許 凌，杜勇前

（華僑大學 計算機科學與技術學院，福建 廈門361021）

對講機可以分為基于模擬通信技術的模擬對講機和基于數(shù)字通信技術的數(shù)字對講機。數(shù)字對講機相對于模擬對講機具有頻譜利用率高、語音質(zhì)量好、安全系數(shù)佳等優(yōu)點，因此數(shù)字對講機成為了通信業(yè)內(nèi)發(fā)展的熱點，其應用領域不斷擴大。但目前普遍采用的數(shù)字對講機系統(tǒng)仍然存在一些問題：(1)應用外擴語音芯片及搭建復雜的外圍電路來對語音進行處理[1-2]，既增加了系統(tǒng)實現(xiàn)成本又提高了系統(tǒng)功耗；(2)在語音通信過程中發(fā)生語音丟包時未進行有效的處理[1-2]，近而影響接收端的語音質(zhì)量；(3)基本沒有一款數(shù)字對講系統(tǒng)專門用于滿足一些需要低成本和短距離通信的用戶。針對這些問題，本文提出了一種適用于銀行營業(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)字無線對講系統(tǒng)的設計方案。

采集病死羊的病變組織，帶回實驗室，進行常規(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，分別生長出了圓形、濕潤光滑、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出的菌落45°析光下觀察，呈現(xiàn)藍綠色熒光變化，結合該種變化，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)整體設計

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

近年，國內(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)市場規(guī)模越來越大，但同綜合性冷鏈物流園對比依然差距很大，所以，在生鮮經(jīng)銷商組織、生鮮產(chǎn)品批發(fā)市場等方面需要加強聯(lián)合，針對生鮮產(chǎn)品建設冷鏈物流共同配送聯(lián)盟。

圖1 通用的系統(tǒng)架構

圖2 本文的系統(tǒng)架構

本文設計的數(shù)字無線對講系統(tǒng)架構如圖2所示。系統(tǒng)中的微控器和語音處理模塊采用的是一款基于Cortex-M0處理器且內(nèi)置語音處理模塊的芯片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，在相同的工作時鐘頻率下，性能更高、代碼尺寸更小、價格更低[3]。 系統(tǒng)中的語音處理模塊集成在微控器中，因此無需外擴語音芯片或搭建復雜的語音電路，使得電路更簡單、系統(tǒng)綜合價格更低、開發(fā)更加快捷、抗干擾能力更強。系統(tǒng)中的無線收發(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，無需申請許可證即可免費使用，而且具有低功耗、多頻點和超小型等優(yōu)點[4]。因此在總體架構上本文設計的數(shù)字無線對講系統(tǒng)相對于目前普遍采用的數(shù)字無線對講系統(tǒng)具有性價比高、功耗低的優(yōu)點。

2 無線模塊

本系統(tǒng)采用時分復用的方式實現(xiàn)全雙工通信。當采用8 kHz采樣率進行采樣時，在全雙工語音通信過程中，系統(tǒng)需要傳輸?shù)拇a率為256 kb/s。如果未對語音數(shù)據(jù)進行編碼，則傳輸大量語音數(shù)據(jù)所帶來的功耗是不容忽視的。

圖3 電路連接圖

3 語音處理模塊

3.1 語音數(shù)據(jù)采集與播放

本系統(tǒng)中采用G.721對語音進行編碼，編碼后的碼率為32 kb/s。G.721算法只需執(zhí)行自適應差分量化、自適應預測等簡單的計算，該算法具有CPU使用率低、壓縮比大等優(yōu)點。

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

3.2 語音編碼與功耗

系統(tǒng)設計中NRF24L01與微控器的連接如圖3所示，其中CE管腳用于收發(fā)模式的轉換，IRQ管腳用于中斷請求。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)時將通過IRQ管腳通知微控制器進行數(shù)據(jù)接收，在發(fā)送模式下，數(shù)據(jù)發(fā)送完畢時也將通過IRQ管腳通知微控制器。采用IRQ中斷方式實現(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)時片內(nèi)可以進入睡眠模式，降低系統(tǒng)的功耗，延長電池的使用時間。

圖4 ADC信號路徑圖

語音處理中的丟包處理技術是指用來恢復和隱藏當發(fā)生丟包時所造成的損失的相關技術。目前該技術可以分為兩類：一類是如何避免和減少包丟失，這類技術需要發(fā)送端的參與才能實現(xiàn)，稱之為丟包恢復技術(PLR)；另一類是如何對丟包后造成的損失進行隱藏，這類技術不涉及發(fā)送端，主要通過語音的特點來進行自我修復，稱之為丟包掩蔽技術(PLC)。丟包恢復技術主要分為3種：糾錯技術、交織技術和重傳技術[8]。與信源無關的丟包掩蔽技術主要分為插入技術和插值技術兩類。

語音信號采集方面，ISD9160微控器內(nèi)置一個16位的高精度Delta-Sigma A/D轉換器，其輸出信噪比可達85 dB以上。語音增益方面不僅內(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ALC（自動電平控制）模塊用于音頻增益的自動調(diào)節(jié)，如圖4所示。語音信號播放方面，ISD9160微控制器內(nèi)置了一個Class-D直接喇叭驅動裝置，該驅動裝置可提供1 W的輸出功率，因此無需外置音頻放大電路即可滿足用戶對音量的需求。Class-D功放具有能量轉換效率高的特點，其電源實際使用率可達90%以上，從而達到降低功耗的目的。

NRF24L01無線收發(fā)模塊采用的是發(fā)送應答的模式，該模式與網(wǎng)絡中的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)的設計中，當語音數(shù)據(jù)傳輸過程中發(fā)生數(shù)據(jù)包丟失時，首先采用NRF24L01的自動重傳功能對語音數(shù)據(jù)進行重傳。因為丟包恢復中的糾錯技術和重傳技術都是采用冗余數(shù)據(jù)對丟失的數(shù)據(jù)包進行恢復，所以在丟包恢復方面本系統(tǒng)不使用糾錯技術，而是綜合應用了重傳技術和交織技術。NRF24L01無線收發(fā)模塊每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包最大為32 B，即采用G.721的壓縮率時每個語音幀的大小為8 ms。通過交織技術將每4個連續(xù)的語音幀分成16個2 ms語音單元，在發(fā)送前將這些語音單元進行重新排列組成4個待發(fā)送的數(shù)據(jù)包，使得4個待發(fā)送的數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)來自不同的語音幀，在接收端將這些語音單元進行重組后恢復原來的順序，其交織結果如圖6所示。丟包掩蔽方面本系統(tǒng)應用了插入技術來減少丟包造成的損失、提高語音的質(zhì)量。本系統(tǒng)中綜合采用了丟包恢復和丟包掩蔽技術，增加了語音可靠性和語音通話距離，測試結果在系統(tǒng)測試部分給出。

礦粉由水渣急冷后經(jīng)過粉磨制備，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下具有較好的后期活性；而對于圖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，同時還可發(fā)現(xiàn)摻入了少量粉煤灰和煤渣，其后期強度和耐久性均不及合規(guī)的礦粉。

式中Pa表示語音編解碼和傳輸?shù)目偣β?，Pcr表示處理器核工作時的功率，Pcs表示處理器核睡眠時的功率，Pns表示無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時的功率，Pnr表示無線模塊接收數(shù)據(jù)時的功率，Pns表示無線模塊待機時的功率，其中Pns的值很小，因此在功率計算中將忽略這個值。圖5給出了語音通話過程中微控制器工作于3.3 V時，分別采用無編碼方式、G.721編碼、G.729編碼時的功率狀況。實驗結果表明，在本系統(tǒng)中采用G.721編碼可以降低語音編解碼和傳輸?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對語音進行編碼[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音編碼方式，但G.729編碼需要執(zhí)行線性預測、開環(huán)基音估計、自適應碼本搜索等復雜的計算[6]，算法復雜度高，在微控制器上運行時CPU使用率高，功耗大。

圖5 功率圖

但我們也應注意，一方面，文辭、曲律并非戲曲審美的新鮮元素，在元代以來的多種對元曲成就有所標舉的曲論中，均是重要的審美構成與評價標準，其于嘉、萬時期的抬升，有著承應元人藝術審美因子的性質(zhì)。另一方面，文辭、音律一直是文人曲學的主要審美構成，因此這些藝術性要素的抬升，也實則是明代戲曲文人化發(fā)展脈絡的重要表現(xiàn)。

走進南翔饅頭店，消費者們會眼前一亮：一面古樸典雅的文化墻，簡潔易懂的文字展現(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、菜牌封面等的設計中，歷史底蘊呈現(xiàn)得淋漓盡致。

圖6 系統(tǒng)中交織技術的應用

4 系統(tǒng)測試

無線通信受環(huán)境影響較大，建筑影響、人體影響、金屬影響都會導致無線傳輸距離變短。本文選取無線對講機通常使用的一些場所進行測試，結果表明在系統(tǒng)中增加丟包處理技術能夠提高語音的通信距離，且該語音通信距離足以滿足銀行營業(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 距離測試

本文以ISD9160為平臺，結合NRF24L01無線收發(fā)芯片，提出了一種適用于短距離通信的數(shù)字無線對講系統(tǒng)的設計方案。該系統(tǒng)借助ISD9160強大的計算能力和語音功能，實現(xiàn)了語音采集、語音編碼、語音通信、語音解碼和語音播放等功能。整個系統(tǒng)在通信方面工作于2.4G開放頻段；在語音方面采用了單芯片的方式精簡了語音電路，即保證了語音質(zhì)量又降低了系統(tǒng)實現(xiàn)成本。因此，本系統(tǒng)在實現(xiàn)高信噪比的短距離語音通信的同時還具備了低成本、低功耗、語音效果佳的優(yōu)點，具有很高的實用價值。在下一步的研究中，將利用ISD9160支持語音識別技術的特點為對講系統(tǒng)增加語音識別的功能，方便用戶對對講機的使用。

[1]馮杰，謝曉明.基于LPC4357的數(shù)字對講機終端設計[J].微型機與應用，2013，32(10)：29-31.

[2]劉秀玲.基于ADF7021-V的數(shù)字對講機研究與設計[D].武漢：武漢理工大學，2012.

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

[4]劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸[J].應用科技，2008(3)：55-58.

[5]羅雪松，陳向東，石念.基于DSP的數(shù)字對講機語音處理方案的研究[J].微電子學與計算機，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.