程銳 張文軒 鐘詩航 馮廷亮 曾志強 雷丁揚

（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100144）

數(shù)字式語音無線通信系統(tǒng)

程銳 張文軒 鐘詩航 馮廷亮 曾志強 雷丁揚

（北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100144）

本文使用nRF24L01無線收發(fā)模塊，設(shè)計了一套基于STC12LE5A60S2單片機的數(shù)字式語音無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)。系統(tǒng)電路共包括4部分：麥克放大電路部分、音頻放大電路部分、MCU控制部分和nRF24L01無線通信部分。本文介紹了基于STC12LE5A60S2的數(shù)字式語音無線通信系統(tǒng)的設(shè)計方案，詳細介紹了方案中所涉及的模數(shù)轉(zhuǎn)換方法和PWM數(shù)模轉(zhuǎn)換方法。最終，該系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了語音信號在數(shù)字通信系統(tǒng)中進行半雙工通信。

無線通信 數(shù)字通信 半雙工 語音信號

1 無線語音發(fā)射子系統(tǒng)

1.1 子系統(tǒng)方案設(shè)計

無線語音發(fā)射系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。語音信號經(jīng)拾音器采集經(jīng)放大、濾波送入AD，AD采集信號使用STC12LE5A60S2內(nèi)部集成AD模塊，MCU對AD和無線發(fā)射模塊進行配置，最后，無線發(fā)射模塊將語音信號發(fā)射到無線信道。

1.2 硬件部分設(shè)計

拾音器使用壓控麥克，信號經(jīng)麥克采集后再經(jīng)9014三極管放大電路放大。為了獲得較為清晰的語音，保證高頻諧波或者低頻雜波能夠被濾除掉。帶通濾波器通頻帶設(shè)定為人類語音信號帶寬300Hz—3.4kHz。帶通信號經(jīng)9014放大電路放大后傳給單片機內(nèi)部AD模塊。

MIC放大電路見圖2所示，MCU控制部分如圖3所示，nRF24L01模塊電路如圖4所示。

1.3 軟件部分設(shè)計

MCU對內(nèi)部AD進行配置，并控制nRF24L01模塊進行數(shù)據(jù)發(fā)送。

部分程序參看如下：

#include ＜stc12c5a60s2.h＞

#include ＜intrins.h＞

#include "ad.h"

#include "nrf24l01p.h"

#include "pwm.h"

main（）

｛

init_nrf24l01_io（）；//初始化nRF14L01

transmit_mode_init（）；//配置發(fā)送模式

Init_ADC（）；//初始化ADC

while（1）

｛

if（send_flag==1）

｛

send_data（txData）；//發(fā)送ADC采集到的數(shù)據(jù)send_flag=0；//清除標(biāo)志位

｝

｝

｝

MCU首先對nRF24L01進行初始化設(shè)置，寫發(fā)送端與接收端地址，設(shè)置通信通道，設(shè)置自動重發(fā)時間和次數(shù)，設(shè)置數(shù)據(jù)長度等，配置nRF24L01為發(fā)送模式；初始化MCU片內(nèi)ADC，設(shè)置采樣頻率為8KHz。全部初始化完成之后，進入循環(huán)發(fā)送模式，等待ADC采集數(shù)據(jù)，采集完成之后將數(shù)據(jù)傳給nRF24L01發(fā)送出去。

2 無線語音接收子系統(tǒng)

2.1 子系統(tǒng)設(shè)計方案

無線語音接收子系統(tǒng)框圖如圖5所示。無線接收模塊接收到信號后，將信號送入單片機，單片機將數(shù)字語音信號輸出PWM波，PWM波經(jīng)過低通濾波器濾波后轉(zhuǎn)換成模擬語音信號，模擬語音信號經(jīng)過LM386音頻放大模塊放大后輸入到揚聲器，揚聲器將電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號。

②非線性層:我們在輸入層與LSTM隱藏層中間加入了非線性激活層,目的是引入更多的非線性特征,從而更好的反映數(shù)據(jù)的變化規(guī)律。該層的輸出可表示為:

2.2 硬件部分設(shè)計

單片機輸出為PWM波，PWM波濾波輸出實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換，音頻放大器用LM386芯片，最后輸出給揚聲器，將電信號轉(zhuǎn)換為聲音信號。電路圖如圖6所示。

2.3 軟件部分設(shè)計

MCU將數(shù)字信號以PWM波的形式發(fā)出給后續(xù)電路處理。部分程序參看如下：

#include ＜stc12c5a60s2.h＞

#include ＜intrins.h＞

#include "ad.h"

#include "nrf24l01p.h"

main（）

｛

init_nrf24l01_io（）；//初始化nRF14L01

receive_mode_init（）；//配置接收模式

PWM_Init（）；//初始化PWM波發(fā)生器

while（1）

｛

if（recieve_flag==1）

｛

recieve_data（rxData）；//接收數(shù)據(jù)給PWM波發(fā)生器

recieve_flag=0；//清除標(biāo)志位

｝

｝

｝

//pwm.h中PWM_Init（）部分

void PWM_Init（void）

｛

P1M1 &=0xF7；

P1M0 |=0x08；

CMOD=0x02；

AUXR |=0x80；

TMOD &=0xF0；

TMOD |=0x02；

TL0=0xf5；

TH0=0xf5；

TR0=1；

CL=0x00；

CH=0x00；

PCA_PWM0=0x00；

PCA_PWM1=0x00；

CCAP0L=0xFE；

CCAP0H=0xFE；

CCAPM0=0x42；

CR=1；

｝

程序首先對nRF24L01進行初始化，初始化的各項參數(shù)同發(fā)送部分，配置接收端的nRF24L01為接收模式，使兩個nRF24L01可以配對使用。之后對MCU片內(nèi)的PWM產(chǎn)生模塊進行初始化，使其可以根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)輸出頻率和占空比可變的PWM波。最后進入循環(huán)等待接收模式，當(dāng)檢測到數(shù)據(jù)到來時，接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給PWM波產(chǎn)生模塊，輸出PWM波。

3 結(jié)語

本文使用nRF24L01無線收發(fā)模塊完成了半雙工模式的數(shù)字式語音無線通信系統(tǒng)，并成功實現(xiàn)了數(shù)字對講功能，通話清晰，傳達語音信息可成功辨別且低噪聲，通信距離空曠條件下可達到100m。該設(shè)計最終可用外部電池供電方便攜帶，可手持通信。

［1］周 炯槃 ，龐沁華，續(xù)大我，吳偉陵，楊鴻文.通信原理［M］.北京郵電大學(xué)出版社，2008，8.

［2］李亞彬.基于無線控制與無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)［D］.南京∶南京理工大學(xué)，2007，6.

［3］童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.高等教育出版社，2009，7.

［4］閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)［M］.高等教育出版社，2009，12.

［5］徐巖.語音信號增強技術(shù)及其應(yīng)用［M］.科學(xué)出版社，2013，2.

［6］黃志偉.印制電路板（PCB）設(shè)計技術(shù)與實踐［M］.電子工業(yè)出版社，2012.1.

2016年北京市大學(xué)生科學(xué)研究與創(chuàng)業(yè)行動計劃課題。

指導(dǎo)教師：王振紅，北方工業(yè)大學(xué)，高級實驗師，指導(dǎo)學(xué)生獲北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽獎50項，指導(dǎo)學(xué)生獲全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽市級獎25項，指導(dǎo)學(xué)生獲“藍橋杯”電子設(shè)計競賽獎80項，指導(dǎo)學(xué)生獲“挑戰(zhàn)杯”市級獎11項，指導(dǎo)學(xué)生獲全國“挑戰(zhàn)杯”獎2項，指導(dǎo)學(xué)生獲全國“藍橋杯”獎9項。榮獲北京市大學(xué)生電子設(shè)計競賽優(yōu)秀輔導(dǎo)教師獎。獲全國電子專業(yè)人才設(shè)計與技能大賽決賽電子設(shè)計與制作優(yōu)秀指導(dǎo)教師獎。在實驗教學(xué)改革中出版實踐教材12部，其中北京市精品教材一部。