原创 运用数传模块实现无线语音通信的方案设计

运用数传模块实现无线语音通信的方案设计

在各种通信系统中，无线语音通信系统应用广泛。但由
于其传输信道的特殊性而对语音信息传输的安全性、语音质
量、传输延时、系统工作的可靠性等有着更高的要求。
本文提出一种基于DSP平台构建的一种无线语音保密
通信系统，采用无线数传模块实现无线保密语音的传输。文
中着重讨论了其数据传输交换部分的软硬件设计。
l 无线数传模块
无线数传模块是由射频模块及外围控制电路组成的在无
线信道上进行数据传输的电路，结构如图1所示。在短距离
无线数据传输应用方面具有接口方便、通信速率较快、成本低
廉等优点。
图1 无线数传模块内部结构
数传模块的串口在接收到串行数据信息后自动形成一帧
数据消息帧，并对该数据消息帧进行奇偶校验，将校验结果加
本文于2O04一O6—25收到，2O04一O9一o3收到修改稿。
*本文的研究项目得到2002年度江苏省高新技术研究基金的支持。
到尾部，并进行前向纠错编码(FEC)重传，然后再加上比特同
步、帧同步，送调制解调后在无线信道上传送。接收方在收到
无线数据后，通过比特同步，帧同步后，进行大数判决，纠错译
码和奇偶校验以证实是否为正确的数据消息帧，确认为正确
数据后再以串行数据的形式发送出去。为了方便各种用户的
应用，串行数据的收发不加任何协议，对用户进行透明传输。
本系统选用PTR4500型数传模块，该模块射频部分以
nRF24E1芯片为核心，工作在2．4G开放频段，最大发射功率
0dBm，在视距情况下可靠传输距离超过1000m。在复杂环境
中，传输距离及质量均会有所下降，对于数据需要在软件上作
进一步处理。该模块具有125个频道，满足多频、跳频及点对
点、点对多点无线通信的需求，无线速率最高1Mbps，内置硬
件CRC纠错编码，具有可靠的无线通信性能。提供RS232
标准串口，串口最高速率115200bit／s，使用方便。模块收发
延时10ms，状态转换时间小于1ms。
2 无线数传模块的通信特点
利用无线数传模块构建无线信道实现语音通信，在硬件
连接上可视为一个两端口的传输设备，分别对应于TX和
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692 微计算机应用 2005钲
RX。但与有线连接方式不同，无线信道通信方式有几个特
点：
(1)通信中串口数据的帧格式、串口速率为一固定值，程
序在这两个参数上应与模块一致。且所选模块传输速率要能
满足实时语音通信码率要求。
(2)有线通信为全双工方式，通信的双方分别在两个信道
中完成各自的数据收与发。而无线通信为半双工方式，为实
现在一个无线信道中收发数据，在数据收发时要进行收发状
态的转换及时钟同步。同时，无线通信时设备A发出数据的
时刻与设备B收到数据的时刻有一定延时T。
(3)数传模块在发送和接收两状态之间进行转换时需要
有数毫秒的转换时间。
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3 系统硬件方案及接口电路设计
我们选用TI公司的TMS320VC5409芯片构建硬件平
台，系统的结构如图2所示。正常工作时，通信双方的A／D
转换芯片(TI 口2OAD5Oc)分别同时对放大和滤波后的语音
信号进行采集，经数字化成为每秒8kX16bit的数据流存入
DSP芯片的缓冲区。A／D芯片每30ms发出一次中断要求
DSP对该数据进行处理，包括对语音信号的压缩、解压缩和
加解密，并最终经由标准异步串行接口通过无线数传模块实
现数据收发。
DSP与数传模块之间以标准异步串口方式通信，UART
硬件接口设计如图3所示。通信过程中，DSP只需对串口控
制芯片进行初始化，即可通过标准串口收发数据。对UART
的初始化设置见下面程序。
STI M B。AR0
P0RTW AR0．UART_ RBR_ REG
S LM A。AR0
P0RTW AR0．UART_ MSB_ REG
(LS=2 MS="0"，即波特率因子为0002h)
STM #03，AR0
DO．D7 DO．D7 OUT1＼ T1 N T1OUT DCD， 、
AO．A2 A ．A2 DTr＼ T2 N T2OUT DSR 1
6
地址 CSO SOUT TxD 3
A3．A22 译码 CS1 RTS＼ T41N T4OUT CTS 8
墨r_L一 CS2＼OUT2＼ T5IN T5OUT R1 ： 9
R／#W 、 [] RDI＼ FTS - 5
#IS LDI WR1＼ CST1NS＼ R12OUT R211N ’RxD 7 撑10STRB ’DTR 42
DSR＼ R3OUT R31N
撑INT2 NTRPT
BAUDOUT＼
[ WR2＼ RCLK __J
1-- ARD2S＼
图3 硬件接口原理图
PORTW AR0，UART_ I CR_ REG
(DI AB="0"，正常工作状态)
STM #01，AR0
P0RTW AR0，UART_ IER_ REG
(IER—O1，只允许接收缓冲器满中断)
STM #OBh，AR0
PORTW AR0，UART_
MCR_ REG
RET
3 系统串口通信软件设计
3．1 通信协议
接口数据包通信格式：
匮丑 .·回
(1)数据帧头数据包帧头固定标志0xFF。
(2)数据长度表示数据内容的长度(包括本字节)，该字
节数值不大于25，即每个数据包有效数据长度不超过24字
节。发送及接收到的数据均遵循这一格式。
(3)PTR4500每次成功接收DSP系统的数据包后进行数
据打包和纠错编码，并通过无线模块发送出去，然后回送
0x5A，表示发送正确，准备下一个数据包的发送。
该DSP无线语音保密通信系统中，采样后的语音信号经
G．723．1语音压缩编码和混沌数字加密后，每30ms数据量
为24字节，恰好组成一帧。发送完毕后需额外读取接收端，
收到0x5A表示成功发送。
4 半双工通信的处理
半双工的通信过程中只能实现A到B或B到A一条信
道的数据传输，绝对不能出现两个设备同时发送接收的情况。
． 为此，在通信过程中使接收机和发射机在同一信道上分时交
替工作，而音频部分则是同时工作的。
系统中对语音模拟信号采用8K采样，每30ms产生240
words数据，经过G．723．1语音压缩编码得到5．3Kit／s或
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6期 马赞等：运用数传模块实现无线语音通信的方案设计 693
6．3Kbit／s两种速率码流(可任选一种)。语音的混沌加密并
不改变其数据量。也就是说，数传模块要实现30ms之内双
方各24 bytes的数据交换。这样，对通话双方来说，其语音通
信是实时的。通信过程如图4。
中断
一一．． ．． ． ．笙堕 竺
2 3ms 10ms
塑塑L壁 ．
2 3 ms 1 ms
图4 半双工通信信道占用时间分配
4．3 握手通信同步方法
该方案中A、B两端的发和收是同步交替工作的。因此
系统开始通信时，必须首先实现收发端的同步。即先开机者
A发出同步字符1，并随后进入循环等待。B启动后亦发出
同步字符1，此时，A收到B发出的同步字符1，启动DSP系
统中的30ms处理流程，发送同步字符2。B收到同步字符2
后，随即启动30ms流程。这样，A和B的信道占用时间刚好
错开，实现了同步，时序如图5，流程如图6所示。
AD使能进入： ：
B开机 I30ms流程j 30ms中断；
圆委翌 蔓 巫圈i i
图5 同步时序图
图6 同步流程图
采用发送两次同步字的方法，对先后开机的顺序没有要
求。在同步字长度的选择上，我们让其恰为24 bytes，这样可
以准确控制两边的时序间隔，并实现系统运行过程中失步后
的再同步。在同步字中如果加入身份认证信息，还可实现多
机通信的身份识别。
5．4 数据的乒乓方式存储
在系统运行过程中，通话双方的数据交换非常频繁，每
30ms一次定时更新数据，由于串行通信中的数据接收采用中
断方式，中断响应程序需要对数据进行解密解压操作，可能出
现一帧数据还未处理好就被下一帧所更新。为避免冲突，程
序中采用了乒乓存储方式，即将长度为N的数据缓冲区扩展
为长度为2N的数据缓冲区，中断进来的数据根据数据存储
地址指针分别填人两个数据缓冲区，数据处理时亦根据数据
存储地址指针选择一个半区进行。
5 结束语
实时DSP无线语音保密通信系统采用了以上介绍的几
种串口通信处理方法，在实际的运行过程中证明：这种数据通
信的结构是合理的，系统总体方案是可行的，它数据获取准
确，通信过程控制方便。同时本通信程序可移植性好，对同类
系统的数传模块串行通信设计和实现有一定的启发。

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