一种基于adpcm和fsk的长距离无线语音和数据混合传输方案

一种基于adpcm和fsk的长距离无线语音和数据混合传输方案

1无线传输数字调制技术近年来，语音和数据传输一直是行业的热点，其应用也在不断扩展。而在无线语音传输中,语音编码算法和调制是其中的关键。在语音编码领域中,应用比较广泛的技术有脉冲编码调制(PCM),自适应增量调制(ADM),自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)。评价标准当中,比特率、延时、复杂度和质量(MOS)4个参数是决定编码算法优劣的主要因素。目前,无线传输数字调制主要有幅度调制、频率调制和相位调制3种基本方式。常见的调制技术主要有正交振幅调制(QAM),交错正交相移键控(OQPSK),最小频移键控(MSK),正弦频移键控(SFSK),平滑调频(TFM),高斯最小频移键控(GMSK)等等,但是这些调制设备结构比较复杂,实现难度较大,从而增加了成本。相对而言,FSK具有设备简单、调制和解调方便等优点,并且具有较好的抗多径时延性能,得到了广泛的应用。2自适应差分脉冲编码调制在短距离的无线混合数据传输环境中,语音算法的选择除了压缩率外,应该更加侧重低延时、低复杂度尤其是语音的传输质量。几种常见算法的性能比较如表1所示,在这几种语音算法中,ADPCM的压缩比特率虽然比较大,但是其音质较好(MOS值达到4.1),算法迟延小(为0.125),算法实现简单,大大降低实现的成本,更加适于短距离传输环境以及软件实现,故选择ADPCM作为语音编码方案。ADPCM(AdaptiveDifferentialPulseCodeModulation,自适应差分脉冲编码调制)综合了APCM的自适应特性和DPCM系统的差分特性,是一种性能较好的波形编码。他的核心思想是:自适应地改变量化阶的大小,即使用小的量化阶去编码小的差值,使用大的量化阶去编码大的差值,使用过去的样本值估算下一个输入样本的预测值,使实际样本值和预测值之间的差值总是最小。ADPCM是利用样本与样本之间的高度相关性和量化阶自适应来压缩数据的一种波形编码技术,所记录的量化值不是每个采样点的幅值,而是该点的幅值与前一个采样点幅值之差,从而实现了64kb/sA律或u律PCM(脉冲编码调制)速率和32kb/s速率之间的相互转换,将语音的传输速率提高了1倍。ADPCM编码器结构如图1所示。8位采样信号s(n)和预测器输出的预估值Se(n-1)相差,得到16位差值;在量化16位差值时,根据表2中的设定值进行计算,从而增大了编码差值的动态范围。编码器在量化时,将差值与表2中15个值比较,量化至最接近的值。因此,编码器加快了量化速度,满足了时序上的需要。量化过程利用二叉树方法进行搜索,并用0～15的值来取代16个值,使得二叉树的一阶运算可以被忽略;最后一阶的编码,与逆量化的差分码相加,产生下一个预估值;图中的缓存器(Register)起到延迟作用,使得预估值延时了一个采样周期。通过ADPCM压缩编码,原本从ADC转换后的码率为64kb/s的PCM编码数据流,变为32kb/s(2∶1压缩),在相同时间内,语音数据的传输率提高1倍。3字频率调制fsk在调制领域中,常见的调制技术主要有正交振幅调制(QAM),交错正交相移键控(OQPSK),最小频移键控(MSK),正弦频移键控(SFSK),平滑调频(TFM),高斯最小频移键控(GMSK)等,但是这些调制设备结构比较复杂,实现难度较大,从而增加了成本。相对本模块的设计而言,低成本,结构简单是关注的重点,数字频率调制(FSK)具有设备简单、调制和解调方便等优点,并且具有较好的抗多径时延性能,鉴于以上原因,选择二进制FSK作为数字调制方案。FSK调制方式根据前后符号的载波相位是否连续,又分为相位不连续的频移键控与相位连续的频移键控(CP-FSK)。实现数字频率调制的一般方法有2种,直接调频法和键控法。直接调频法即连续调制中的调频(FM)信号的产生方法,是将输入的基带脉冲去控制一个振荡器的参数而改变振荡频率,这种方法实现容易,输出的波形相位是连续的,但电路的振荡频率稳定性较差;键控法是用数字信号去控制两个独立振荡器,两个门电路按数字信号的变化规律通断。这种方法的特点是转换速度快、波形好、频率稳定度高,但由于对两个独立的振荡器进行键控,得到的波形相位会失去连续性,因此通常只采用一个振荡器,他产生基准振荡频率,送入可控数字分频器进行分频,分频频率由输入数字信号决定。当信号为“1”时,分频比为N1,当信号为“0”时,分频比为N2。这样就可以产生两种不同的分频脉冲输出,再经过整形就得到精确的FSK音频正弦信号。4语音/数据融合模块基于以上语音编码方案和数字调制方案的比较研究,以及当前市场上的芯片调研,选取CHIPCON公司的CC1010芯片作为本模块的主要芯片。使用软件方式对语音和数据进行编码,降低软硬件开销、节约成本。CC1010作为本模块的处理芯片,集8051单片机和FSK发射模块为一体,结构高度集成,具有较高的运算速度,可利用软件对语音A/D采样进行ADPCM编解码,降低了硬件成本。同时,CC1010具有DES加密功能,保证语音传输的安全性。另外,CC1010的无线数据传输最大速度76.8kb/s,满足大量语音/数据信息的交换。图2所示为本模块的结构框图。分为发射端和接收端,发射端负责语音信号的采样、量化和控制信号分类编码、加密、送入无线信道;接收端将无线信道中的信号解密、解码、分类输出至语音终端和数据终端。以达到语音和数据混合传输的效果。本模块发射端与接收端的交互模式分为语音模式与数据模式两种。如图3所示:在数据模式时,发射端向接收端发送控制数据,接收端收到信号判断为控制信号后直接进行处理;在语音模式当中,接收端判断信号为语音信号,发送同步帧,同时开启时钟中断,输出PWM信号。5接收量和输出频率本模块的工作频段为433MHz;采用32kb/sADPCM编码,波特率为38.4kBaud;数据发送方式为NRZ;发射功率为10dBm;接收灵敏度达-107dB。经测试传输距离为200m,延时小于150ms,音质MOS测试达3.8。其模块接收灵敏度如图4所示。6adpcm编码的实现本文提出的基于CC1010的短距离无线语音/数据传输方案,通过比特率、延时、复杂度和质量4个评价参数的比较,选取音质较好、延迟小、算法简单的ADPCM编码作为无线短距离传输环境中的语音编码方案。设计与实现所