基于ZigBee的语音通信技术

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1、基于ZigBee的语音通信技术ZigBee是一种低功耗、低成本的新型短距离无线通信开放性技术标准。它工作频段灵活，使用的频段分别为2．4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段；传输速率为250kbps，有效传输距离为10～75m。通过在发射端加功率放大器还可以实现更远距离的通信。ZigBee技术的低成本、低功耗特点，使其广泛地应用到库存管理、产品质量控制、工业过程控制、灾害地区监测、生物监测和监督、定位及消防安全等领域。虽然实现语音通信不是ZigBee联盟最初的目标，但是，在许多领域(如消防抢险)中没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限。本文正是考虑到这

2、一点，并考虑到ZigBee理论通信速率为250kps，实际速率也能满足语音通信要求的情况，充分利用本方案所选的MCU的性能特性，以及很少的外围器件，很好地实现了语音通信。1总体方案构架ZigBee语音通信系统的架构为：以嵌入式处理器和射频发射芯片为核心，辅以外围的放大与滤波电路实现语音通信。总体框图如图1所示。按功能分，主要包括以下几部分：语音前置放大器：主要实现对麦克风接收的语音电信号进行放大处理。语音前置滤波器：完成对高频电磁波的滤出，消除部分干扰，减小语音的失真。嵌入式处理器：发送语音时，完成对语音模拟电信号的采集，将其转变为数字信号，并打包成数据帧，加上必要的帧头，发送到射频收

3、发器。接收语音时，读取射频收发器缓存器的数据，并进行D／A变换，发送到语音接收电路。射频收发器：完成数据的收／发，接收／发送该设备的数据，并将数据发送到嵌入式处理器。语音后置滤波器：对经过D／A变换的语音信号滤波，得到所需的语音信号。语音后置放大器：对经过滤波以后的语音信号放大，最后输出到耳机，实现最终的语音通信。2硬件电路实现2．1器件选型嵌入式处理器选用ATmegal28L单片机。ATmegal28L是Atmel公司推出的低功耗、高性能MCU。其内核为AVR，具有先进的RISC架构，内部具有133条功能强大的指令系统，且大部分指令是单周期；具有2个8位定时器／计数器和2个具有比较／

4、捕捉寄存器的16位定时器／计数器，2通道位数可编程PWM通道，8路10位A／D转换器，主／从SPI串行接口，可编程串行通信接口以及片内精确的模拟比较器等。CPU可工作在IDLE、POWERSAVE、POWERDOWN、STANDYBY等几种省电模式。ATmegal28L的软件结构也是针对低功耗而设计的，具有内外多种中断模式；丰富的中断能力减少了系统设计中查询的需要，可以方便地设计出中断程序结构的控制程序、上电复位和可编程的低电压检测，工作电压为2．7～5．5V。该系统设计可以充分利用其8路10位A／D转换器和2通道位数可编程PWM通道，实现语音信号的A／D转换和D／A转换，从而省去独立

5、的A／D转换器和D／A转换器，且成本更加低廉，系统更加精简，更加稳定可靠。同时，考虑到该MCU的低功耗特点，可以使系统一次工作更长的时间。无线发射器选用Chipcon公司的CC2420。CC2420的主要特点：具有2Mchips／s直接扩频序列基带调制解调和250kbps的有效数据速率；适合简化功能装置和全功能装置操作；低电流消耗(接收19．7mA，发射17．4mA)；低电源电压要求(使用内部电压调节器时2．1～3．6V，使用外部电压调节器时1．6～2．0V)；可编程输出功率；独立的128字节发射、接收数据缓冲器；电池电量可监控。放大电路及滤波器电路的放大器选用LMV324。LMV32

6、4(四通道)放大器在2．7V以下消耗的最大供电电流为120μA，在5V下一般只消耗100μA，较同级器件的功耗低20％，而且价格低廉，该系统每个没备需要4个运算放大器，充分利用该器件。2．2系统硬件实现语音传输系统的硬件电路如图2所示，连接麦克风的放大器是一个简单的反向放大器。增益通过R2和R3控制(G=R3／R2)；R4给麦克风提供电压，C1阻止直流成分输入到放大器；R4和R5给放大器提供合适的偏置；Rll和C9构成一个简单的一级低通滤波器。另外，R5可以在放大器输出短路的情况下，对放大器起保护作用。语音接收电路由5级低通Chebychev滤波器和1级电压跟随器构成。滤波器电路由两个

7、相互交错的2级Chebychev滤波器(R6、R7、R8、C2、C5和R8、R9、R10、C3、C6)和一个无源滤波器(R10，C7)构成。这3个滤波器的截止频率彼此稍微有点错位，这样可以限制整个滤波电路通带的纹波。整个电路的截止频率设置在4000Hz，电压跟随器用来防止电路从输出获得反馈。3软件实现3．1发送端软件实现发送端软件主要完成语音电压信号的模／数转换，并将数据按照ZigBee协议规定的最大帧长度打包。本系统采取每帧84字节，并按照用