（通信与信息系统专业论文）基于mcf5213的对讲机系统的设计与实现.pdf

摘要 摘要 w a l k i e t a l k i e 是对讲机的一种，其在人们的日常生活中的应用也越来越广泛。 经过多年的发展，w a l k i e t a l k i e 产品日趋成熟并且多元化。随着短距离无线通信 技术的发展，w a l k i e t a l k i e 呈现出与短距离无线通信新技术相结合的新趋势，出 现了采用z i g b e e 网络的w a l k i e - t a l k i e 新产品。除此之外，w a l k i e t a l k i e 与各种语 音编解码技术的结合，以及为特定客户设计具有特定的功能的对讲系统具有重要 研究价值和应用意义。 本文将简单介绍z i g b e e 短距离无线网络技术和( 3 7 2 6 编解码算法。与其他短 距离无线通信技术相比，z i g b e e 技术具有发射功率小，数据传输速率低，设备成 本极低，功耗小等特点。g 7 2 6 语音编解码标准最近在工业界产品开发上的应用 也越来越广泛。g 7 2 6 语音编解码标准包含了16 k b p s ，2 4 k b p s ，3 2 k b p s ，4 0 k b p s 等4 种速率，针对不同的需求可以选用适合该产品开发的压缩比速率。c t 7 2 6 语 音编解码标准在对语音进行压缩的同时，也可以保证源语音的质量。 本文在深入分析z i g b e e 技术标准和( 3 7 2 6 语音编解码标准的基础上，提出了 一种基于z i g b e e 网络和g 7 2 6 协议，并在飞思卡尔m c f 5 2 1 3 微处理器开发平台 上设计和实现了w a l k i e t a l k i e 系统终端。与其他w a l k i e t a l k i e 话机设计方案相比， 本方案具有实现简单，成本较低，抗干扰能力强的特点，适合于家庭，办公室范 围内的无线语音通信。目前该方案已经得到功能验证。 本文重点介绍了该w a l k i e t a l k i e 系统终端的软硬件平台设计与搭建。详细介 绍了i - t c o s i i 操作系统在硬件平台上的移植，w a l k i e t a l k i e 系统终端的底层硬件 模块驱动的编写和测试，w a l k i e t a l k i e 系统终端应用程序的设计和实现。论文还 实现了软件的多层次优化，减少了目标代码量，提高了运行效率，并提出了针对 降低丢包率和提高其抗干扰性的解决方案。本文还给出了系统的测试方案和测试 结果，通过单元测试验证各单元模块的正确性和稳定性。在集成测试方面，主要 针对丢包率情况进行了测试。测试结果表明，该w a l k i e t a l k i e 话机能较好地完成 预期设计功能。 关键词：w a l k i e t a l k i e ，z i g b e e 技术，g 7 2 6 编解码，m c f 5 2 1 3 处理器 a b s t r a ( j r a bs t r a c t w a l k i e t a l k i ei so n ek i n do ft w ow a yr a d i o ，i ti sw i d e l yu s e di np e o p l e sd a i l y l i v e s t h r o u g hd e c a d e so fd e v e l o p m e n t ，t h ep r o d u c t so fw a l k i e - t a l k i en o w i sm a t u r e a n dd i v e r s i f i e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h o r t - d i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , an e wt r e n d o ft h ec o m b i n a t i o no fw a l k i e - t a l k i ea n dt h en e w s h o r t d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss h o w n ，s u c ha sw a l k i e - t a l k i e w h i c hu s e dz i g b e et e c h n o l o g y b e s i d e s ，t h ec o m b i n a t i o no fw a l k i e - t a l k i ew i t hv o i c e c o d e ct e c h n o l o g y , a n dd e s i g ns p e c i f i cf u n c t i o nf o ras p e c i f i cc u s t o m e ri sa l s o i n e x p l o r a t i o n ，a n di ti sf u l lo fi m p o r t a n tr e s e a r c hv a l u ea n da p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs i m p l yi n t r o d u c e ss h o r tw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g yo fz i g b e ea n d g 7 2 6p r o t o c 0 1 c o m p a r e dw i t h o t h e rs h o r t - d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , z i g b e et e c h n o l o g yh a st h ef e a t u r e so f l o w e rt r a n s c e i v e rp o w e r , l o w e rd a t a r a t e ，l o w e rc o s ta n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n g 7 2 6p r o t o c o li sw i d e l yu s e di n p r o d u c td e v e l o p m e n ti n d u s t r y t h e g 7 2 6p r o t o c o lc o n t a i n s4s p e e d s ，s u c ha s ：16 k b p s ， 2 4 k b p s ，3 2 k b p s ，4 0 k b p s a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n td e m a n d so fp r o d u c t sd e v e l o p m e n t , w ec a nc h o o s et h es u i t a b l es p e e d g 7 2 6p r o t o c o lr e d u c e st h es p e e do ft h ev o i c e ，a n d d o e sn o td e s t r o yt h eo r i g i n a ls o u n d b a s e do naw e l la n a l y s i so fz i g b e et e c h n o l o g ys t a n d a r da n dg 7 2 6p r o t o c o l ，t h e p a p e rp r e s e n t sa s c h e m eo f d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fw a l k i - t a l k i es y s t e mt e r m i n a l o nf r e e s c a l em c f 5 2 13m i c r o p r o c e s s o rp l a t f o r m c o m p a r e dt ot h eo t h e rd e s i g n p r o g r a mo fw a l i e t a l k i es y s t e m ，t h i sd e s i g ni se a s y t or e a l i z ew i t hl o wc o s ta n dw e l l a v o i d a b l ei n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e ，i ti ss u i t a b l ef o rw i r e l e s sv o i c ec o m m u n i c a t i o ni n h o m ea n do f f i c ee n v i r o n m e n t n o w , t h i sd e s i g nh a sb e e nr e a l i z e do nt h ef r e e s c a l e p r o c e s s o rp l a t f o r m t h i sp a p e rf o c u so ni n t r o d u c i n gt h eo v e r a l ld e s i g nc o n c e p to ft h ew a l k i e t a l k i e ， c o n t a i n st h eh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h ei n t e g r a t i o no ft h es o f t w a r em o d u l e i t i n t r o d u c e si nd e t a i lp o r t i n gt h ep c o s - i io p e r a t i n gs y s t e mo n t oh a r d w a r ep l a t f o r m ， w r i t i n ga n dt e s t i n gh a r d w a r em o d u l ed r i v e r s ，a n dd e s i g n i n ga n dr e a l i z i n ga p p l i c a t i o n s o f t w a r eo ft h ew a l k i e t a l k i e m u l t i 1 e v e lo p t i m i z a t i o nh a sb e e nr e a l i z e dt ot h e s o f t w a r e n o to n l yt h ec o d e sa r er e d u c e d ，b u ta l s ot h eo p e r a t i n ge f f i c i e n c yi si m p r o v e d ， n a b s t r a c t a n di ta l s oi n t r o d u c e sas c h e m eo nr e d u c i n gp a c k e tl o s sa n di m p r o v i n gt h ea v o i d a b l e i n t e r f e r e n c ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra l s op r e s e n t ss y s t e mt e s t i n gm e t h o d sa n dt e s t i n g r e s u l t s ，u n i tt e s t sa r eu s e dt o t e s tt h ec o r r e c t n e s sa n ds t a b i l i t yo fe a c hu n i tm o d u l e i n t h ep r o c e s so fi n t e g r a t i o nt e s t i n g ，i tf o c u s e so np a c k e tl o s sr a t e t e s tr e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mc a n p e r f o r mt h ef u n c t i o no fa u d i oe x p e c t e d k e y w o r d s ：w a l k i e - t a l k i e ，z i g b e e ，g 7 2 6 ，m c f 5 2 13m i c r o p r o c e s s e r 图目录 图目录 l - lg a r t n e rd a t a r e q u e s t 对z i g b e e 设备应用发展的预测3 2 1 模拟对讲机的系统结构8 2 2 数字对讲机的系统结构一l o 2 3w a l k i e t a l k i e 音频无线传输系统架构1 l 2 4w a l k i e t a l k i e 终端的网络层次结构1 1 2 5 星形网络1 3 2 6 树形图形1 3 2 7 网状网络1 4 2 8g 7 2 6 编码原理1 6 2 9g 7 2 6 解码原理1 7 3 1m c f 5 2 1 3 开发板实物图：“2 5 3 2m c f 5 2 1 3 开发板硬件资源图2 6 3 3m c l 3 1 9 2 与m c f 5 2 1 3 引脚连接2 7 3 4 单个寄存器s p i 读时序。2 8 3 5 单个寄存器s p i 写时序2 8 3 6p & e 公司的b d m 调试接头2 9 3 7w a l k i e t a l k i e 软件架构3 0 3 8w a l k i e t a l k i e 的程序流程图3l 3 9i t c o s i i 的体系结构图。3 3 3 1 0o sc p u h 中数据类型定义3 4 3 1 l 状态寄存器s r 一3 5 3 12 任务堆栈初始化3 7 4 1 新建工程对话框一3 9 4 2p r o j e c ts t a t i o n e r y 选项4 0 4 3i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层模型4 l 4 4m a c 层模型4 3 4 5q s p i 模块的结构框图4 5 4 6q s p i 传输流程4 6 v i i 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图目录 图4 - 7q s p i 传输时序4 6 图4 8 键盘中断服务程序流程。4 9 图4 9u 触中断状态寄存器( u i m r ) 5 0 图4 1 0u a r t 中断服务程序流程5 0 图4 11 比特转换算法5 2 图4 - 1 2 搜寻最佳通信信道算法流程5 7 图4 13 信道同步算法流程5 8 图4 1 4 动态w l a n d i s c o v e r y 算法流程5 8 图4 1 5f e c 编码算法原理6 l 图4 16f e c 解码算法原理6 l 图5 1 测试平台实物图6 4 图5 2g c o s i i 任务调度测试。6 5 图5 3g 7 2 6 优化前的波形输出6 6 图5 4g 7 2 6 优化后的波形输出6 7 图5 5g 7 2 6 优化前的程序运行时间6 8 图5 6c t 7 2 6 优化后的程序运行时间6 8 图5 7 键盘驱动测试6 9 图5 8 各个信道信号能量测试6 9 图5 9 信道同步初始化测试7 0 图5 1o 动态w l a d q d i s c o v e r y 测试7 0 图5 1 1s l v l a c 层产品标准化测试界面7 l 图5 12s m a c 层测试选项2 7 l v i i i 表目录 表目录 表1 1 几种短距离无线协议比较。4 表2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 的扩频和调制参数1 5 表3 1c o d e w a r r i o r 编译器c 标准数据类型位数定义3 4 表4 1 物理层常量4 2 表4 。2 物理层p i b 属性4 2 表4 3 物理层主要函数接口4 2 表4 4m a c 层帧结构4 4 表4 5m a c 层主要函数接口4 4 表4 6m c l 3 1 9 2 驱动功能函数与m c f 5 2 1 3 控制引脚输出关系4 8 表4 7 各按键与其对应的中断引脚4 8 表4 8 三种编解码器的比较5 2 表4 9c o l d f i r e 寻址方式5 4 表4 1 0 是否采用流水线结构的代码对比5 5 表4 1 lw l a n d i s c o v e r y 模块的函数接口5 9 表5 1p e r 与信道能量的关系7 l 表5 2 采用f e c 机制的掉包错包情况的测试结果7 l 表5 3 未采用f e c 机制的掉包错包情况的测试结果7 l i x 缩略词表 英文缩写英文全称 a p l b d m d s s s f h s s g p i o m a c m i p s p a n o s i q s p i s ra m u a r t u w b w l a n 缩略词表 a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e b a c k g r o u n dd e b u gm o d e d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p e c t r u m g e n e r a lp u r p o s ei n p u to u t p u t m e d i aa c c e s sc o n t r o l m i l l i o n so fi n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d p e r s o n a la r e an e t w o r k o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e s t a t i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r u l t r aw i d eb a n d w j r e l e s si ，o c a la r e an e t w o r k s x 中文释义 应用程序编程接口 后台调试模块 直接序列扩频 跳频技术 通用输入输出 介质访问控制 百万条指令秒 个人局域网 开放系统互联模型 同步队列串行接口 静态随机存储器 通用异步接收发送 超宽带 无线局域网 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，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 为获得电子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 确的说明并表示谢意。 债匆弓k 迫弓厶 签名：一训lt = ! =日期：工口口f 年乡月1 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：言仅迫考芭 导师签名： 乏虹 日期：口护7 年z7 1 第一章绪论 第一章绪论 本章将介绍本课题的选题背景和研究意义，介绍对讲机系统的发展历史与趋 势，短距离无线通信发展概况，语音编码背景与现状，并给出作者在课题中主要 完成的工作，并简要介绍了各章节内容安排。 1 1 项目背景与课题研究意义 1 1 1 无线对讲机系统发展历史与现状及其趋势 无线电对讲机的涵盖范围较宽，通常将工作在超短波频段( v h f 3 0 3 0 0 m h z 、 u h f 3 0 0 3 0 0 0 m h z ) 的无线电通信设备都统称为无线电对讲机。实际上按国家的 有关标准应称为超短波调频无线电话机，人们通常将功率小、体积小的手持式的 无线电话机叫做“对讲机 。 无线电对讲机是最早被使用的无线移动通信设备，早在上世纪三十年代就开 始得到人们使用。1 9 3 6 年美国摩托罗拉公司研制出第一台移动无线电通信产品 “巡警牌调幅车用无线电接收机。到了1 9 6 2 年，摩托罗拉公司又推出了第 一台仅重3 3 盎司的手持式无线对讲机h t 2 0 0 ，其外形被称为“砖头”，大小和早期 的大哥大手机差不多。经过近3 4 世纪的发展对讲机的应用已十分普遍，已从专 业化领域走向普通消费，从军用扩展到民用。无线电对讲机就是移动通信中的一 个重要分支。它是一种无线的可在移动中使用的一点对多点进行通信的终端设备， 可使许多人同时彼此交流，使许多人能同时听到同一个人说话，但是在同一时刻 只能有一个人讲话。这种通信方式和其它通信方式有不同的特点：即时沟通、一 呼百应、经济实用、运营成本低、不耗费通话费用、节约使用方便，同时还具有 组呼通播、系统呼叫、机密呼叫等功能。 2 0 0 1 年1 2 月6 日，原中国信息产业部无线电管理部放开了对中国民用对讲 机市场的限制。民用对讲机市场的开放给社会大众在无线通信方面提供了新的选 择。民用w a l k i e t a l k i e 不产生通话费用，可以很方便地实现一对多的通话，价格 也比手机便宜。对讲机有很好的用途，有的地方手机信号不好，而对讲机是自行 电子科技大学硕士学位论文 发出信号进行通信，不受覆盖范围的影响，在外旅游的时候，使用对讲机更可以 减少大量的手机通话费用【l j 。在人们的日常生活，最常见的对讲机系统就是出租 车上的对讲机系统，该系统可以将多部对讲机组成一个子网，在该组网内可以免 费无限制的通信。 在外国，全新出击的无线电对讲机，早就成为了时尚生活的一部分，自由对 讲的新新指标，并掀起了世界范围内的一股狂热的“日常生活用无线电对讲机 之风。无论在欧美地区，还是在亚洲各地，如日本，韩国，不管是用于商业管理， 还是增添日常生活乐趣，它都是广受大众欢迎的新宠。 在对讲机市场日益成熟，相关产品日益增多的情况下，对讲机呈现出两种发 展趋势：一种是针对特定用户，增加一些特别的功能以满足客户的需求。譬如： 地理勘测经常需要涉及一些山岭，这时就需要对讲机的传输距离够远，信号发射 功率够大；而在一些无线类产品使用较多的地方，需要对讲机具备较高的抗干扰 性能。一种是低功耗，低价格的对讲机，这类产品主要是用于满足一般客户的需 求。 本w a l k i e t a l k i e 就是针对具备高抗干扰性的适用于家庭办公室小范围这样的 需求而提出的，该系统将使用华恒科技的m c f 5 2 1 3 开发板，该开发板价格低， 功耗小，能很好的满足本项目的需求。 1 1 2 短距离无线通信发展概述 当今，无线通信正在扮演着越来越重要的角色并且不断改变着人们的生活。 随着人们对家庭网络和自动化、办公自动化、医疗护理、消费电子、工业控制等 应用的要求，市场对短距离、低功耗、低成本、低传输速率的无线网络的需求迫 在眉睫。在此情况下，z i g b e e 无线技术适时地提出并有效地弥补了市场空白，由 于它很好的满足了人们的需求，所以在近年来得到了飞速的发展。 2 0 0 2 年8 月，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱公司、美国摩托罗拉公司、荷兰 飞利浦半导体等公司联合组成了z i g b e e 技术联盟，该联盟目的就是要制定z i g b e e 技术相关标准、促进z i g b e e 技术在全球范围内的推广、为z i g b e e 设备提供互操 作和一致性测试。迄今为止，全球已经有3 0 0 多家公司加入了该联盟1 2 j 。 在未来的几年里，z i g b e e 在工业控制、家庭和楼宇网络自动化、消费电子、 安全系统、农业控制、工业传感器以及医疗护理监控系统等多个领域具有广阔的 应用前景。z i g b e e 技术联盟预言在未来3 6 年内，平均每个家庭将拥有3 0 个z i g b e e 2 第一章绪论 设备，并将最终达到每个家庭18 0 个z i g b e e 设备。图1 1 给出了g a r t n e rd a t a r e q u e s t 公司经过市场调查后，其预测在今后的5 年之中z i g b e e 设备每年都将以1 倍速度 增长，z i g b e e 设备将会得到大量应用p j z i g b e e 技术的出发点是希望发展一个拓 展性强、易建的低成本无线网络，强调低耗电，双向传输和感应功能等特色。根 据市场调研o n w r o r l d 公司公布的一份报告表明，预计到2 0 1 2 年，世界市场由 z i g b e c 技术组建的无线网络系统与服务市场总值将迅速升至约6 4 亿美元。 1 6 0 1 4 0 钞；j 序。 ：j ， 移7 “j ： 4 知。 e 、 争 7 ， ， ； ： ， 缀。 ”i ： 矗； ； ：r 孵觋，一 二 ： 图1 - 1g a r n e rd a t a r e q u e s t 对z i g b e e 设备应用发展的预测 然而，目前市场上还存在着多种其它短距离无线通信技术，z i g b e e 技术还需 不断持续提高发展才能在这场市场争夺战中获得短距离通信的霸主地位。 z i g b e e 、蓝牙、u w b 这些标准遵从i e e e s 0 2 1 5 标准，i e e e 8 0 2 1 5 标准是i e e e 关于称为w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ( w p a n s ) 的短距离无线网络的协议族。 z i g b e e 运行在三个频段上，分别是2 4 g h zi s m ( i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 频段、 8 0 0 m h z 以及9 0 0 m h z 自由频段，蓝牙运行在2 4 g h z 的自由频段，而u w b 的运 行频率则相对广泛得多1 4 。相对于u w b 仅定义了链路层协议，z i g b e e 和蓝牙包 含了链路层、m a c 层和应用层等规范。表1 1 归纳了z i g b e e 与蓝牙，以及u w b 的协议对鳅引。 啪 啪 的 加 o (s口。一一一一基一 盟一c f l 电子科技大学硕士学位论文 表1 1 几种短距离无线协议比较 z i g b e e ( 8 0 2 1 5 4 ) 蓝牙( 8 0 2 1 5 1 )u 忸( 8 0 2 1 5 3 ) 频率范围( g h z ) 0 8 6 8 0 8 6 8 6 2 4 2 8 3 5 3 1 1 0 6 0 9 0 2 0 9 2 8 2 4 - 2 8 3 5 带宽( m h z ) 8 3 58 3 57 5 0 0 调制 b p s k ，o q p s k ，d s s sg f s k ，f h s sb p s k ，q p s k o f d m 最大数据速率 0 2 5 1 1 0 0 ( m b p s ) 覆盖范围( m ) 7 5 l o 1 0 功耗( m w ) 5 2 04 0 1 0 08 0 1 5 0 接入 c s m a c a ( 可选t d ) t d 未定义 组网 网状星形树形子网集群( 8 节点)未定义 z i g b e e 包含遵从i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的链路层和m a c 层协议，以及更高层协 议，涉及a d h o e 组网( 星形网络、树形网络和网状网络) 、功率控制以及安全性。 z i g b e e 采用p s k 调制以及d s s s ，支持最高2 5 0 k b p s 的数据传输速率1 6 1 。z i g b e e 适用于组建速率要求低，负载低的大规模网络。低功耗和高效率是z i g b e e 的要点， 其网络节低耗电待机模式下，使用普通2 节电池通常可以支撑数月甚至一两年1 7 。 相对于z i g b e e ，蓝牙的数据传输速率最高可达l m b p s ，包括三个有保证的低 延迟话音信道，使用g f s k 调制和f h s s 。蓝牙的传输距离有限，若要增加传输 距离需要大规模的提高传输功率，例如使用l m w 的传输功率，其传输范围为1 0 米，而只有传输功率达到1 0 0 m w 时，其范围才可以扩展到1 0 0 米。蓝牙网络由 最多八个节点的子网集群构成，其中一个节点作为主节点，其他节点为从节点。 t d 用于信道接入，主节点调整f h 序列，并同步从节点。当一个节点为多个子网 络的组成部分时可以构成扩展的网络。正是f h s s 的同步要求的局限性，使得蓝 牙很难用于组成大规模的网络。 与z i g b e e 和蓝牙相比，u w b 具有较高的数据速率，最高传输速率可达 1 0 0 m b p s 。u w b 的带宽范围为3 1 1 0 6 g h z ，为了防止干扰原来的频带用户，它 有严格的功率限制。这样，它仅仅适用短距离范围的室内应用。u w b 仅仅定义 了链路层技术，所以，它需要兼容的m a c 层协议以及高层协议以成为无线网络 标准。调制为b p s k 或者q p s k ，而其竞争阵营推荐o f d m 或者d s s s 叠加在调 制上。 4 第一章绪论 1 1 3 语音编码背景与现状 随着计算机技术和通信技术的日新月异的发展，现代多媒体技术和通信手段 有了长足的进步。在语音信号处理方面，各种新的技术和方法层出不穷。而语音 作为人们传递信息、交流思想最方便快捷的手段，在高速发达的信息社会中占有 重要的地位。然而，随着通信事业的不断发展，可使用的频率带宽资源越显有限 和宝贵，这就向语音压缩编码技术提出了越来越高的要求。语音编码的要求主要 体现在以下几个方面：比特率低，复杂度小，时延短，语音质量高。这些要求之 间本身可能就存在一些矛盾，语音编码技术也正是在寻求平衡这些矛盾中发展的。 语音压缩编码技术分为波形编码、参数编码、混合编码这三类。 语音波形编码算法是最简单也是应用最早的语音编码方法，其以尽可能 重构语音波形为原则。波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟语音按 一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。解码是其 反过程，将收到的数字序列经过解码和滤波恢复成模拟信号。波形编码 具备适应能力强、复杂度低、成本较低等特点。典型的波形编码包括： g 7 1 l ，g 7 2 6 和g 7 2 2 。其中g 7 1 1 分a 律或l i 律调制。自适应差分脉冲 编码g 7 2 6 可以将6 4 k b p s 的非线性p c m 信号转换为4 0 k b p s 、3 2 k b p s 、 2 4 k b p s 、1 6 k b p s 的a d p c m 信号。g 7 2 6 的算法简单，延迟低。它能够以 低比特率达到网络等级的话音质量。而且，经过多次转换后，它仍能够 保证质量。因此，g 7 2 6 在语音存储和传输领域得到了较为广泛的应用。 参数编码通过对语音信号进行分析，提取参数来对参数进行编码，在接 收端能够用解码后的参数重构语音信号。参数编码是根据人们听觉感知 的角度将语音得以重现，只是让人听起来解码后的语音和源输入语音相 同，但是波形是否相同不能得以保证。和波形编码相比，在同样的压缩 率的情况下，参数编码的语音质量不如波形编码。典型的参数编码主要 是线性预测l p c 声码器，该声码器的q o s 只能达到2 5 。 混合编码技术是综合了波形编码和参数编码两者的优点而提出的，该技 术可以在较低的数码率上得到较高的语音质量。它的基本原理是合成分 析法，通过语音产生模型对参数进行编码，使编码产生接近原始语音波 形的合成语音，这样不仅减少了编码对象的数据量，又保留了语音的自 然特征，提高了语音质量。典型的混合编码包括g 7 2 9 语音编解码和 电子科技大学硕士学位论文 m p e g 多子带感知编码，其中m p e g 多子带感知编码的语音质量达到了 5 0 的效果。 1 1 4 课题研究意义 目前市场上对适用于家庭办公室小范围内的对讲机的要求越来越高，本课题 所设计的w a l k i e t a l k i e 系统就是针对具备高抗干扰性的适用于家庭办公室小范围 这样的需求而提出来的。本课题研究的w a l l ( i e 嘲l ( i e 系统的设计目标： 高抗干扰性：本w a l k i e t a l k i e 系统采用的w l a n d i s c o v e r y 方案确保 w a l k i e t a l k i e 系统终端能工作在受干扰最小的信道。并采用了f e c 和重 传机制对丢包进行恢复，确保通信质量。 多种模式选择：本w a l k i e t a l k i e 系统可以自主选择采用g 7 2 6 语音编解 码模式，也可以选择音频源模式。包恢复技术也有f e c 和重传机制两种 模式可供选择。 本w a l k i e t a l k i e 系统所采用的华恒科技的m c f 5 2 1 3 开发板，该开发板具 备价格低，功耗小的特点。 本论文提出的w a l k i e 。t a l k i e 系统设计方案，对于针对特定用户需求的对讲机 的开发具有重要的意义。 1 2 本课题的研究内容和章节安排 本项目源于我校的横向合作项目，其旨在探索如何利用z i g b e e 技术实现嵌入 式w a l k i e t a l k i e 终端系统，并且对该系统进行扩展设计后可作为家庭智能家电的 控制系统部分。由于z i g b e e 网络的传输带宽有限，本项目采用了g 7 2 6 语音编解 码技术，对语音进行压缩传输。无线网络物理层采用低速、低功耗的i e e e8 0 2 1 5 4 物理层，m a c 层和网络层根据系统特点自行设计。系统最终要实现w a l k i e t a l k i e 终端的通话功能。 作者在该项目中主要负责w a l k i e t a l k i e 系统硬件平台和软件平台的设计与搭 建，编写部分驱动和并参与了应用层的设计与实现。具体完成以下工作： 移植嵌入式实时操作系统g c o s l l 到m c f 5 2 1 3 处理器上。 射频芯片m c l 3 1 9 2 驱动的移植。 键盘驱动的编写。 6 第一章绪论 扩展u m 驱动的编写。 集成g 。7 2 6 语音编解码模块并进行代码优化。 设计w l a n d i s c o v e r y 方案。 f e c 编解码代码的编写。 对w a l k i e t a l k i e 系统功能进行了测试。 本论文其他各章内容安排：第二章介绍系统的系统结构和与该设计密切相关 的理论概念。第三章详细的介绍系统软硬件平台的设计并详细介绍了项目的软件， 硬件架构，并对开发工具和操作系统的移植做了简单描述。第四章详细的介绍系 统终端各个模块的设计与实现过程，包括使用开发工具生成硬件抽象层、无线网 络协议的设计与实现、底层驱动的设计与实现、应用软件模块的设计与实现。第 五章对整个系统的功能进行了测试与验证，测试结果表明该系统的功能上达到了 设计目标。第六章总结整个论文工作，并对论文下一步工作做出了一些展望。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章w a l k i e - t a l k i e 系统结构及相关技术 2 1 无线对讲机的系统结构 在设计技术方面，无线电对讲机可分为模拟对讲机( 也称为传统对讲机) ，以 及数字对讲机。模拟对讲机是采用模拟通信技术的，其将储存的语音信号调制到 对讲机传输频率上，而数字对讲机则是采用数字技术进行设计的，其将语音信号 数字化，并将其以数字编码形式传播。换句话说，对讲机传输频率上传输的全部 调制均为数字信号形式。只有直接采用数字信号处理器的对讲机才是真正意义上 的数字对讲机，而采用数字控制信号的对讲机( 如集群系统的对讲机) 则不属于 数字对讲机。本节在介绍传统模拟对讲机和数字对讲机的系统结构特点的基础上， 提出了本w a l k i e t a l k i e 的系统结构特点，并介绍了w a l k i e t a l k i e 的网络层次结构。 2 1 1 对讲机的系统结构 2 1 1 1 模拟对讲机的系统结构 传统模拟对讲机系统价格低廉、技术成熟，其系统结构主要由发射系统、数 字控制电路、接收系统、电源电路和其他附加电路等部分构成，具体系统结构如 图2 1 所示。 图2 1 模拟对讲机的系统结构 模拟对讲机的工作原理如下：在发射端，锁相环和压控振荡器产生发射的射 频载波信号，经过激励放大、缓冲放大、功放，产生额定的射频功率，经过天线 8 甲；圆 圈 圆 一 一r 一 目 f 雪 吨 懂 一 园 固 出一 入一 输一 ；鐾一 捌一 领一 “薯写 一 第二章w a l k i e - t a l k i e 系统结构及相关技术 开关中的低通滤波器，抑制谐波成分，然后将载波信号通过天线发射出去。在接 收端，从天线获取的输入信号，经天线开关后进行射频放大，进入第混频，混 频生成第一中频信号，再次混频后生成第二中频信号，第二中频信号通过一个陶 瓷滤波器滤除无用杂散信号后，被放大和鉴频，产生音频信号。音频信号通过放 大、带通滤波器、去加重等电路，经过音量控制器和功率放大器放大后，并由驱 动扬声器播放出人们所需的信息。 模拟对讲机系统工作原理比较简单，但有许多无法克服的缺点： 频带利用率低。当传统模拟对讲机系统调谐到某一频率，只要有一移动 台进行语音发送，该频段整个频带就被占据了，如果在同一频段同时存 在两个或以上的移动台在进行通话，则相互之间会产生严重的互扰。 保密性差。传统模拟对讲机一般使用较为简单的调制方式传输模拟信号， 任何处在该通信频段上的用户，均可监听到该频段上的通信。 话音