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低功率RF收发器在无线耳机通信方面的应用

时间：2009-09-24 09:43:00

关键字：低功率无线耳机通信 RF收发器

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[导读]介绍了以微处理器为核心，配合新型低功率RF收发器CC1000构成的无线耳机通信系统，由于高集成度芯片CC1000自身的功能特点，使得该系统在目前具有较高的性价比和实用价值。

随着计算机与通信技术的飞速发展，计算机通信得到广泛应用，硬件技术可谓是日新月异，其总体趋势向着高集成度、高稳定性、高速和高性价比方向发展。而无线耳机通信系统或无线电话免提装置则是目前应用较为广泛的通信形式，本文着重阐述使用低功率RF收发器CC1000利用数字无线电通信方式通过耳机实现信息的传输。

1　系统硬件结构和电路原理
1．1　系统硬件结构
　　该系统是一种高集成度、低误码率以及具有较高工作性能的无线通信系统。其系统原理框图如图1所示。

1．2　硬件电路原理
　　该系统的主体部分由微处理器（可以由实际应用选取不同的型号）、收发器、解码器、A／D与D／A转换器构成。以微处理器为核心控制用户语音信号在传送到无线电频率前被采样、数字化和被压缩，接收到的信号解压后再转回模拟语音信号。
　　无线电收发器用于无线耳机的主要要求是：低电流损耗、低工作电压、快速锁定锁相环（PLL）、内置数字同步措施、多频点容量、元器件少，价格便宜。Chipcon公司的CC1000RF收发器可满足以上要求。由Chipcon公司生产的半双工高频收发集成电路CC1000，他可以利用分时双工进行双向通信，因CC1000只需很少的元器件和尺寸，这样在外观上无线耳机可以做得非常轻巧美观。CC1000是一种针对极低功耗和低电压而开发出的超高频收发芯片，他的工作电压为2．3～3．6 V，这可以使他成为使用单锂锰氧化物3．0 V钮扣电池或锂亚硫酰氯化物3．6 V电池的理想选择。CC1000在接收模式下，电流消耗为7．7 mA；在发射模式下，依据输出功率的不同，电流消耗为5．3～28 mA，在433 MHz处，可以用1 dB的步长对输出功率进行编程，最高可达10 dBm；在掉电模式下，器件本身有0．2 mA的电流，对于电池应用来说，这又是一个重要特性。CC1000采用TSSOP28封装，工作温度范围是：－40～＋85℃。
　　如图2所示，CC1000内部结构显示出构成一个完整RF收发器的所有部件都集成在了芯片内部，－109 dB的灵敏度与10 dBm的高输出功率结合起来，可以构建提供长而可靠的通信距离和电池工作电压很低的系统。图2中CC1000有一个能以250 Hz步长进行编程的集成锁相环（PLL），可以对晶振的温度漂移进行补偿，此外还提供了多信道系统和跳频协议可供用户在不同调整限制下的工作场合进行选择，以便在通信频段拥挤时用来增强系统可靠性。最后，CC1000还提供了集成的位合成器与RSSI，且通过5根I／O线，可以很方便地与微处理器进行接口。

2　系统工作流程
2．1　系统通信流程框图
　　为便于说明信号传输过程，下面给出了通信流程框图，如图3所示。

2．2　无线耳机通信的技术要求
　　从工程实践中可以得出：对于传输语音的电话系统，大多数成人的语音带宽约为10 kHz，而大多数可理解的语言频率范围仅为0．3～3．3 kHz，由经验数据可得，在电话网络系统中，当采用保护频带时，可使用4 kHz带宽的频带来传送语音。
　　在数字电话系统中，一般使用脉冲编码调制（PCM）方式将模拟信号转换成数字信号。为了满足奈奎斯特采样定理（Nyquist Sampling Theorem）的需要，首先，4 kHz语音传输之受限频带在8 kHz数率下被采样，每个采样接着会被译成一个整数，如使用13 b，该整数应在－4 096～4 095之间。要有效地传输语音，可使用非平均的量化技术来减少字长，为了保留声音信号的质量，字长可从13 b压缩到8 b或更少，非平均的量化技术在硬件上一般由多媒体数字信号编解码器CODEC实现，在软件上可使用查表或实时计算。经以上处理后，与压缩法组合的8 kHz采样率生成一个8 b字，数字声音信号流程因此说成是64 kb／s无线语音通信。公共电话网络是全双工的，然而实现一个全双工的无线电系统，会要求接受和发射部共享许多系统模块，这样的系统牵涉更复杂的电路解决方案。半双工无线电系统相对更能节约空间和成本，无线系统上的全双工一般利用分时双工（TDD）的技术方案，信号实际是单向传送，但由于传送方向切换只需很短的时间（≤100 ms），一般人的耳朵是区别不出来的，因此可以进行双向通话。为了保持通话流，使用TDD技术时，必须将通话方其中一端的数字语音信号缓冲暂存起来，64 kb／s语音信号流要求至少128 kb／s的无线TDD数据通信，从接收到发射的轮换时间甚至要求更高的速率。
　　高速率要求更大的RF带宽或高级的调制技术，为了要降低传送数字语音信号的速率，需要引入另一层编码技术。自适应音频脉冲编码（ADPCM）或连续可变斜率增量调制技术（CVSD）均适用。这些方案都是根据差分编码的基本概念是发送当前采样的差分代替发送采样得来的绝对数值。使用ADPCM编码后，可将8 b编码成4 b，3 b或2 b，64 kb／s速率因此可降到32，24或16 kb／s。假如使用32 kb／s的ADPCM编码技术，也不会给微处理器带来很重的负担。市场上现已有合压缩器和ADPCM，CODEC功能的芯片可以选购。

3　结　语
　　无论是因潮流所趋还是担忧电话辐射对大脑的影响，无线电话免提装置（简称耳机）肯定已是一种手提电话不可缺少的配件，其数量可以说是与手机同步扩展。故该系统有着广阔的市场前景。
　　蓝牙（Bluetooth）因具有互操作性而被认为是未来解决所有需要附加通讯的移动电话的方案。但是对于目前而言，所做出的无线耳机，无论在开发费用上还是在原材料费用上，蓝牙都不是一种具有价格竞争优势的技术。对此，CC1000便能满足现有的市场需求，成为一种低成本、低功耗的无线耳机替代方案。