一种基于nRF2401的无线语音通信的实现

0引言

短距离无线语音通信的应用之一是无线对讲机，这种通信方式一般是同频单工，给通话带来了一定程度的不便，于是许多替代的技术便应运而生。

本文介绍的这种系统，利用AVR单片机实现语音信号的编解码，利用大容量Flash存储芯片实现语音数据的存储，利用nRF2401无线收发芯片实现语音数据的无线传输和具体接收方的选择，具有实时半双工通信、可加密、录音回放的特点，并且能够方便地应用到短距离无线通信产品中。

1硬件设计

1.1系统结构

系统结构如图1所示。

1.2单片机及周边电路

MCU采用ATmega16。ATmega16是ATMEL公司生产的基于增强的AVR RISC(精简指令集计算机)结构的低功耗8位CMOS微处理器。它具有16 kB系统内可编程Flash存储器，512 B的EEPROM，1 kB的SRAM，内置8路10位具有可选差分输入级可编程增益的A／D转换器，一个SPI串行端口，以及6个可以用于软件进行选择的省电模式。

MCU负责输入语音信号的A／D采样、CVSD(连续可变斜率增量调制)编码和解码、无线收发芯片的控制、D／A转换等。MCU及外围电路见图2。

1.2.1语音放大电路

本系统采用两级高输入阻抗的反向放大器将从传声器获得的微弱语音信号放大，两级的增益分别为Av1=-R30／R29≈-4.17，Av2=-Ra6／R3z≈-2.56，总的最大增益为Avmax=Av1Av2≈10.7，电路如图3所示。

1.2.2 Flash存储芯片

Flash存储芯片采用AT45DB161D，它是一种工作电压可低至2.7V并具有串行接口的快闪存储器，其主存储区容量为16 Mbit，分为4 096页，每页512 B或528 B。还带有2个512 B／528 B的SRAM数据缓存，这样主设备就可通过SPI接口向AT45DB161D高速写入数据流。该芯片非常适用于存储图像、数据和数字声音。它与MCU的接口电路见图4。

1.2.3 D／A转换电路

D／A转换芯片采用TLC5615，它是带缓冲基准输入(高阻抗)的10位电压输出D／A转换器，具有基准电压2倍的输出电压范围，3线串行接口，对于满度输入阶越跳变，该D／A转换器建立时间为12.5μs，即更新速率为80 kHz。它与MCU的接口电路见图5。

1.2.4音频滤波电路

采用2阶高、低通滤波器构成300 Hz～3.4 kHz带通滤波器，其中高通滤波器采用2阶压控电压源高通滤波，其传递函数为：

低通滤波器采用2阶压控电压源低通滤波，其传递函数为：

式中：ωn=1／(RC)，为特征角频率；Q=1／(3-AVF)，为等效品质因数。

电路如图6所示。

1.2.5输出放大电路

经带通滤波器输出的声音回放信号幅度为0～5V，可用耳机直接收听。但考虑到实际中会使用扬声器外放，故在本系统中增加外放功能。该电路增益为50～200，连续可调，最大不失真输出功率325 mW。输出端接C5、R4串接电路，以校正扬声器的频率特性，防止高频自激。脚7接220μF去藕电容，以消除低频自激。为便于该功放在高增益情况下工作，将LM386不使用的输入脚2对地短路。电路见图7。

1.3 nRF2401芯片

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz的ISM(工业、科学和医疗)频段，芯片的输出功率和通信频道可以通过程序进行配置。芯片功耗非常低，以-5 dBm功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流只有18 mA，很适合本系统中的无线语音传输系统。

1.3.1工作模式

nRF2401有4种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式，由PWR_UP，CE，CS这3个引脚决定，如表1所示。

nRF2401的收发模式有突发(ShockBurstTM)模式和直接收发模式两种，由器件配置字决定。nRF2401一般工作于突发模式，这种做法有三大好处：减小系统的平均工作电流；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。所以以下着重介绍突发模式。

在突发模式下，使用片内的先人先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1 Mbit／s)发射，与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行。把nRF2401配置为突发模式需15字节配置字，配置完成后，在nRF2401工作过程中只需改变其最低一个字节中的内容，就可实现接收模式和发送模式间的切换。

1.3.2 nRF2401接口电路

本系统中nRF2401由ATmega16单片机控制，其接口电路示意图如图8所示。

2软件设计

软件的主要功能如下：首先判断收发状态，在发送模式下，单片机内部将接收数据进行CVSD编码后发送至无线收发芯片；在接收模式下，单片机接收传人的数据，并进行CVSD解码，然后将数据送给D／A转换器，直至所有数据发送完毕。软件流程见如图9。

3结束语

本系统经调试，音质良好，有效通信距离可达到100 m，采样率为8 kHz时语音存储时间可达到约4min，可以方便地应用于无线教学系统等场合。