許 凌，杜勇前

（華僑大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門361021）

對(duì)講機(jī)可以分為基于模擬通信技術(shù)的模擬對(duì)講機(jī)和基于數(shù)字通信技術(shù)的數(shù)字對(duì)講機(jī)。數(shù)字對(duì)講機(jī)相對(duì)于模擬對(duì)講機(jī)具有頻譜利用率高、語(yǔ)音質(zhì)量好、安全系數(shù)佳等優(yōu)點(diǎn)，因此數(shù)字對(duì)講機(jī)成為了通信業(yè)內(nèi)發(fā)展的熱點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。但目前普遍采用的數(shù)字對(duì)講機(jī)系統(tǒng)仍然存在一些問(wèn)題：(1)應(yīng)用外擴(kuò)語(yǔ)音芯片及搭建復(fù)雜的外圍電路來(lái)對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行處理[1-2]，既增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本又提高了系統(tǒng)功耗；(2)在語(yǔ)音通信過(guò)程中發(fā)生語(yǔ)音丟包時(shí)未進(jìn)行有效的處理[1-2]，近而影響接收端的語(yǔ)音質(zhì)量；(3)基本沒(méi)有一款數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)專門用于滿足一些需要低成本和短距離通信的用戶。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了一種適用于銀行營(yíng)業(yè)大廳及一些小型寫字樓的低功耗、低成本、短距離、音質(zhì)優(yōu)的數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

采集病死羊的病變組織，帶回實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行常規(guī)涂片鏡檢[1]，可以發(fā)現(xiàn)呈現(xiàn)小桿狀、有莢膜、革蘭氏陰性染色的小桿菌。將病料粉碎后，劃線接種到血液瓊脂平板、血清瓊脂平板、麥康凱瓊脂平板和肉湯培養(yǎng)基中，恒溫箱溫度控制在37 ℃，培養(yǎng)24 h，肉湯均勻混濁。在試管底部存在黏稠的沉淀物，在麥康凱瓊脂平板和血液瓊脂平板上，分別生長(zhǎng)出了圓形、濕潤(rùn)光滑、中間隆起、似露珠狀的灰白色致病菌菌落，菌落周圍不存在溶血現(xiàn)象。將血清瓊脂平板上生長(zhǎng)出的菌落45°析光下觀察，呈現(xiàn)藍(lán)綠色熒光變化，結(jié)合該種變化，可以判斷為多殺性巴氏桿菌感染引起的羊巴氏桿菌病。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前普遍采用的數(shù)字對(duì)講系統(tǒng)，架構(gòu)較為復(fù)雜，其中語(yǔ)音處理模塊通常由外圍音頻放大電路、外擴(kuò)AD/DA轉(zhuǎn)換模塊和語(yǔ)音編碼模塊3部分組成，如圖1所示。

近年，國(guó)內(nèi)的生鮮產(chǎn)品冷鏈物流配送在路徑方面有了很大的優(yōu)化，一些城市的產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)規(guī)模越來(lái)越大，但同綜合性冷鏈物流園對(duì)比依然差距很大，所以，在生鮮經(jīng)銷商組織、生鮮產(chǎn)品批發(fā)市場(chǎng)等方面需要加強(qiáng)聯(lián)合，針對(duì)生鮮產(chǎn)品建設(shè)冷鏈物流共同配送聯(lián)盟。

圖1 通用的系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 本文的系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)中的微控器和語(yǔ)音處理模塊采用的是一款基于Cortex-M0處理器且內(nèi)置語(yǔ)音處理模塊的芯片ISD9160。Cortex-M0是一款32位的ARM處理器，相比于單片機(jī)處理速度更快，執(zhí)行效率更高，更易于調(diào)試；而相比于ARM7處理器，在相同的工作時(shí)鐘頻率下，性能更高、代碼尺寸更小、價(jià)格更低[3]。 系統(tǒng)中的語(yǔ)音處理模塊集成在微控器中，因此無(wú)需外擴(kuò)語(yǔ)音芯片或搭建復(fù)雜的語(yǔ)音電路，使得電路更簡(jiǎn)單、系統(tǒng)綜合價(jià)格更低、開發(fā)更加快捷、抗干擾能力更強(qiáng)。系統(tǒng)中的無(wú)線收發(fā)模塊采用的是NRF24L01，該芯片不僅工作于2.4 GHz～2.5 GHz全球開放ISM頻段，無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證即可免費(fèi)使用，而且具有低功耗、多頻點(diǎn)和超小型等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此在總體架構(gòu)上本文設(shè)計(jì)的數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)相對(duì)于目前普遍采用的數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)具有性價(jià)比高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)。

2 無(wú)線模塊

本系統(tǒng)采用時(shí)分復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)全雙工通信。當(dāng)采用8 kHz采樣率進(jìn)行采樣時(shí)，在全雙工語(yǔ)音通信過(guò)程中，系統(tǒng)需要傳輸?shù)拇a率為256 kb/s。如果未對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，則傳輸大量語(yǔ)音數(shù)據(jù)所帶來(lái)的功耗是不容忽視的。

圖3 電路連接圖

3 語(yǔ)音處理模塊

3.1 語(yǔ)音數(shù)據(jù)采集與播放

本系統(tǒng)中采用G.721對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行編碼，編碼后的碼率為32 kb/s。G.721算法只需執(zhí)行自適應(yīng)差分量化、自適應(yīng)預(yù)測(cè)等簡(jiǎn)單的計(jì)算，該算法具有CPU使用率低、壓縮比大等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)TAN等人對(duì)功耗的研究[7]，建立本系統(tǒng)中語(yǔ)音編解碼和傳輸部分的功率統(tǒng)計(jì)模型：

3.2 語(yǔ)音編碼與功耗

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中NRF24L01與微控器的連接如圖3所示，其中CE管腳用于收發(fā)模式的轉(zhuǎn)換，IRQ管腳用于中斷請(qǐng)求。本系統(tǒng)中，NRF24L01在接收模式下接收到有效的地址和數(shù)據(jù)時(shí)將通過(guò)IRQ管腳通知微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，在發(fā)送模式下，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時(shí)也將通過(guò)IRQ管腳通知微控制器。采用IRQ中斷方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，使得微控制器在等待接收或發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)片內(nèi)可以進(jìn)入睡眠模式，降低系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

圖4 ADC信號(hào)路徑圖

語(yǔ)音處理中的丟包處理技術(shù)是指用來(lái)恢復(fù)和隱藏當(dāng)發(fā)生丟包時(shí)所造成的損失的相關(guān)技術(shù)。目前該技術(shù)可以分為兩類：一類是如何避免和減少包丟失，這類技術(shù)需要發(fā)送端的參與才能實(shí)現(xiàn)，稱之為丟包恢復(fù)技術(shù)(PLR)；另一類是如何對(duì)丟包后造成的損失進(jìn)行隱藏，這類技術(shù)不涉及發(fā)送端，主要通過(guò)語(yǔ)音的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行自我修復(fù)，稱之為丟包掩蔽技術(shù)(PLC)。丟包恢復(fù)技術(shù)主要分為3種：糾錯(cuò)技術(shù)、交織技術(shù)和重傳技術(shù)[8]。與信源無(wú)關(guān)的丟包掩蔽技術(shù)主要分為插入技術(shù)和插值技術(shù)兩類。

語(yǔ)音信號(hào)采集方面，ISD9160微控器內(nèi)置一個(gè)16位的高精度Delta-Sigma A/D轉(zhuǎn)換器，其輸出信噪比可達(dá)85 dB以上。語(yǔ)音增益方面不僅內(nèi)置了PGA（可編程增益放大器）和 BOOST模塊，提供了-12 dB～+61 dB的可調(diào)范圍，省去了前端音頻放大器的使用，而且還內(nèi)置了一個(gè)ALC（自動(dòng)電平控制）模塊用于音頻增益的自動(dòng)調(diào)節(jié)，如圖4所示。語(yǔ)音信號(hào)播放方面，ISD9160微控制器內(nèi)置了一個(gè)Class-D直接喇叭驅(qū)動(dòng)裝置，該驅(qū)動(dòng)裝置可提供1 W的輸出功率，因此無(wú)需外置音頻放大電路即可滿足用戶對(duì)音量的需求。Class-D功放具有能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)，其電源實(shí)際使用率可達(dá)90%以上，從而達(dá)到降低功耗的目的。

NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊采用的是發(fā)送應(yīng)答的模式，該模式與網(wǎng)絡(luò)中的TCP協(xié)議相似，確保了所有數(shù)據(jù)包傳遞有序，可以重傳。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，當(dāng)語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失時(shí)，首先采用NRF24L01的自動(dòng)重傳功能對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行重傳。因?yàn)閬G包恢復(fù)中的糾錯(cuò)技術(shù)和重傳技術(shù)都是采用冗余數(shù)據(jù)對(duì)丟失的數(shù)據(jù)包進(jìn)行恢復(fù)，所以在丟包恢復(fù)方面本系統(tǒng)不使用糾錯(cuò)技術(shù)，而是綜合應(yīng)用了重傳技術(shù)和交織技術(shù)。NRF24L01無(wú)線收發(fā)模塊每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包最大為32 B，即采用G.721的壓縮率時(shí)每個(gè)語(yǔ)音幀的大小為8 ms。通過(guò)交織技術(shù)將每4個(gè)連續(xù)的語(yǔ)音幀分成16個(gè)2 ms語(yǔ)音單元，在發(fā)送前將這些語(yǔ)音單元進(jìn)行重新排列組成4個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，使得4個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)來(lái)自不同的語(yǔ)音幀，在接收端將這些語(yǔ)音單元進(jìn)行重組后恢復(fù)原來(lái)的順序，其交織結(jié)果如圖6所示。丟包掩蔽方面本系統(tǒng)應(yīng)用了插入技術(shù)來(lái)減少丟包造成的損失、提高語(yǔ)音的質(zhì)量。本系統(tǒng)中綜合采用了丟包恢復(fù)和丟包掩蔽技術(shù)，增加了語(yǔ)音可靠性和語(yǔ)音通話距離，測(cè)試結(jié)果在系統(tǒng)測(cè)試部分給出。

礦粉由水渣急冷后經(jīng)過(guò)粉磨制備，所以合格的礦粉里面雜質(zhì)較少，主要呈現(xiàn)出圖3中透明的玻璃體形貌，故其在二次水化反應(yīng)下具有較好的后期活性；而對(duì)于圖4，摻雜了其他材料的礦粉，并未呈現(xiàn)出較多的透明玻璃體形貌，同時(shí)還可發(fā)現(xiàn)摻入了少量粉煤灰和煤渣，其后期強(qiáng)度和耐久性均不及合規(guī)的礦粉。

式中Pa表示語(yǔ)音編解碼和傳輸?shù)目偣β剩琍cr表示處理器核工作時(shí)的功率，Pcs表示處理器核睡眠時(shí)的功率，Pns表示無(wú)線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的功率，Pnr表示無(wú)線模塊接收數(shù)據(jù)時(shí)的功率，Pns表示無(wú)線模塊待機(jī)時(shí)的功率，其中Pns的值很小，因此在功率計(jì)算中將忽略這個(gè)值。圖5給出了語(yǔ)音通話過(guò)程中微控制器工作于3.3 V時(shí)，分別采用無(wú)編碼方式、G.721編碼、G.729編碼時(shí)的功率狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在本系統(tǒng)中采用G.721編碼可以降低語(yǔ)音編解碼和傳輸?shù)目偣β?，從而降低系統(tǒng)總功率。

3.3 丟包處理

羅雪松等人提出了采用G.729對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行編碼[5]，編碼后的碼率為8 kb/s。G.729編碼在VoIP上是一種最常用的語(yǔ)音編碼方式，但G.729編碼需要執(zhí)行線性預(yù)測(cè)、開環(huán)基音估計(jì)、自適應(yīng)碼本搜索等復(fù)雜的計(jì)算[6]，算法復(fù)雜度高，在微控制器上運(yùn)行時(shí)CPU使用率高，功耗大。

圖5 功率圖

但我們也應(yīng)注意，一方面，文辭、曲律并非戲曲審美的新鮮元素，在元代以來(lái)的多種對(duì)元曲成就有所標(biāo)舉的曲論中，均是重要的審美構(gòu)成與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其于嘉、萬(wàn)時(shí)期的抬升，有著承應(yīng)元人藝術(shù)審美因子的性質(zhì)。另一方面，文辭、音律一直是文人曲學(xué)的主要審美構(gòu)成，因此這些藝術(shù)性要素的抬升，也實(shí)則是明代戲曲文人化發(fā)展脈絡(luò)的重要表現(xiàn)。

走進(jìn)南翔饅頭店，消費(fèi)者們會(huì)眼前一亮：一面古樸典雅的文化墻，簡(jiǎn)潔易懂的文字展現(xiàn)了南翔饅頭店的百年歷程；乳白色為底的清新內(nèi)飾搭配著老店本身暗紅色復(fù)古裝飾；南翔饅頭六代傳承的歷史故事被完美融合到了枱墊、餐巾紙、筷子套、外賣食物盒、手提紙袋、菜牌封面等的設(shè)計(jì)中，歷史底蘊(yùn)呈現(xiàn)得淋漓盡致。

圖6 系統(tǒng)中交織技術(shù)的應(yīng)用

4 系統(tǒng)測(cè)試

無(wú)線通信受環(huán)境影響較大，建筑影響、人體影響、金屬影響都會(huì)導(dǎo)致無(wú)線傳輸距離變短。本文選取無(wú)線對(duì)講機(jī)通常使用的一些場(chǎng)所進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明在系統(tǒng)中增加丟包處理技術(shù)能夠提高語(yǔ)音的通信距離，且該語(yǔ)音通信距離足以滿足銀行營(yíng)業(yè)大廳和小型寫字樓內(nèi)部人員之間的通信需求，如表1所示。

表1 距離測(cè)試

本文以ISD9160為平臺(tái)，結(jié)合NRF24L01無(wú)線收發(fā)芯片，提出了一種適用于短距離通信的數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)借助ISD9160強(qiáng)大的計(jì)算能力和語(yǔ)音功能，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音采集、語(yǔ)音編碼、語(yǔ)音通信、語(yǔ)音解碼和語(yǔ)音播放等功能。整個(gè)系統(tǒng)在通信方面工作于2.4G開放頻段；在語(yǔ)音方面采用了單芯片的方式精簡(jiǎn)了語(yǔ)音電路，即保證了語(yǔ)音質(zhì)量又降低了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。因此，本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高信噪比的短距離語(yǔ)音通信的同時(shí)還具備了低成本、低功耗、語(yǔ)音效果佳的優(yōu)點(diǎn)，具有很高的實(shí)用價(jià)值。在下一步的研究中，將利用ISD9160支持語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)為對(duì)講系統(tǒng)增加語(yǔ)音識(shí)別的功能，方便用戶對(duì)對(duì)講機(jī)的使用。

[1]馮杰，謝曉明.基于LPC4357的數(shù)字對(duì)講機(jī)終端設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2013，32(10)：29-31.

[2]劉秀玲.基于ADF7021-V的數(shù)字對(duì)講機(jī)研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

[3]YIU J.The definitive guide to the ARM Cortex-M0[M].Elsevier，2011.

[4]劉志平，趙國(guó)良.基于nRF24L01的近距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸[J].應(yīng)用科技，2008(3)：55-58.

[5]羅雪松，陳向東，石念.基于DSP的數(shù)字對(duì)講機(jī)語(yǔ)音處理方案的研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，2008(6)：140-142.

[6]SALAMI R，LAFLAMME C，ADOUL J，et al.Design and description of CS-ACELP：a toll quality 8 kb/s speech coder[J].Speech and Audio Processing，IEEE Transactions on，1998，6(2)：116-130.

[7]TAN T K，RAGHUNATHAN A，JHA N K.A simulation framework for energy-consumption analysis of OS-driven embedded applications[J].Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems，IEEE Transactions on，2003，22(9)：1284-1294.

[8]PERKINS C，HODSON O，HARDMAN V.A survey of packet loss recovery techniques for streaming audio[J].Network，IEEE，1998，12(5)：40-48.