李 敏 ，吳 凡 ，陳啟貴 ，何 敏

（1.江蘇航天神禾科技有限公司，江蘇 南京 210046；2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引 言

超短波電臺(tái)是工作波長(zhǎng)為1～10 m，工作頻率為30～300 MHz的無(wú)線(xiàn)電通信設(shè)備。與短波電臺(tái)相比，超短波電臺(tái)的射頻場(chǎng)強(qiáng)極為穩(wěn)定，幾乎不受外界干擾，擁有更寬的頻段。與基站相比，超短波電臺(tái)投資小，設(shè)備簡(jiǎn)單，使用費(fèi)用低，因此在無(wú)法搭建手機(jī)基站的地區(qū)有著極為廣泛的應(yīng)用。

隨著電子工業(yè)的發(fā)展和技術(shù)水平不斷提高，目前超短波電臺(tái)在近距離通信領(lǐng)域有著極大的優(yōu)勢(shì)。由于超短波電臺(tái)操作簡(jiǎn)單，不受網(wǎng)絡(luò)限制，適合于在處理突發(fā)事件中進(jìn)行緊急調(diào)度和集體協(xié)作，同時(shí)該系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，因而使其在公安、民航、鐵路、水利、電力、野外施工等行業(yè)應(yīng)用更廣泛[1]。

目前超短波電臺(tái)的接收靈敏度受環(huán)境等因素的影響，通信距離越遠(yuǎn)，傳輸速率越低，如何在保證通信質(zhì)量的前提下增加通信距離是超短波電臺(tái)研究的重點(diǎn)。目前解決這個(gè)問(wèn)題主要有以下3種方法：

（1）提高電臺(tái)的輸出功率；

（2）提高電臺(tái)的接收靈敏度；

（3）降低信源信號(hào)的傳輸速率。

本文提出采用WT600F聲碼器的超短波語(yǔ)音通信系統(tǒng)，對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮，能夠在600 bit/s低速率下傳輸較高質(zhì)量的語(yǔ)音信息，大大降低了信源信號(hào)的傳輸速率，理論上能夠提高語(yǔ)音傳輸距離。

1 系統(tǒng)組成

基于WT600F的超短波電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 基于WT600F的超短波電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

語(yǔ)音信號(hào)的發(fā)送過(guò)程如下：麥克風(fēng)將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)（模擬信號(hào)），語(yǔ)音編碼模塊對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字語(yǔ)音壓縮編碼，編碼后的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊，調(diào)制后的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)低噪放大器和功率放大器傳輸至射頻天線(xiàn)。

語(yǔ)音信號(hào)的接受過(guò)程如下：天線(xiàn)接收到射頻信號(hào)，調(diào)制解調(diào)模塊對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并將解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口傳輸至語(yǔ)音解碼模塊，語(yǔ)音解碼模塊對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換成為模擬語(yǔ)音信號(hào)，信號(hào)通過(guò)揚(yáng)聲器輸出。

由于系統(tǒng)是雙工的，任意一個(gè)終端設(shè)備都同時(shí)具有收發(fā)功能。

2 語(yǔ)音編解碼模塊

2.1 WT600F芯片

WT600F是一款低碼率聲碼器芯片，支持休眠模式和低功耗模式，可以在600 bit/s低速率下合成出較高質(zhì)量的語(yǔ)音。WT600F采用UART接口與MCU連接通信，用戶(hù)可通過(guò)UART接口實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音編碼數(shù)據(jù)的讀出和寫(xiě)入，且這個(gè)過(guò)程是異步、全雙工的[2]。

WT600F芯片引腳如圖2所示。

圖2 WT600F引腳圖

部分引腳功能如表1所示。

表1 管腳功能描述

系統(tǒng)需要給WT600F芯片提供兩種電源：3.3 V和1.8 V。WT600F的IO口可以模擬成SPI總線(xiàn)與外部芯片通信。在移位時(shí)鐘BCLK的控制下，采樣的數(shù)字信號(hào)從PCM_IN端口輸入，WT600F對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)壓縮，每75 ms從VOCTX輸出一幀數(shù)據(jù)，同時(shí)從VOCRX接收壓縮的語(yǔ)音數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行解壓，在移位時(shí)鐘BCLK的控制下，從PCM_OUT輸出解壓后的數(shù)據(jù)。

2.2 通信規(guī)約

WT600F與MCU之間以定長(zhǎng)幀進(jìn)行通信，發(fā)端WT600F芯片定時(shí)輸出數(shù)據(jù)幀，語(yǔ)音幀每幀含有效語(yǔ)音位數(shù)為45 bits，放置在幀中第5～9字節(jié)，以及第10字節(jié)的高五位。

數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 聲碼器數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖

2.3 TLV320AIC23B芯片

WT600F只能對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行壓縮和解壓縮。實(shí)驗(yàn)中還需要對(duì)數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn) 化，并進(jìn)行數(shù)字采樣，語(yǔ)音數(shù)據(jù)的采樣頻率為8 kHz。

在實(shí)驗(yàn)中，采用了TLV320AIC23B實(shí)現(xiàn)對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和采樣，TLV320AIC23B是TI公司推出的一款高性能立體聲音頻編解碼器，模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（DAC）集成在芯片內(nèi)部。采用先進(jìn)的Σ-△過(guò)采樣技術(shù)，可以在8 kHz至96 kHz的采樣率下提供16 bit、20 bit、 24 bit和32 bit的采樣數(shù)據(jù)[3]。ADC和DAC的輸出信噪比分別可達(dá)90 dB和100 dB。內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持線(xiàn)路輸出，麥克風(fēng)輸入和線(xiàn)路輸入，輸入和輸出都具有可編程的增益調(diào)節(jié)功能。

TLV320AIC23B的麥克風(fēng)或線(xiàn)路輸入和耳機(jī)輸出的放大倍數(shù)可以通過(guò)修改寄存器值進(jìn)行調(diào)節(jié)，其內(nèi)部有十一個(gè)寄存器，各寄存器地址和功能如表2所示。

表2 AIC23B寄存器地址及名稱(chēng)

通過(guò)修改寄存器可以改變麥克風(fēng)輸入，線(xiàn)路輸入，耳機(jī)輸出的增益。

（1）實(shí)驗(yàn)一：調(diào)節(jié)麥克風(fēng)語(yǔ)音輸入增益

實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示。

圖4 麥克風(fēng)輸入實(shí)驗(yàn)原理圖

地址為0000100的寄存器中第0 bit（MICB）為0，第二級(jí)放大倍數(shù)為1，從原理圖可以看出，默認(rèn)麥克風(fēng)輸入的增益為5。

1）若需要減小增益，可以在輸入引腳外接串聯(lián)電阻R，增益為50/（10+R）；

2）若需要增加增益，可以將第0 bit（MICB）的值設(shè)為1，第二級(jí)增益由默認(rèn)的0 dB提高為20 dB， 信號(hào)放大10倍。通過(guò)調(diào)整第一級(jí)外接串聯(lián)電阻R，總放大倍數(shù)最高可增加至50倍。

（2）實(shí)驗(yàn)二：調(diào)節(jié)線(xiàn)路語(yǔ)音輸入增益（以語(yǔ)音信號(hào)從左線(xiàn)路輸入為例）

實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示。

圖5 線(xiàn)路輸入實(shí)驗(yàn)原理圖

修改地址為0000000的寄存器值，LIV[4:0]即低5位的值默認(rèn)為10111，增益為0dB，LIV[4:0]可從00000（-34.5 dB）調(diào)至11111（+12 dB），可調(diào)步幅為1.5 dB。

（3）實(shí)驗(yàn)三：調(diào)節(jié)耳機(jī)輸出增益（以左耳機(jī)輸出為例）

實(shí)驗(yàn)原理如圖6所示。

圖6 耳機(jī)輸出實(shí)驗(yàn)原理圖

修改地址為0000010的寄存器值。LHV[6:0]默認(rèn)為1111001，增益為0 dB，可從0110000（-73 dB） 調(diào)至1111111（+6 dB），可調(diào)步幅為1 dB，低于-73 dB 則沒(méi)有聲音。

2.4 電路原理圖

低速率語(yǔ)音編解碼電路原理如圖7所示。

WT600F通過(guò)端口LIN/MIC選擇語(yǔ)音信號(hào)的輸入方式，通過(guò)SPI總線(xiàn)對(duì)TLV320AIC23B的寄存器進(jìn)行設(shè)置，完成設(shè)置后，就能夠?qū)崿F(xiàn)低速語(yǔ)音編解碼。

音頻信號(hào)輸入到TLV320AIC23B芯片，該芯片通過(guò)A/D采樣將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，WT600F芯片對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，定時(shí)輸出具有固定幀格式的16字節(jié)數(shù)據(jù)至串口。

WT600F芯片從串口接收到具有固定幀格式的16字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮，將解壓后的數(shù)據(jù)送到TLV320AIC23B芯片，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)從線(xiàn)路輸出。

圖7 語(yǔ)音編解碼模塊原理圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

系統(tǒng)中采用的數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊的工作頻點(diǎn)為170 MHz，屬于超短波的頻段，采用FSK調(diào)制解調(diào)方式，靈敏度理論值可達(dá)-140 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可以在600 bit/s，1 kbit/s和2 kbit/s中選擇。

調(diào)制解調(diào)模塊和語(yǔ)音編解碼模塊之間通過(guò)串口通信，波特率設(shè)置為115200，字長(zhǎng)為8位數(shù)據(jù)，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

語(yǔ)音編解碼模塊發(fā)出的是16個(gè)字節(jié)的語(yǔ)音幀，每幀含有效語(yǔ)音位數(shù)只有45 bits，系統(tǒng)只需將有效數(shù)據(jù)發(fā)出去，就可以降低傳輸速率，提高傳輸距離。

進(jìn)行調(diào)制解調(diào)的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

Header_1固定為0x4C，Header_2固定為0x4E， DATA為語(yǔ)音數(shù)據(jù)。一共8個(gè)字節(jié)，長(zhǎng)度是語(yǔ)音編解碼模塊語(yǔ)音幀結(jié)構(gòu)的一半。

3.2 軟件流程

聲碼器與數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通信過(guò)程如下：

數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通過(guò)串口接收到語(yǔ)音編解碼模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，先判斷數(shù)據(jù)幀頭是否為0x4C，

0x4E，符合要求后再判斷接收數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，如果長(zhǎng)度為16字節(jié)，則將數(shù)據(jù)解包成8字節(jié)的數(shù)據(jù)幀，通過(guò)射頻輸出。軟件流程如圖9（a）所示。

數(shù)字調(diào)制解調(diào)模塊通過(guò)射頻端口接收到數(shù)據(jù)，先判斷數(shù)據(jù)幀頭是否為0x4C，0x4E，符合要求后再判斷數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，如果長(zhǎng)度為8字節(jié)，則將數(shù)據(jù)打包成16字節(jié)的語(yǔ)音幀，發(fā)送給語(yǔ)音編解碼模塊。軟件流程如圖9（b）所示。

圖9 模塊通信流程圖

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，利用衰減器模擬測(cè)試遠(yuǎn)距離語(yǔ)音通信，通過(guò)調(diào)整衰減值，來(lái)測(cè)試語(yǔ)音傳輸效果，當(dāng)接收靈敏度衰減至-130 dBm時(shí)，仍可接收到清晰的語(yǔ)音信號(hào)。

在陸地實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)將電臺(tái)架高，拉遠(yuǎn)等實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的發(fā)射功率達(dá)到47 dBm時(shí)，可以測(cè)得兩部電臺(tái)在相距120 km時(shí)也能有較好的語(yǔ)音通信。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于WT600F的超短波電臺(tái)語(yǔ)音通信系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，接收端合成的語(yǔ)音能夠清楚的分辨聲源，有較高的可懂度、自然度，并且該通信系統(tǒng)在陸地可達(dá)超過(guò)120 km的語(yǔ)音傳輸距離。

為了進(jìn)一步提高傳輸距離，還需要提高調(diào)制解調(diào)模塊的接收靈敏度，如抗干擾性更強(qiáng)的PSK調(diào)制方式，在同等傳輸距離的條件下，可以提高傳輸速率，得到更高質(zhì)量的語(yǔ)音信號(hào)，或者是LoRa線(xiàn)性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制方式，此調(diào)制方式在降低功耗的同時(shí)能夠明顯增加通信距離。