葛海江

（杭州职业技术学院 信电系，浙江 杭州 310018）

0 引 言

在无线VoIP数据通讯中存在的主要问题是由于干扰造成数据包的丢失，产生了间断数据流，使得语音信号中断。因此，在VoIP的无线数据通讯中，研究者需要稳健性较高的解决方案来适应不间断数据流的需要[1]。目前大多数的无线VoIP通讯采用的是单天线设计，这样在无线通讯时容易造成数据包丢失，使得声音出现断续现象，笔者提出了一种双天线的设计方式来实现无线音频信号的传送。在音频编码上，传统方法采用的是PCM编码方式，这种方式对音频信号的存储和传输都存在着非常大的冗余度，考虑到声波信号的连续性，笔者提出了一种PCM转换成ADP⁃CM的编码方式来压缩音频信号。在无线通讯中，WirelessUSB[2-3]技术在抗干扰性能上优于其他2.4 GHz解决方案，而且其运行稳定性也比价格更昂贵的蓝牙与DECT解决方案高，通信协议设计更为简洁，能缩短产品开发周期；在语音编解码上，华邦的W681360音频编/解码器具有线性转换、低功耗、无干扰信号传输等特点，从而确保音频编/解码器获得出色的信号质量。

鉴于此，本研究提出一种将华邦的W681360[4]与WirelessUSB组合的方式来实现短距离的无线音频通讯；采用这种方式实现的无线VoIP发射器和接收器将具有高稳健性、低功耗、成本低等优点。

1 无线VoIP发射器和接收器的硬件设计

无线VoIP发射器和接收器的硬件设计介绍如下：

（1）无线VoIP发射器和接收器由两个部分组成：发射端（Remote）、接收端（Bridge）。

（2）在发射部分设计中,主控和RF芯片采用了Cypress公司的CY7C60323和CYRF6936。音频编解器采用华邦公司的W681360，射频部分还采用了两路射频开关芯片UPG2012TB，其功能是在带宽允许的范围内，实现双路无线通讯。此外本研究采用了BQ24080的充电芯片，给锂电池进行充电，锂电池供电输出经过TPS79133低压差电压转换芯片得到3.3 V的工作电压，给后面模块进行供电。主控芯片与音频编解器、无线通讯芯片通过SPI接口进行通讯，通过W_CS及RF_CS进行片选。

发射部分的具体模块如图1所示。

图1 无线VoIP发射器硬件模块图

（3）在接收部分设计中，主控和RF芯片采用了Cy⁃press公司的CY7C64215和CYRF6936。USB接口供电输出5.0 V电压经过TPS79133得到3.3 V电压，作为上述芯片供电输入。

接收部分的具体模块如图2所示。

图2 无线VoIP接收器硬件模块图

2 音频编、解码设计

对于有线CD音质的立体声采样率为44.1 ksps或者48 ksps，对于7.5 kHz带宽的音频信号采样率为16 ksps。本研究考虑到无线通讯的信号带宽为250 kbps，CPU工作频率为12 MHz及SPI通讯的工作要求，对语音信号的采样率设置为8 ksps，已能满足单一语音信号的无线通讯要求。

该设计中有两个音频信号通路：

（1）从USB到SPKR，主机通过USB接口传送16-bit PCM的音频信号，经过Bridge，将16-bit PCM转换成4-bit ADPCM，然后无线传送给Remote端；在Re⁃mote端将4-bit ADPCM还原成15-bit PCM，然后经过13-bit音频编解码器，输出音频信号驱动扬声器（SP⁃KR）发声。

（2）从MIC到USB，与上述类似。

本研究为了简化操作，音频数据从主机到SPKR端时，将USB的16-bit PCM，在Bridge上转换为15-bit的数据流，然后再进行ADPCM编码。同样音频数据从MIC到主机端时，ADPCM编码在Bridge上还原出15-bit数据流后，还需要完成16-bit的PCM数据转换，然后通过USB接口传送给主机。

此外与扬声器和麦克风的接口音频编、解码器是13-bit的，在进行ADPCM之前，要将它转换成15-bit的PCM码。由于音频信号的前后自相关性，这样的转换并不会造成声音信号的弱化。

PCM到ADPCM编、解码，如图3所示。

图3 PCM到ADPCM编/解码

ADPCM编码充分利用了声波在连续的采样中具有很高的前后相关性，使得后续声波的采样能够被预测，而不是只对当前的采样进行编码。ADPCM对预见的声波采样和当前的采样进行差分编码。这种方法不仅提高了声波的压缩率，同时也能保持完整的声音质量[5-6]。此外，文献[6]详细阐述了DPCM、DM、ADM与ADPCM的压缩算法原理及算法实现流程，通过实验，给出了每个算法的特征，实验结果进一步证实了ADPCM算法既能够有效的压缩语音，又能还原出高质量的语音。

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ADPCM算法是建立在IMA组织为了提高数字化语音兼容性应用的基础之上的。IMA提供了ADPCM参考算法，它通过简化许多操作和查表的方式来减少运算的复杂性，将16-bit PCM压缩成4-bit。

在图3中，编码器（Encoder）将输入的采样值（Xn）和预测值Xp（n）进行差分d（n），将差分的值送入量化器（Quantizer）来产生4-bit的c（n）。c（n）通过反向量化器输出dq（n）和旧的预测值Xp（n）相加，产生新的Xp（n）。理想状态下，d（n）＝dq（n），新旧Xp（n）值也相等。

在这里Xp（n）为解码器解码后的值。如果解码器中的Predic和StepSize值跟编码器都相同，那么解码器的解码和编码器的Xp（n）计算是相同的。对于StepSize是对4-bit的c（n）值进行增加或者减少。文献[7]提出了通过克隆重组方法来快速优化ADPCM的多参数。

通过ADPCM编码压缩的方法，编码器设置和更新它的Predic和StepSize值，解码器在数据流中来捕捉这两个值。只要没有数据丢失，编码器和解码器就具有相同的Predict和StepSize值。然而在无线传输中，系统无法保证数据包不丢失，因此解码器并不能总是跟踪编码器的Predict值和StepSize的值。在这里本研究给每个数据包设置3 ms的长度，同时每个数据包中都包含了Predict和StepSize的值，让每个数据包被单独处理，然而3 ms数据包的丢失，并不会让人觉察到语音信号的失真。

本研究设置USB的PCM速率为8 ksps，每个PCM为16位，通过将音频数据的PCM转换成ADPCM，使得音频数据被压缩了3/4，有效实现了音频数据的压缩。

3 无线通讯协议设计

为了防止在无线传送过程中数据包的丢失，造成声音信号的中断。在无线通讯上，本研究在硬件上采用了双天线设计，提供了两个无线数据通路，通过无线高频开关进行天线的切换工作。此外在无线射频电路的参数匹配上，要得到最大的功率传递，源阻抗与负载阻抗必须相匹配[8]，通过采用“逐个优化参数”的方法[9]来尽量匹配射频参数，以此来提高射频电路的发射功率，通过该方法使得两边的无线通讯距离可达15 m以上。

文献[10]中简要介绍了无线音频无线数字/模拟音频传输系统的设计，在天线设计方面，它采用的是单天线设计，这样使得音频数据在无线传输过程中，如果造成数据包的丢失，则在接收端将无法重现丢失的信号。因此本研究采用了双天线的设计。这里设计的天线A和天线B在Remote端，同样也可以设置在Bridge端，设计中将128 kbps的无线带宽分成两个64 kbps带宽。一个数据包使用64 kbps通过天线A进行传送，这个数据包的复制包使用另外的64 kbps通过天线B进行传送。这样Bridge端就有两个无线数据通路。此外Bridge端也传送两个同样的数据包给Re⁃mote端，天线A接收第一数据包，天线B接收复制的数据包。

通过这种方式，将有效地减少数据包的丢失。因为只有两个无线通路上都丢失数据，数据才会丢失。

无线通讯数据包中有15个字节，其中包含了24个ADPCM编码，时间为3 ms；24 samples/8 ksps=3 ms。采用了8-bit step和12-bit Predict值。

图4 无线VoIP数据包

4 软件设计流程

软件设计流程为：

（1）软件设计有两个部分：发射器部分和接收器部分。

（2）发射器的主程序流程图如图5所示。

图5 发射器主程序流程图

（3）接收器的主程序流程图如图6所示。

图6 接收器主程序流程图

在3 ms的数据包中，包含有24单独的中断，每125 μs就有一个中断，每个750 μs中包含了6个中断。研究者可以采用中断序号的方式来确定每个中断服务程序的内容。

5 结束语

本研究通过对2.4 GHz的无线VoIP发射器和接收器的应用研究，实现了音频信号短距离的无线双向通讯。笔者对该无线发射器和接收器进行无线语音通讯测试，在有效距离15 m以内，无间断数据流产生，语音信号通讯流畅。该方案通过自适应差分编码方式实现了声波的有效压缩，压缩率达1/4；通过双天线的设计方法解决了数据包丢失的问题；通过引入“逐个优化参数”的方法来提高发射的功率及接收灵敏度；通过采用华邦的W681360编解码器与WirelessUSB组合来实现VoIP的软、硬设计，具备了无线VoIP的低功耗、高稳健性特点，而且相比蓝牙方案，成本较低。

该方案可广泛应用于无线VoIP耳机、无线多媒体辅助应用等短距离的无线音频数据通讯的场合。

（References）：

[1] DAS S K，LEE E，BASU K，et al.Performance optimization of voip calls over wireless links using H.323 protocol[J].IEEE Transactionson Computers，2003，52（6）：742-752.

[2] Cypress Corporation.Wireless USB 2-Way HID Systems-AN4003[EB/OL].[2011-05-13].http：//www.cypress.com/？docID=29040.

[3] 刘连浩，杨 杰，沈增晖.2.4 GHz无线USB技术的开发与应用[J].计算机工程，2009，35（3）：152-154.

[4] Winbond Electronics Corporation.W681360 Data Sheet[EB/OL].[2005-01-01].http：//datasheet.eeword.com.cn/pdf/20017/-WINBOND.W681360.html.

[5] 李文华，徐 刚.利用ADPCM进行网络环境下实时多点语音通信[J].计算机工程与应用，2004，40（36）：127-130.

[6] 廖广锐，刘 萍.基于ADPCM的语音压缩算法研究[J].计算机与数字工程，2007，35（7）：39-41.

[7] 张 刚，谢克明，郭红波，等.基于N进制编码的克隆重组方法应用于快速优化ADPCM的多参数[J].通讯学报，2006，27（3）：28-31.

[8] 黄煜梅，叶菁华，朱 臻，等.2.4 GHz、增益可控的CMOS低噪声放大器[J].固体电子学研究与进展，2004，24（4）：498-504.

[9] 葛海江，陶 姗，吴弋旻，等.2.4 GHz无线鼠标的多信道控制方法研究[J].计算机工程与应用，2009，45（9）：77-79.

[10] 汤炜伟，孙新亚，吉吟东.基于nRF24Z1的无线数字/模拟音频传输系统[J].电子技术应用，2007（4）：41-43.