（控制理论与控制工程专业论文）短距离无线数字音频传输系统研究与设计.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 无线音频传输系统是传输声音信号的音响器材，由发射机和接收机两大 部分组成。麦克风将声音转换为音频电信号，经过内部电路的处理后，将包 含音频信息的无线电波发射出去。接收天线接收到发射机发出的无线信号， 经过内部电路的处理，提取出音频信号，送到外接设备，完成音频信号的无 线传输。 发射机通常依靠电池供电，电池的供电时间是系统的重要参数之一。由 于目前其功耗大，一节普通9v 电池连续使用不足4 个小时。供电时间可以 从两个途径去解决：一是提高电池能量；二是降低系统的功耗。因电池技术 发展缓慢，所以必须降低系统的功耗以提高电池的供电时间，为此提出一种 低功耗无线音频传输系统的解决方案。本文包括以下四部分研究工作： ( 1 ) 对目前短距离无线通信技术进行研究，结合音频信号的特点，建立了 系统的模型；对系统的各个部分进行能耗分析，给出了系统设计的基本原则； 提出了系统整体设计方案，对其进行论证、优化，给出系统最终结构。 ( 2 ) 对目前的射频芯片、音频芯片和微控制器进行筛选比较，以低功耗为 首选，以低成本、设计结构简单为目标，给出基于n r f 2 4 2 1 音频传输系统 的硬件结构及软件实现方法。 ( 3 ) 为了防止啸叫，在系统中增加了回声抑制以提高音频质量；为防止系 统间的相互干扰，提出公共地址与私密地址连接的通信策略；为防止信道堵 塞，加入了自适应跳频技术。 ( 4 ) 对单极天线进行理论分析，设计出适合本系统的单极天线，并对其进 行仿真实验。 实验结果表明：该设计方案有效地降低系统功耗，可以连续工作2 0 小时； 解决了无线话筒的啸叫问题，抗干扰能力明显增强，达到实用要求。 关键词：n r f 2 4 2 1无线音频传输 低功耗跳频回声抑制 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t w i r e l e s sa u d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e mi st h et r a n s m i s s i o no fv o i c es i g n a l s a u d i oe q u i p m e n ta n di n c l u d e st w om a jo rc o m p o n e n t s ：t r a n s m i t t e r sa n dr e c e i v e r s m i c r o p h o n ew i l lb ec o n v e r t e dt ov o i c ea u d i os i g n a l sa n dt h r o u g ht h eh a n d l i n go f t h ei n t e m a lc i r c u i t ，i tw i l ll a u n c ht h ew i r e l e s sr a d i ow a v e sw h i c hi n c l u d ev o i c e s i g n a l s a r e rr e c e i v i n gt h ew i r e l e s ss i g n a l st r a n s m i t t e df r o mt h er e c e i v i n g a n t e n n a ，t h r o u g ht h eh a n d l i n go fi n t e r n a lc i r c u i t r ya n de x t r a c t i n ga u d i os i g n a lt o a ne x t e r n a ld e v i c e ，t h ew i r e l e s ss i g n a lt r a n s m i s s i o ni sc o m p l e t e d t r a n s m i t t e ru s u a l l yr e l i e so nt h eb a t t e r ys u p p i y i n gf o rp o w e ra n db a t t e r y p o w e rt i m ei s 0 n eo ft h ei m p o n a n tp a r a m e t e r s0 ft h es y s t e m s i n c ei t sh i g h p o w e rl o s s ，ag e n e r a l9vb a t t e r yl a s t sn ol e s st h a nf 0 u rh o u r s p o w e rs u p p l y t i m ep r o b l e mc a nb es o l v e df r o mt w oc h a n n e l s ：o n ei si m p r o v i n gt h eb a t t e r y p o w e ra n dt h eo t h e ri sr e d u c i n gt h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h es y s t e m d u et o t h es l o wd e v e l o p m e n to fb a t t e r yt e c h n o l o g y ，w em u s tr e d u c et h ep o w e r c o n s u m p t i o nt oi n c r e a s eb a t t e r yp o w e rs u p p l yw h i c hp r e s e n t s as o l u t i o no f l o w - p o w e rw i r e l e s s a u d i ot r a n s m i s s i o n s y s t e m t h i s p a p e ri n c l u d e s t h e f o l l o w i n gf o u r p a r ts t u d y ： ( 1 )r r e s e a r c h i n g o nt h ec u r r e n ts h o r t - r a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g ya n dc o m b i n i n gt h ec h a r a c t e f i s t i c so fa u d i os i g n a l s ，t h em o d e lo ft h e s y s t e mi se s t a b l i s h e d t h r o u g ht h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n a l y s i so ft h em o d e lo f t h es y s t e mi nv a f i o u sp a i r t s ，t h eb a s i cp r i n c i p l eo fs y s t e md e s i g nh a sb e e np u t f o r w a r d a f t e r g i v i n gt h eo v e r a ud e s i g no ft h es y s t e m ，d e m o m s t r a t i n g 孤d o p t i m i z i n g ，t h eu l t i m a t es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sf o r m e d ( 2 ) s c r e e n i n go u tt h ec u r f e n tr a d i oc h i p ，a u d i oc h i p sa n dm i c r o c o n t r o l l e r s a n da c c o r d i n gt ot h ea i mo fl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o w - c o s t ，s i m p i ed e s i g n s t r u c t u r e ，t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o do ft h e n r f 2 4 zla u d i ot r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e np u tf o r w a r d ( 3 ) t bp r e v e n ts c r e e c h ，e c h oi n h a b i t a t i o nh a sb e e na d d e dt ot h es y s t e mt o e n h a n c et h ea u d i oq u a l i t y i nd r d e rt op r e v e n tm u t u a li n t e r f e r e n c e ，w eg i v et h e s t r a t e g yo nc o m m u n i c a t i o n sl i n k so fp u b l i ca d d r e s sa n dp r i v a t ea d d r e s s s i m i l y ， t op r e v e n tt h ec h a n n e lp l u g ，t h ea d a p t i v ef r e q u e n c yh o p p i n gt e c h n o l o g yh a s b e e na d d e d ( 4 ) t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i so nm o n o p o l ea n t e n n a ，w ed e s l g nau n l p o l a r a n t e n n aa n dd o e ss t i m u l a t i o nt e s to ni t t h er e s u l t ss h o w e dt h a t ：t h ed e s i g nr e d u c e st h ep o w e rc o n s u m p t i o no ft h e s y s t e me f f e c t i v e l y w h i c hc a nw o r kf o r2 0h o u r sa n ds o l v et h ep r o b l e mo f s c r e e c ho ft h ew i r e l e s sm i c r o p h o n e a sar e s u l t ，a n t i _ ja m m i n ga b i l i t yh a v eb e e n s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e da n dt h ep r a c t i c a ir e q u i r e m e n t sh a v ea l s ob e e na c h i e v e d k e yw o r d s ： n r f 2 4 2 1 ：wir ele s sa u diot r a n s m is sio n ； l o w p o w e r ； f r e q u e n c yh o p p in g ：e c h os u p p r e s sio n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大 学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：打海日期：d 乱午、f 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅：学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：瓠、；分 新虢砂胁日期：眼 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1课题背景及来源 随着计算机及多媒体技术的进步，以计算机为主体的多媒体教室也越来 越普及。多媒体教室中的集体授课的优势是很明显的：它没有改变师生已经 熟悉和习惯的课堂教学形式，教、学双方很容易适应，不会造成心理压力： 图、文、声、像并茂，课堂教学变得生动活泼，形象直观，能够有效地吸引 并保持学生的注意力。因此，多媒体教室的建设速度加快，许多大学多媒体 教室数量占全校教室总量一半以上，有的甚至高达百分之八十。由于多媒体 教室技术先进、设备昂贵、管理复杂，教师对系统的依赖性强，而系统性能 对教学影响非常大。 目前多媒体教室所使用的短距离无线话筒是以模拟音频电路为主，一个 无线话筒只能固定到一个教室中使用，而且需要人为地小心地错开相近的射 频频点或邻接的外界干扰信号，否则相邻的教室就会发生串音或有干扰噪音 而无法使用：由于目前的无线话筒大都没有对回声进行抑制处理，使得无线 话筒的音质很差，并且容易产生啸叫；电路功耗特别大，普通的9v 电池连 续使用4 个小时就基本上耗光，成了学校最大的耗用品瞳】。 本项目来源于西南科技大学多媒体课堂教学中无线语音传输设备的制 造，目标就是设计一种低成本、超低功耗、无失真、体积小、携带方便的无 线数字音频传输系统，满足教师上课之用。另外，该系统可以应用在无线音 响和家庭影院等消费娱乐性电子产品中。总之，该产品具有非常广阔的市场 前景。 1 2 国内外研究现状 随着现代科技的发展及数字化技术的广泛应用，传统模拟无线音频传输 系统已经不能满足人们的需要，先进的数字化无线音频传输系统顺应了时代 发展的潮流，它克服了传统无线音频传输系统的不足，以其优异的性能得到 人们的认可。 世界上无线话筒生产技术一流的国家是德国、奥地利、美国，其次是日本。 德国的纽曼u 系列和森海塞尔m d 系列，纽曼u 系列其优点是“全天候 话 筒，可在高温、低温、高湿度、低湿度环境下正常工作；森海塞尔m d 系列， 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 适合录音棚中乐队乐器拾音。奥地利a k g d 系列和c 系列，d 系列是动圈式 话筒系列，适合人声和木管、铜管的演奏；c 系列是电容话筒，适合弦乐器。 美国的e v n d 系列和舒尔s m 系列、b e 2 t a 系列，e v n d 系列是动圈式，适 合入声与强声压级乐器；舒尔s m 系列、b e t a 系列，适合现代音乐演唱。日 本铁三角驻极体话筒，适合中音频声音拾取，如中高音的木管、铜器等。 表卜1国外领夹式无线话筒 t a b i e 1 1f o f d e rf r o ma b r o a dw ir e i e s sm i c r o p h o n e 在国内，比较著名的无线话筒生产厂家有湖山电子、深圳辉煌、乐贝尔、 凯新等。 表卜2国内领夹式无线话筒 t a bi e 1 2f o l d e rf r o mt h ed o m e s t i c _ ir e l e s sm i c r o p h o n e 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 田卜1 潮山d s _ i i 系列无线话筒 f j e 卜l - ir i e s sm j c r o p h o n eo fh u 8 h a n 一us e r ie s 由以上可以看出，现行的高级无线音频传输系统大多功能全。但价格高， 特别是国外著名品牌。再者，由于其体积较大，设计主要适用于大型会议、 演唱、及录音模式下工作，如果将其用到教师多媒体课堂教学中，这不仅是 经济上的浪费教师应用起来也比较繁杂。而市场上简单的低价无线话筒， 由于受竞争压力影响，一味的降低产品成本，通常采用模拟电路，导致其功 耗很高，所以不很实用。 所以，本设计系统是专门针对教师的课堂教学，精简了专业无线话筒的 功能，给出一套数字式低功耗、低成本、高保真、抗干扰力强的无线音频传 输系统的设计方案，使其在在价格、品质上有很大的优势。 1 3 本课题的主要研究内容 近几年，随着消费者对于高性能、低功耗、低成本的要求不断提高，半 导体厂商纷纷推出一系列芯片来满足市场的需要。这使得设计出一款低功耗 的数字无线音频传输系统成为可能。 本文的主要研究内容： ( 1 ) 对目前短距离无线通信技术进行研究，建立无线音频传输系统的模 型对其进行分析给出系统最终的结构流程图。对目前的射频芯片、 音频芯片和微控制器进行筛选比较，以低功耗为首选。以低成本、结构 设计简单为目标，选择合适的芯片，给出最佳的设计方案。 ( 2 ) 研究基于n r f 2 4 z l 射频苍片为核心的音频传输系统的硬件、软件构 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 成及其实现。对系统功耗进行分析，对控制过程进行优化。 ( 3 ) 为了防止系统间的干扰，提出公共地址与私密地址连接的通信策略， 为防止信道堵塞，加入了自适应调频技术。 ( 4 ) 设计出适合本系统的单极天线，并对天线进行仿真实验。 1 4 本文的结构 本论文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章绪论：简要介绍了选题背景、课题的相关研究现状，以及课题 研究的主要内容。 第二章音频声学基础与数字化：简要介绍了声波的基础知识，然后讲 述了数字音频的实现方法，最后简要介绍常用数字音频的接口标准。 第三章系统总体设计方案：首先对无线通信系统进行能耗分析，讨论 了降低能耗的办法。根据设计要求，提出初步设计方案。对初步设计方案进 行改良，确定了最终的设计方案。 第四章发射模块设计：通过介绍常用传声器的物理特性，选择适当的 传声器作音频信号采集：比较常用音频信号模数转换芯片，选择适合本文设 计的芯片；详细介绍了发射部分的的硬件设计思路，给出了电路图原理，给 出了单极天线的设计方法，给出了仿真结果；最后给出了发射模块的软件流 程。 第五章接收模块设计：首先对音频信号的数模转换芯片进行选择，然 后介绍了无线接收模块的硬软件设计流程。 第六章系统调试及性能测试：给出了系统各个模块的软硬件调试过程。 最后，收发模块实物做了性能测试，给出其的性能指标。 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 2 音频声学基础与数字化 2 1声波 声音是由物体的振动而产生的，正在发声的物体叫做声源，声音是通过 空气分子延续声源的振动来传播的。空气分子前后撞击，将能量振动从声源 传播开来，声音的传播是将本地振动向一个接一个的区域传播的过程【3 1 。 由振动理论可知，具有质量和弹性的物体，在一定条件下都可以发生振 动。振动的物体带动周围介质的振动并向远处传递这种振动，便产生了波， 这种波叫做机械波。质点的振动方向与波的传播方向垂直的叫横波，凸起部 分叫波峰，凹下部分叫波谷；质点的振动方向与波的传播方向在同一直线上 的叫纵波，质点分布密的叫密部，分布疏的叫做疏部。本地空气分子的位置 变化是沿着振动传播的方向进行的，因此声音是纵向传播的，所以声波是一 种纵波。 2 2 描述声波的物理量 2 2 1 周期与频率 通常将振动物体完全一次振动所需要的时间称为周期，用r 表示，单位 是秒( s ) 。周期反映该振动重复的快慢，周期越长，振动的重复越慢：周期 越短，振动的重复越快。 频率是指单位时间内物体所完成的振动次数，常用厂表示，单位是赫兹 ( & ) ，数值上等于周期丁的倒数，即厂= 蛑。根据声波频率高低的不同， 可以将其分为三类：将频率低于2 0 舷的称为次声波，频率在2 0 勉2 0 尉眨的 称为可闻声波，而将频率高于2 0 k 舷的声波称为超声波。本论文主要研究的 是2 0 胁2 0 k 胁之间的可闻声波，也就是可被入耳感知的声波。 2 2 2声速 声速是声波的传播速度，空气中的声速为： c = 再 - ， 式中，p 。是大气压强( 1 0 1 3 1 0 5 p 口) ，p 是空气的密度( 在0 。c 的温度，一 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 个大气压下空气的密度为1 2 9 3 k g m 3 ，7 是比热比( 对于空气，= 1 4 1 ) 。 2 2 3 声压和声压级 声波在媒质中传播时，媒质的各个部分会产生压缩与膨胀的周期性变 化。当压缩时媒质的压强增大，当膨胀时媒质的压强减小，变化部分的压强 ( 即总压强与静压强的差) 称为声压，通常用仪器测出的是有效声压，所以 习惯上将有效声压简称为声压，用p 表示。 由于人耳能听到的声压范围很大，用它来表示很不方便。实验证明：入 耳对声压强弱的感觉是与声压的对数成正比( 即韦伯定律) 。因此引入声压 级的概念，用三。表示，其定义为： o - 2 0 1 9 寺 ( 2 2 ) 式中p ，为参考声压，规定取l k 眈的可闻阈声压，即n = 2 1 0 一加甜。声压 级的单位是分贝汹) ，通常人耳的可听阈声压级为。招( 1 托眈) ，痛阈声压级 为1 2 0 1 4 0 捆。 2 3数字音频 我们知道在模拟音频技术中，通常以磁介质来记录声音。由于模拟音频 的记录方式是线性，它是由无数个连续变化的磁场状态组成的，因此根本无 法从中找到一个代表声波元素的绝对磁场强度。每个点的磁场强度也不是单 独存在的，所以存储介质的磁性变化将会直接影响到模拟音频的回放质量。 数字音频是通过将声波波形转换成一串连续的二进制数据，通过它来保 存声音的。数字音频主要依靠模数转换器，在每一个时间间隔，不间断的 在模拟音频的波形上采取一个幅度值，将这种过程称为采样。采样标本是指 每个采样所获得的数据，与该时间点的声波信号相对应，若把连续样本连接 起来即可描述一段声波，而每秒对声波的采样次数称之为采样频率( 单位： 赫兹) 。对于每一个采样来讲，系统都会分配一定的储存位数来表达声波的 振幅状态，称之为采样精度，采样精度越高，声音被还原的越细腻。数字音 频是经过采样和量化后得到的，通常称时间上的离散叫采样，而幅度上的离 散叫量化f 4 1 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 2 3 1抽样定理 将时间和幅度都连续的模拟声音信号变为数字信号，就要对其进行离散 化处理。抽样就是实现模拟信号在时间上离散化的过程，即完成抽取离散时 间点上的信号值( 常称之为样值) 的任务。 模拟通信系统传输的是模拟信号的波形，而模拟信号的数字传输，传输 的是模拟信号经抽样、量化、编码后的样值。显然从波形上看，后者只传输 了部分波形，如果这部分波形代表了模拟信号的全部信息，就说明模拟信号 的波形存在冗余。从效率的角度来看，我们希望包含模拟信号全部信息的样 值越少越好，显然无限度是不可能的，要想得到这个极限频率，我们就要借 助抽样定理。 抽样定理的描述为：频谱成分限制在厶以下的带限信号( ，) 以用时间上 小于或等于厂间隔疋( 即互i ) 的样值序列厂( 七t ) 无失真地恢复厂( ，) 。 。ji 二j _ 抽样定理表明，要能不失真地从样值序列中恢复原来的带限信号厂( ，) ， 抽样间隔疋或抽样速率f 必须满足下面的条件： z 去 c2 一s ) 或 z 2 无 ( 2 4 ) 通常取等号的最小抽样速率z 叫做奈奎斯特速率；最大抽样间隔i 叫做 奈奎斯特间隔。由于抽样间隔是相等的，所以也叫做均匀抽样定理。 以上讨论了低通信号( o 无) 的抽样定理，但在实际系统中，还会遇到 频谱限制在五与厶之间的带通信号( f ) 。其中无称为带通信号的下截止频 率，厶称为带通信号的上截止频率，召= 厶一无称为带通信号的带宽。 假设带通信号的上截止频率厶与信号的带宽丑之间的关系为 厶= ，+ b + 忌口， o 七 1( 2 5 ) 式中刀为小于厶b 的最大整数。当七为。时，厶是带宽b 的整数倍。 对带通信号厂( r ) 来说，抽样频率不一定需要大于带通信号上截止频率厶 的两倍。带通信号的抽样定理表明此时的抽样频率z 满足下列关系 z = 2 b ( 1 + ) ( 2 6 ) 人类听觉的上限频率为2 0 k 舷附近，所以数字音响设备的采样频率大多 选择4 0 5 0 k 眈。由于本系统要实现c d 的音质效果，所以采样频率应选择 为4 4 1 圈吻，其采样周期z = 2 2 6 7 6 坤。 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 2 3 2量化 抽样就是将模拟信号变成在时间域上离散的脉冲信号，但是脉冲的幅度 仍然是模拟的，还必须进行离散化处理，才能最终用数码来表示，这就要对 幅值进行舍零取整处理，这个过程称为量化。在这个过程中，首先将模拟的 音频信号的幅度在动态范围内划分为相等间隔的若干层次，然后将取样输出 的信号电平按照一定原则归入最靠近的量值。 量化有两种方式，一种方式为取整时只舍不入，即0 l 伏间的所有输 入电压都输出o 伏，l 2 伏间所有输入电压都输出1 伏等。采用这种量化 方式，输入电压总是大于输出电压，因此产生的量化误差总是正的，最大量 化误差等于两个相邻量化级的间隔。另一种量化方式为在取整时有舍有 入，即o 0 5 伏间的输入电压都输出o 伏，o 5 1 5 伏间的输出电压都输出 l 伏等。采用这种量化方式量化误差有正有负，量化误差的绝对值最大为 2 。因此，采用有舍有入法进行量化误差较小。 在工程之中，实际取样值和归入的量值是有差别的，如果划分的层次越 多，即量化的比特( 6 f ，) 数越大，则量化精度越高，误差就越小，动态范围也 越大，信噪比也越高。 用疗比特的量化能够表现出的动态范围d 由下式计算 d = 2 0 1 9 2 ”+ 1 7 6 ( 2 7 ) 式中，d 为动态范围( 妇) ，刀为采样比特数。 在c d 音质系统中刀= 1 6 ，因而可计算出理论上的动态范围为d = 9 7 8 柏， 实际应用中已远超过该值。 2 3 3编码 将取样、量化所得的值变换为二进制数码的过程称之为编码。在数字音 频处理系统中，通常采用1 6 位( 6 f f ) 数码表示一个量值，即量化数刀= 1 6 。 2 3 4帧结构 数字信号是以字符为单位的，若偏移1 位就会使该字符代表的信号发生 改变。为此必须将记录信号分割成很小的字组，并设法判断出各字组之间的 分隔线，这样的字组常称之为帧。在帧与帧之问插入帧同步信号作为分界线。 在一帧数字信号中，含有若干个携带信息的数据字，还含有帧同步字、纠错 检查字、控制字等。在不同的系统中，帧的结构也不尽相同。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 2 4 数字音频接口标准 在数字音频设备的互连系统中，由于数字化设备在进行a d 、d a 变换 以及数字信号处理时所使用的采样频率及量化比特数彼此存在差异，因此要 求互连设备的采样频率及量化比特数应保持一致，否则对传输的信号将产生 损伤乃至设备不能工作。为了实现不同格式的数字音频设备之间的相互连 接，因而制定出大家共同遵守的、统一的数字信号输入输出格式对接，即 数字音频接口标准。 目前在数字音频应用领域中，数字音频接口标准有很多，两声道的接口 标准主要有s p d i f 、i i s 和a e s e b u 接口标准，下面将主要介绍s p d i f 和 i i s 数字音频接口标准，而其他的接口标准可参考相关文献【5 】【6 1 1 7 】【引。 2 4 1s p dlf 标准 s p d i f 的全称是s o n y p h i l i p sd i g i t a l i n t e r f a c ef o r m a t ，是a e s e b u 的 民用( 消费类) 格式的数字音频接口，大量的消费类音频数字产品如民用 c d 机、d a t 、m d 机、计算机声卡数字口等都支持s p d i f ，在不少专业设 备上也有该标准的接口。 s p d i f 格式和a e s e b u 有略微不同的结构。音频信息在数据流中占有 相同位置，使得两种格式在原理上是兼容的。在某些情况下a e s ，e b u 的专 业设备和s p d i f 的用户设备可以直接连接，但是并不推荐这种做法，因为 在电气技术规范和信道状态位中存在非常重要的差别，当混用协议时可能产 生无法预知的后果呻。 2 4 1 1s p dif 编码格式 s p d i f 的音频格式【1 0 】【l ij 可以从1 6 位扩展到2 4 位，它所支持的典型信 号采样速率为3 2 k 勉、4 4 1 咒陇和4 8 尺胁，相应的码率为2 此您、2 8 膨眈和 3 1 膨舷。传输中的数字信号采用“双相位表示码 ( b i p h a s i cm a r kc o d e ，以 下简记b m c ) ，它是一种相位调制，在一个数据为的时间里，如果对应的 b m c 出现2 个过零点意味着逻辑1 ，而一个过零点意味着逻辑0 。 由图2 - l 可见，时钟频率是码率的2 倍，每位逻辑数据都被表示成2 个 逻辑状态，从而构成一个码元。一个码元的长度( 在时间上) 等于一个数据 位的长度。一个码元开始的逻辑状态总是和前一个码元的后一个逻辑状态反 相，而同一个码元内的2 个逻辑状态或者相同( 传0 ) ，或者相反( 传1 ) 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 0 页 时钟 数据 信号o 一 榭。一 志信号”。一 码元 l 0ollol00l0 lol l00l0lol lo1o0l l0l0 o 图2 1双相位表示码 fig 2 1 t w o p h a s ec o d e 每个3 2 6 以字开头的4 6 妇( 召打o b f f 3 ) 构成了一个引导符( p r e a m b l e ) ， 它仅是用来实现同步，在长度上等于4 个数据位，但并不包含任何数据：它 也不采用b m c ，所以在这里连续出现0 或l 的个数可以超过2 。共有3 种不 同类型的同步引导符( 见表2 1 ) ，它根据前面3 2 6 泌字的最后一个码元的结 尾相位，选择以不同的形式出现。 表2 1 引导符说明 柏符詈雯= 专：黑嚣码 含义 码元结尾：。o ”) 元结尾：。l ”) 一 2 4 1 2 子帧、帧和块结构 每个音频样本按照3 2 个6 沁组成的字结构传输，这个3 2 6 以字又称为子 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 帧( s u b f r a m e ) ，子帧的组合就构成了帧。在每一个帧中，子帧的数目是由 传输中的声道数来决定的，例如在c d 播放器中，通常采用声道a 和b ( 左 右) ，则每帧中包含有2 个子帧。一个块由1 9 2 个帧构成，并且是由引导符 “b 开始的，如图2 2 所示。 i 声道bh i声道aw声道bb声道aw声道bm声道aw声道b 子帧 子帧 l 侦1 9 l 啊 0 帧l 块开始 图2 2子帧、帧和块结构 fig 2 2 s u b f r a m e f r a m ea n dbio c ks t r u c t u r e 每个子帧的第3 1 位( 6 沁3 0 ) 是声道状态信息位( 见表2 2 ) ，左右声道的 该位是独立的。在每块所包含的1 9 2 个帧中，信息位共同组成了1 9 2 6 泌的声 道状态块( 对双声道，为2 个1 9 2 6 以的声道状态块a 和b ) 。 表2 2子帧结构 t a ble 2 2s u b f r a m es t r u c t u r e 比特位含义 引导符( 不采用b m c ) 辅助音频数据位 音频样本( 一个2 4 b i t 的样本占用b i t s 4 7 ，c d 播放器需要1 6b i t ， 所以b i t l 2 ( l s b ) 2 7 ( m s b ) 被占用，而b i t 4 l l 被设置成0 合法标记( 当该位被设置成1 时，样本不能被接收机使用) 用户数据 声道状态信息 奇偶校验位( b i t 0 3 不包含) 声道状态块中的第2 位是用来表明在s p d i f 帧中，数据是数字音频或 者其它的数据流。由于s p d i f 可以携带正规的音频流或i e c 6 1 9 3 7 的数据流 ( 它可以包含多声道的音频。例如m p e g 2 ，a c 3 或d t s ) ，当i e c 6 1 9 3 7 数 q q 吲 盟 凹 钉 0 4 舻 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 据流被传送时，通常携带音频样本的比特位，将被来自该数据流的比特位和 s p d i f 信号的头部所取代，并且将第二个声道状态信息位置为1 。该比特位 用来通知正常的数字音频设备，不要尝试着把这些数据当作音频样本回放， 这样就可以正确地处理常规音频和i e c 6 1 9 3 7 的设备了。 2 4 2i is 标准 i i s ( i n t e r i cs o u n db u s ，又称1 2 s ) 是飞利浦公司开发制定的又一总线标 准，i i s 界面采用沿独立的导线传输时钟与数据讯号，这种设计可将完整的 声道状况与使用的比特分开传输。i i s 可让总时钟在接收器中产生，传输器 作为一个从设备工作。它完全配合各种消费者及专业化产品。并可适应今日 3 2 k ，4 4 1 k ，4 8 k 取样频率产品以及将来的8 8 1 k 和9 6 k 取样率。i i s 适用 于数字模拟转换、数字信号处理、c d 和数字录音中的错误纠正、数字滤波 器、数码输入输出接口等诸多方面【1 2 儿13 1 。 2 4 2 1 i is 规范说明 1 2 s 总线由3 条数据线来完成数据的传输，分别为串行时钟线，声道选 择以及串行数据线。图2 3 为一个典型的1 2 s 信号图【1 4 1 。 眯n 咖兀丌唧f l 咖唧咖1 1 1 f 1 咖咖f 1 唧f l f l 擞门竺竺竺竺竺卜丽赢忑：1 、 “酣 、c ”叼 、r m u l 觚 、_ 0 “ 一啪噩阻 日曰( 口口口口 】口。 j 日日跚臼曰 ) 口口【凇 ：l 矾s 舯p i ei i 硒卧s a 咄 i：l 矾s 舯p i ei ： 硒卧s a 咄 i 图2 3典型的i 2 s 信号图 f i g 2 3 i2 st y p i c a is i g n a ip i a n s 2 4 2 2 串行时钟信号( s c k ) 串行时钟s c k ，也叫位时钟( b c k ) ，即对应数字音频的每一位数据， s c k 都有1 个脉冲。s c k 的频率等于2 乘以采样频率再乘以采样位数。在 数据传输过程中，由于发送器与接收器具有相同的时钟，所以二者均可作为 系统的主机来提供系统的时钟频率。然而在一些较为复杂的系统中，会有多 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 3 页 个发送器与接收器，难以定义个合适的主机，为此，也可以由外部的控制 电路提供系统时钟频率。 2 4 2 3 帧时钟( w s ) 帧时钟w s 用于切换左右声道的数据。当w s 为“l 一时表示正在传输 的是右声道的数据，为“o ”则表示正在传输的是左声道的数据。帧时钟可 以在串行时钟的上升或者在下降沿发生跳变，而不需要对称。 2 4 2 4 串行数据信号( s d ) 串行数据s d ，用二进制补码表示的音频数据。串行数据的传输有两种 格式，但1 2 s 总线总是首先传送最高位( m s b ) ，因为发送器跟接收器的字 长可能不同。如果接收器能处理的有效位数少于发送端，则将放弃数据帧中 多余的低位数据，若多于发送端，则自行补足剩余位( 置为0 ) 。发送器总 在w s 跳变的后的一个时钟开始发送下一个字的最高位，发送器在与时钟信 号上升沿或下降沿同步时均可发送数据，而接收器必须要在时钟信号的上升 沿时才能接收数据。 2 4 2 5 电平定义 输出电平：兕 2 4 矿，这两个电平必须可以驱动一个t t l 输 入。输入电平：纥 2 0 矿。 2 4 2 6延迟 1 2 s 总线在音频应用中对实时性有很高的要求，为此，对其的延迟也要 进行说明。因为在1 2 s 总线中，任何设备都可以通过提供时钟作为系统的主 机，这样，从机相对而言就必须获取外部时钟作为其内部时钟信号。考虑到 这一点，总的延迟即由两部分组成，它们分别是：外部时钟和从机的内部时 钟之间的延迟，内部时钟和串行数据信号以及帧时钟之间的延迟。 2 5 本章小结 本章首先从音频信号入手，详细介绍了音频的声学基础知识。然后根据 数字信号的采样定理，提出了将模拟音频信号转换为数字信号的实现方法。 最后简要介绍常用数字音频( s p d i f 和1 2 s ) 的接口标准。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 3 系统总体设计方案 短距离无线音频传输有许多方法，可供选择的器件和运用的技术也有多 种。因此，系统的总体设计方案应在满足系统整体性能指标的前提下，要充 分考虑使用的环境，所选的结构要尽量简单实用、易于实现，器件的选用要 着眼于合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本以及较好的互换 性能。 3 1 数字无线通信系统简介 数字通信系统就是利用数字信号来传递信息的通信系统，结构原理图如 图3 1 所示。数字通信涉及的技术问题很多，其中有信源编码、信道编码、 保密编码、数字调制、同步问题等等。 图3 1 数字通信系统模型 f i g 3 1d i g ；t a ic o m m u n j c a t i o ns y s t e m - o d e i 3 1 1信源编码与译码 信源编码的作用有两个，一是将模拟信号转换成数字信号，即通常所说 的模数转换：二是设法降低数字信号的数码率，即通常所说的数据压缩。编 码比特率在通信中直接影响传输所占的带宽，而传输所占的带宽又直接反应 了通信的有效性。信源译码是信源编码的逆过程。 3 1 2 信道编码与译码 数字信号在信道传输时，由于噪声、衰落以及干扰等因素，将会引起差 错。信道编码的目的就是提高通信系统抗干扰能力，尽可能地控制差错，实 现可靠通信。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 5 页 3 1 3 加密与解密 为了保证数字信号与所传信息的安全，将输入的明文信号人为扰乱，即 加上密码，这种处理过程叫加密。在接收端对收到的信号进行解密，恢复明 文。 3 1 4 调制与解调 数字调制的任务是把各种数字信息脉冲( 基带信号) 转换成适于信道传输 的数字调制信号( 已调信号或频带信号) ，数字解调是数字调制的逆过程。 在某些有线信道中，若传输距离不太远且通信容量不太大时，数字基带 信号可以直接传送，称之为数字信号的基带传输。而在另外一些信道，特别 是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到 高频处才能在信道中传输，将这种传输称为数字信号的调制传输( 或频带传 输，或载波传输) 。 3 1 5同步 同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致，按照同步的作用不 同，分为载波同步、位同步、群同步和网同步。同步是保证数字通信系统有 序、准确、可靠工作的前提条件。 3 2 系统能耗分析 3 2 1处理器功耗分析 为了设计出低功耗的无线音频传输系统，必须对其系统能耗进行分析。 作为控制核心的m c u ，其低功耗设计也相当重要。在目前以静态c m o s 设计 为主的集成电路中，其功耗的主要部分是电路的开关功耗，或者叫动态功耗， 它来源于对负载电容的充放电电流。其他的功耗来源包括短路功耗、静态功 耗和漏电流功耗，它们只占系统功耗的小部分，且主要由芯片制造工艺决 定，在此不作讨论。而系统动态功耗可由下式来决定： 乞= 妒l ( 3 1 ) 式中，口为反映电路开关活动几率的因子，厂为系统工作频率，c ，为输出节 点的集总负载电容，为系统工作电压。从上式可以看出，系统动态功耗 与电路开关活动几率、系统工作频率和总负载电容以及系统工作电压的平方 成正比。因此，在设计中主要从系统层次和逻辑层次的几个方面进行低功耗 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 6 页 考虑。 休眠唤醒机制的基本原理是关闭系统中暂时不使用的部分，甚至包括 c p u 的核心模块，以降低系统总体的能源消耗。中断会使m c u 退出低功耗 模式，因此，m c u 的中断越多，防止m c u 轮询的机会就越多，降低功耗的 灵活性就越大。低功耗m c u 应具有很强的中断功能，为所有外设提供中断， 同时为外部事件提供众多外部中断。在具备中断情况下，m c u 可以在整个过 程中保持睡眠状态，只有产生中断时才激活。 3 2 2 无线传输芯片功耗分析 无线传输芯片负责与其它节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集 数据；其中无线通信损耗的能量占了整个无线音频传输系统能耗的绝大部 分，因此对无线传输芯片的选取事关低功耗设计的全局。 无线传输模块的功耗是选择策略中的第一要素，应在满足应用需求的情 况下，尽量选择功耗低的。只有降低这一模块的功耗才能降低整个系统的功 耗。 除了考虑功耗因素外，还可以考虑从以下几点：发射功率、灵敏度、成 本以及数据传输是否需要进行曼彻斯特编码等。在同等条件下，为了保证有 效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品，但是产品标注的发射功率 并不一定就是实际的发射功率，有些芯片标注发射功率虽然较高，但是由于 其外围元件多，实际的发射功率远达不到标称值。采用曼彻斯特编码的芯片， 在编程上难度较大，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的1 3 ；而采用串口传输的芯片， 应用及编程非常简单，传送的效率很高，标称速率就是实际速率。 另外芯片的成本也是产品开发中非常关键的一环，芯片及外围电路所需 外围元件的数量往往直接决定系统的成本，集成度高的芯片会减少系统必需 元件，从而降低成本。 目前射频芯片生产厂商，主要有x e m i c s 、n o r d i c 、r f