EMAIL:myb33695@163.com ; c1 E! ?1 V3 b) r4 E/ Q
PHONE: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".
" f1 [$ d" a3 ~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.
& `; G# j( j% n$ s  f5 Y5 Z# o5 f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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