基于ZigBee的语音通信技术

    ZigBee是一种低功耗、低成本的新型短距离无线通信开放性技术标准。它工作频段灵活，使用的频段分别为2．4 GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段；传输速率为250kbps，有效传输距离为10～75m。通过在发射端加功率放大器还可以实现更远距离的通信。
    ZigBee技术的低成本、低功耗特点，使其广泛地应用到库存管理、产品质量控制、工业过程控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域。虽然实现语音通信不是ZigBee联盟最初的目标，但是，在许多领域(如消防抢险)中没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限。本文正是考虑到这一点，并考虑到ZigBee理论通信速率为250 kps，实际速率也能满足语音通信要求的情况，充分利用本方案所选的MCU的性能特性，以及很少的外围器件，很好地实现了语音通信。

1 总体方案构架
    ZigBee语音通信系统的架构为：以嵌入式处理器和射频发射芯片为核心，辅以外围的放大与滤波电路实现语音通信。总体框图如图1所示。

    按功能分，主要包括以下几部分：
    语音前置放大器：主要实现对麦克风接收的语音电信号进行放大处理。
    语音前置滤波器：完成对高频电磁波的滤出，消除部分干扰，减小语音的失真。
    嵌入式处理器：发送语音时，完成对语音模拟电信号的采集，将其转变为数字信号，并打包成数据帧，加上必要的帧头，发送到射频收发器。接收语音时，读取射频收发器缓存器的数据，并进行D／A变换，发送到语音接收电路。
    射频收发器：完成数据的收／发，接收／发送该设备的数据，并将数据发送到嵌入式处理器。
    语音后置滤波器：对经过D／A变换的语音信号滤波，得到所需的语音信号。
    语音后置放大器：对经过滤波以后的语音信号放大，最后输出到耳机，实现最终的语音通信。

2 硬件电路实现
2．1 器件选型
    嵌入式处理器选用ATmegal28L单片机。ATmegal28L是Atmel公司推出的低功耗、高性能MCU。其内核为AVR，具有先进的RISC架构，内部具有133条功能强大的指令系统，且大部分指令是单周期；具有2个8位定时器／计数器和2个具有比较／捕捉寄存器的16位定时器／计数器，2通道位数可编程PWM通道，8路10位A／D转换器，主／从SPI串行接口，可编程串行通信接口以及片内精确的模拟比较器等。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等几种省电模式。
    ATmegal28L的软件结构也是针对低功耗而设计的，具有内外多种中断模式；丰富的中断能力减少了系统设计中查询的需要，可以方便地设计出中断程序结构的控制程序、上电复位和可编程的低电压检测，工作电压为2．7～5．5V。该系统设计可以充分利用其8路10位A／D转换器和2通道位数可编程PWM通道，实现语音信号的A／D转换和D／A转换，从而省去独立的A／D转换器和D／A转换器，且成本更加低廉，系统更加精简，更加稳定可靠。同时，考虑到该MCU的低功耗特点，可以使系统一次工作更长的时间。
    无线发射器选用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特点：具有2Mchips／s直接扩频序列基带调制解调和250kbps的有效数据速率；适合简化功能装置和全功能装置操作；低电流消耗(接收19．7mA，发射17．4mA)；低电源电压要求(使用内部电压调节器时2．1～3．6V，使用外部电压调节器时1．6～2．0V)；可编程输出功率；独立的128字节发射、接收数据缓冲器；电池电量可监控。
    放大电路及滤波器电路的放大器选用LMV324。LMV324(四通道)放大器在2．7 V以下消耗的最大供电电流为1 20μA，在5V下一般只消耗100μA，较同级器件的功耗低20％，而且价格低廉，该系统每个没备需要4个运算放大器，充分利用该器件。
2．2 系统硬件实现
    语音传输系统的硬件电路如图2所示，连接麦克风的放大器是一个简单的反向放大器。增益通过R2和R3控制(G=R3／R2)；R4给麦克风提供电压，C1阻止直流成分输入到放大器；R4和R5给放大器提供合适的偏置；Rll和C9构成一个简单的一级低通滤波器。另外，R5可以在放大器输出短路的情况下，对放大器起保护作用。语音接收电路由5级低通Chebychev滤波器和1级电压跟随器构成。滤波器电路由两个相互交错的2级Chebychev滤波器(R6、R7、R8、C2、C5和R8、R9、R10、C3、C6)和一个无源滤波器(R10，C7)构成。这3个滤波器的截止频率彼此稍微有点错位，这样可以限制整个滤波电路通带的纹波。整个电路的截止频率设置在4000Hz，电压跟随器用来防止电路从输出获得反馈。

3 软件实现
3．1 发送端软件实现
    发送端软件主要完成语音电压信号的模／数转换，并将数据按照ZigBee协议规定的最大帧长度打包。本系统采取每帧84字节，并按照用户要求发送到特定网络设备。ATmegal28L的主频是8 MHz，ADC时钟采取64分频，每次转换需要13个ADC周期，完成一次转换需要112μs；采用单次转换模式，如果按照8 kHz采样，则每次采样时间是125μs；采用定时器T／C1，则每到125μs产生一次中断，并在中断处理程序中读取A／D转换的值，同时启动下一次转换。发送端程序流程如图3所示。

3．2 中间层软件实现
    发送端获取了A／D转换的结果，并存储于所开设的缓存中；中间层在发送数据时，将存于缓存的数据按照ZigBee协议规定的格式，加上网络层MAC层和物理层的帧头，将数据通过SPI总线发送到射频发射芯片的发送FIFO中。ZigBee设备有两种寻址方式，分别通过64位的IEEE地址和16位的网络地址来寻找网络设备。一般来说，IEEE地址是固定的，而网络地址则是在组网时随机分配的。因此要对特定设备通信，必须用IEEE地址，但是在进行语音通信时，为了简化传输数据，一般采用16位网络地址寻址。这就需要在第一次通信时知道IEEE地址的前提下，获取设备的网络地址；以后采用网络地址通信。这部分工作通过Chipcon的ZigBee协议栈实现。程序功能实现流程如图4所示。接收数据时，首先射频发射芯片监听信道中的数据，通过判断数据是否发送该设备。如果是，则读取该数据到接收FIFO，然后触发，通过SPI总线将数据发送到MCU；通过MCU处理，去掉各层的帧头，最后将数据存放到指定的缓存区中。

3.3 接收端软件实现
    接收端需要把数字语音信号还原为模拟信号。该系统充分利用MCU的功能，不采用分离的D／A器件，而是利用MCU的PWM功能，辅之外围的5级Cheychey滤波器实现D/A变换。MCU时钟频率是8MHz，采用T／C2的8位快速PWM模式，每次PWM需要256个系统时钟周期。在系统时钟频率为8MHz的情况下，PWM的频率接近32kHz，采用与发送端相同时间的定时中断，从而达到收发同步。用T／C3定时器，在125μs产生一次中断，并在中断处理程序中，将接收到的值发送到OCR2，发送到语音接收电路的滤波电路，实现滤波、放大，最后实现语音通信。在接收端开设两个缓存区，交替存储发送端的语音帧数据。接收端程序流程如图5所示。
3．4 主从模式转换
    以上分析的是主从模式。要进行两个模式的切换，只需要通过按键，并控制不同的寄存器初始化，即可实现模式的切换。

4 结 论
    通过测试验证。该系统可以很好地实现实时语音短距离无线传输。该系统硬件简单，没有使用分离的A／D及D/A器件，使得成本更加低廉．功耗更低；同时由于ZigBee技术本身的低功耗、低成本特性，使得该系统在仅用电池供电的情况下，可以一次工作很长时间。将ZigBee应用于消防、安全监控领域，能够提供更加方便、准确的服务。