通信与网络中的一种无线语音传输系统设计方案
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2020-12-09
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通信与网络中的一种无线语音传输系统设计方案通信与网络中的一种无线语音传输系统设计方案
1射频收发芯片nRF401 nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433MHz ISM (工
业、科研和医疗) 频段工作而设计。它是目前集成度最高的无线数传产品。该芯片集成了高频发射、高频接收、
PLL合成、FSK 调制、FSK解调、双频道切换等功能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401 的外
围元件很少，仅10个左右。只包括一个4MHz基准晶振(可与MCU共享)、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，
收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。主要技术特性见表1 所示，其内部结构如图
1所示。 nRF401接收机使用具有较强抗干扰
1射频收发芯片nRF401
nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的单芯片RF收发机，专为在433MHz ISM (工业、科研和医疗) 频段工作而设计。它
是目前集成度最高的无线数传产品。该芯片集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK 调制、FSK解调、双频道切换等功
能，具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401 的外围元件很少，仅10个左右。只包括一个4MHz基准晶振(可与
MCU共享)、一个PLL环路滤波器和一个VCO电感，收发天线合一，没有调试部件，这给研制及生产带来了极大的方便。主要
技术特性见表1 所示，其内部结构如图1所示。
nRF401接收机使用具有较强抗干扰能力的FSK频移键控(Frequency-ShiftKeying)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能；
采用DSS+PLL频率合成技术， 工作频率稳定可靠。与ASK幅移键控(Amplitude-ShiftKeying)和OOK开关键控(On-Off Keying)
方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。
图1 nRF401内部框图
nRF401 无需外接昂贵的变容二极管，而其他竞争产品大多需要外接变容二极管、声表面波滤波器件等。这些芯片一般需要进
行曼彻斯特编码后才能传输，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数
据传输的效率，一般仅能达到标称速率（实际速率）的1/3,因此大大增加了软件的工作量和产品开发的难度。而nRF401系列
独特的技术可以直接传送单片机串口数据，应用及编程非常简单，抗干扰能力强，传送的效率很高，且使用很方便。
nRF401采用小型20引脚SSOP封装，管脚数和体积最小，采用非常紧凑的电路板布局，有利于减少PCB面积，降低成本，适
合便携式产品的设计，也有利于开发和生产。3V直流电源供电。接收电流低，仅为11mA，而且在轮流检测（Polling）模式时
可以通过周期性暂停的方法使其更低，以延长电池寿命。它还提供进一步降低电流消耗的待机模式。表2为其部分管脚说明。
nRF401另一个非常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高(out-of-band blocking)，这意味着它不需要外部声表面波（SAW）
滤波器。此外nRF401的解调器是DC平衡的，因此可以使用任何一种协议，也可以使用各种'0'、'1'序列，因而无需浪费单片机
宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。nRF401的串口可以与任何单片机接口，也不需要进行设置，应用及编程非常简单，可
直接传输串口数据，传送的效率很高，是一种能方便地与各种单片机配合使用的方案。
2 音频接口芯片TLV320AIC10
TLV320AIC10是TI公司近年新推出的低功耗∑-Δ型16位A/D、D/A音频接口（AIC）芯片。模拟接口芯片（AIC）又称调制解调
编解码器（modem Codec）以其高度可编程性，高性能，低功耗，较少的外围器件，成为当前语音处理的主流产品。适用于
音频处理，语音增强，语音安全，回声抵消，VoIP（Voice-over-Internet Protocol）等广泛的电话或语音应用中。其功能强大
的串行接口和应用支持以及低功耗的特性使得TLV320AIC10成为音频应用的最好的模拟接口。
TLV320AIC10为一通用，3－5.5V Codec，内部集成了16位A/D和D/A转换器。有两路模拟输入通道，一路模拟输出通道和一
对数字I/O口。使用片内FIR滤波器时采样速率最高可达22ksps，采用片外FIR滤波器时其采样速率最高可达88ksps，工作方式
和采样速率均可由单片机编程设置。其内部ADC之前有抗混叠滤波器，之后有抽样滤波器，DAC之前有插值滤波器，接收和
发送可同时进行，且输入输出增益控制可编程，可工作在单端或差分方式。其独特的直接DCSI参数设置模式采用单线串行口
直接对内部寄存器编程，不受数据转换串行口的影响。事件控制模式使单片机可监控如电话RING/OFF-HOOK检测等外部事
件。
AIC10由５个控制寄存器控制。其中，控制寄存器１：软件复位，DAC的16位或15＋1位模式选择以及抗混叠滤波器、抽样滤
波器、插值滤波器使能／旁路选择。控制寄存器2：决定工作方式和采样速率。控制寄存器３：软件关电，模拟及数字信号反
馈和事件控制模式选择；ADC的16位或15＋1位模式选择。控制寄存器４：输入输出增益控制。AIC的初始化主要就是对这4
个寄存器参数进行设定。该器件与单片机接口易于实现，开发和使用更加方便。尤其适合应用于低比特率、高性能密集设备的
话音传输、识别及合成等的各种VOIP、电缆调制解调器、语音和电话领域。
3系统的硬件连接
接收/发射机应满足便携式电池供电设备的一些基本要求，才能适用于无线RF应用。这些基本要求为:方案成本低，体积小，低
功耗，符合电池供电要求，集成度高，无需微调外部元件，外围元件极少，加工更容易，数据传输率高，传输时间更短，接口
简单，可以与廉价的单片机接口。本文所设计的无线集群语音传输系统由单片射频收发芯片nRF401、微控制器
MSP430F1121、TLV320AIC10、EPM7128S等芯片组成。其系统的硬件连接如图2所示。
MSP430F1121是TI公司生产的超低功耗微控制器，具有16位RISC结构，16位CPU寄存器和常数寄存器，4KB ROM，256B
FLASH，256B RAM，指令周期时间125ns，超低工作电压(1.8V-3.6V)，超低功率消耗(1.3uA-160uA)，具有5种省电模式，可
串行在线编程，程序代码由加密熔丝保护。从图中可以看出，微控制器是系统的"主管"，负责运行协议、控制nRF401的收发
状态, 完成编解码,并运行系统的应用软件和硬件，从而节约成本和空间。电路中E2PROM用于存放发射频率跳变的顺序和编码
数据，RAM用于存放需微控制器处理的数据。采用1.5V电池供电，由于系统供电为3V，因此由一个DC/DC变换器完成电源的
转换，为了避免DC/DC转换电源的噪声对通信造成影响，采用LC滤波。
nRF401是接收发射合一芯片，即可以接收数据也可以发射数据，工作方式为半双工。因此该电路即是发射电路也是接收电
路。在有键按下时为发射状态，话音信号经TLV320AIC10做A/D变换后，在MSP430F1121的控制下将数据送给nRF401，将
其发射出去。无按键按下时为接收状态。
芯片使用时，首先通过微控制器对芯片内部寄存器进行设置，设定工作频率、发射功率等参数；进入正常工作状态后，通过微
控制器根据需要进行收发转换控制、发送/接收数据或进行状态转换。工作模式如表3 所示。
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