ZigBee语音传输分析.doc

无线通信在嵌入式系统中的应用讲座(30) ZigBee语音传输分析 前言 无线语音技术从早期的模拟无线语音到目前的数字无线语音技术，经历一个比较漫长的过程，随着无线通讯技术的发展，特别是无线射频收发器成本的逐年下降，数字无线语音通讯逐渐成为市场应用主流，最简单的例子是莫过于对讲机，目前仍然广泛使用的是模拟对讲机，而高档的数字对讲机正在降低成本，逐渐蚕食模拟对讲机的市场。 ZigBee原本定位于小数据量的通讯，但是本身250kbps的通讯速率也是足以满足基本语音通讯的，几大射频芯片厂商都有基于ZigBee的语音通讯方案，本文将对ZigBee语音通讯技术做一些探讨。 ZigBee语音通讯分析 ZigBee传输语音数据属于数字传输，数字通讯系统在本质上有着一些巨大的优势：首先是抗干扰能力强。模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等)，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。电话质量ITU-TG·711标准，8kHz取样，8bit量化，码率 64KbpsAM广播采用ITU-TG·722标准，16kHz取样，14bit量化，码率224Kbps μ-law a-law ADPCM μ-law算法是一种压扩算法（companding algorithm），主要用于北美和日本的数字通信系统。与其它压扩算法一样，其目的是减少音频信号的动态范围。在模拟域中，这可以提高在发送过程中的信噪比（SNR）；在数字域中，则可以减少量化误差（quantization error）（因而提高了信号-量子化噪声比（SQNR））。反过来，SNR的这些改善又可以减少带宽和等效SNR。 a-law算法也是一种标准的压扩算法，被欧洲数字通信系统用来优化/修改数字化模拟信号的动态范围。 a-law算法以更坏的小信号比例失真（proportional distortion）为代价，提供的动态范围比μ-law稍微宽一点。 自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）是在差值（或增量）脉冲编码调制（DPCM）基础上发展起来的，它主要改变了量化级数，从而可以进一步减小某一特定信噪比所需的带宽。DPCM将PCM值编码成当前值和之前值的差。对于音频，这种编码方法可以将每次采样的位数相对PCM减少25%左右。 系统构成 ZigBee语音通讯系统由音频ADC芯片采集语音数据，经由I2S总线传输到带语音处理单元的单片机（如ZICM2410芯片）中，经过硬件编解码单元，进行数据压缩，可选μ-law、A-law和ADPCM等，然后进入MAC 层的FIFO，最后通过PHY层调制成射频信号发射出去。 接收端的结构与发射端相同。 因为采用射频数据打包的分组传输方式，因此可以实现数字全双工通讯，这也是普通模拟对讲机不能实现的。 图 1 系统数据流图 为保证语音数据的高速传输，语音芯片和CPU最好使用I2S总线，I2S(Inter—IC Sound)总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，通过将数据和时钟信号分离，避免了因时差诱发的失真，为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。 图 2 ZICM2410通过I2S与语音芯片连接 ZigBee语音路由分析 点对点的通讯通常距离不远，在语音通讯中更是如此，因为数据量本身已经接近最大带宽，又考虑到音频图像等的传输对于细节数据不太敏感，一般不做确认重发机制，所以通讯距离甚至只能达到数据通讯距离的一半。如果要增加通讯距离，必须要增加中继节点，随之而来的，是音质降低了一半。 以已经实现的一个无线语音中继系统为例，ZICM2410模块本身可以实现16KHz采样率，8bit位采样【单身道】，也就是每秒钟可以传输16K字节的数据，但是为满足中继需要，只能降到8KHz采样率，时隙上的分析如下： 16KHz，8bit采样，每4ms发送一次64字节的语音数据，8KHz，8bit采样，每8ms发送一次，增加中继之后，源节点每8ms发送一次（8KHz，8bit），而中继节点收到数据后，会有一个存储