基于Si4463的无线语音系统设计_袁舰

软件总体流程图如图
5 所示。 5 结束语
图 5 系统软件流程图
本文以微处理器 STM32F205RB，Si4463 射频芯片为核心，
配 合 Speex 语 音 编 解 码 算 法 设
计了一款针对短距离、 时分双
工、低功耗无线语音系统。 图 6
为系统总体实物图，经反复测试
验证， 在空旷条件下， 通信在
200m 以 内 ， 语 音 效 果 清 晰 ，无
明显延迟现象较好地实现了两
点间的语音通话。 （下转第 108 页）
图 6 系统总体实物图
108
基于 PROFIBUS－DP 的 S7－300 与 SUPCON DCS 的通讯
2．3 配置 SP239－DP 主站接口卡 首先， 我们要 S7－300 PLC 的 GSD 文件， 因为我们用的是
围电路的设计变得
极 其 简 单 。 Si4463
的外围电路设计如
图 2 所示。
3 硬件设计
本文设计了一
种低功耗，短距离，
时 分 双 工 （TDD） 无
线语音通讯解决方
案 ［2］。
3．1 微 处 理 器 模 块
设计
微处理器模块
主要负责对放大后
的电信号 AD 转换，
编码， 以及对传来
的数据进行解码， DA 转 换 ；与 射 频 模
图 4 语音输出模块电路 图 4 为语音输出模块 硬 件 电 路 设 计 。 STM32F205RB 经 过 DA 输出的信号无法直接驱动耳机工作，因此需要加入功率放大 处理。 DA 输出的信号经过电容隔离了直流，而 R26、R27、R34、 R35 的阻值均相等， 故没有信号的放大， 只是功率放大。 其中 R32、R33 形 成 分 压 电 路 ，用 于 抬 升 基 准 电 压 ，避 免 放 大 后 输 出
本模块采用美国德州仪器公司生产的运算放大器 LMV358， 具有高增益，宽电压的特点且性能价格比高。 经过 LMV358 放大 后的信号传输至 STM32F205RB 内部的一路 12 位 ADC， 来完 成 语 音 信 号 的 采 样 。 STM32F205 内 部 ADC 在 系 统 时 钟 为 120MHz 时，采样率可以达到 2M ／ s。
移动电话虽然方便易用， 但是存在硬件成本高且按时收费 的缺点， 并不适合长时间的无线语音通信。 因此设计一种低功 耗 、低 成 本 、可 靠 的 无 线 语 音 通 信 系 统 变 得 尤 为 重 要 ［1］。 1 系统整体设计
本系统主要由语音采集模块、微处理器模块、射频模块、语 音输出模块构成。 其中语音采集模块、射频模块及语音输出模块 通过微处理器模块的流程控制完成整个系统的协作。 同时，按键 及液晶显示屏提供了整个系统的人机交互接口。
本 设 计 将 Speex 语 音 编 解 码 软 件 移 植 到 STM32F205RB
微处理器中运行，使之具有语音编解码的功能。 以下主要介绍编
码过程：
在 编 码 过 程 中 ，首 先 调 用 函 数 speex＿bits＿init(＆bits) 初 始
化 Speex 内部 定 义 的 结 构 ， 用 于 保 存 数 据 ， 接 着 调 用 speex＿
基于上述考虑， 本系统采用 Silicon Labs 公司推出的一款 最新的集成度高、体积小、适用于 ISM（工业、科学、医疗）频段的 射频芯片— ——Si4463 。 芯片集成了低噪声放大器（Low－noise Amplifier LNA）、I－Q 混 频 器 、数 模 转 换 器 （ADC）、可 编 程 放 大 器（Programmable Gain Amplifier）等。 芯片的高集成度使得外
开 始 编 码 一 帧 新 帧 ， 接 着 调 用 speex＿encode＿int(enc＿state,
(spx＿int16＿t觹)IN＿Buffer[0],＆bit) 对 IN＿Buffer 数 组 里 的 数 据 进
行 编 码 ， 调 用 speex＿bits＿write (＆bits, (char 觹)output＿data,
与数据访问并行不悖。 这样数据访问不再占用指令总线，从而提
升了性能。
基于上述考虑， 本系统采用意法半导体公司的基于最新
Contex－M3 内核的 ARM 芯片 STM32F205RB 作为无线语音系
统的微处理器，其时钟可达到 120MHz，可以高速零等待地执行
代码，从而最大化地发挥 Cortex－M3 内核的性能优势。 同时它
CPU315－2DP， 所以它的 GSD 文件可以通过 Step7 的硬件组态 （HardConfig）来 获 取 。 我 们 选 “sie 3802f．gse”GSE file（觹．gse） English，就可以了。 把它拷贝到 DCS 组态软件的 GSD 文件夹下， 重启组态软件，再添加 GSD 文件就可以找到新加入的 GSD 文件。 2．3．1 从站配置
编 码 复 杂 度 ，过 高 的 编 码 复 杂 度 会 额 外 增 加 CPU 负 载 ，为 取 得
最好的效果这里复杂度的值设置为 2。
在设置完毕基本参数后，对原始的语音数据进行编码，调用
speex＿bits＿reset(＆bits)清 空 结 构 体 bit 里 面 的 所 有 数 据 ，以 便
ENCODED＿FRAME＿SIZE)把 已 经 编 码 完 成 的 帧 拷 贝 出 来 ， 这 样
一帧的编码工作就完成了。 在所有帧的编码工作完成后需调用
以 下 函 数 对 资 源 释 放 ：speex＿encod
speex＿bits＿destroy(＆bitsEncode)。
4．2 系统软件流程
系统的软件设计
主要包括微处理器
STM32F205RB 的初始
化 、 射 频 芯 片 Si4463
的初始化、 音频数据的
编解码、 微处理器
STM32F205RB 与射频
芯 片 Si4463 之 间 的 数
据传输，以及控制射频
芯 片 Si4463 实 现 时 分
双工（TDD）通信。 系统
Abstract Currently,short distance wireless digital voice products use hardware to encoding and decoding the voice data cost much．Speex codec based on CELP is widely used in many kinds of embedded devices because the feature of open － source,free from software patent royalties,variable sampling rate,multiple bit－rate and high quality．Using the latest Contex－ M3 ARM microcontroller and RF chip Si4463,this paper designs a low－power,short distance,TDD wireless voice system．This paper designs the overall system design,the selection of the RF chips,the Speex codec applied in STM32F205RB．After repeatedly testing,in the open environment the system can work reliable within 200 meters． Keywords:Si4463,wireless voice,Speex,Contex－M3
图 2 Si4463 外围电路
块的通讯；整个系统的流程控制。
为节约语音编解码器的硬件成本， 本设计采用软件的方式
实现对语音数据的编解码， 故而需要一款能满足性能要求同时
功耗低的微处理器。 Cortex－M3 是一个 32 位处理器内核［3］。 它
采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指
无线传输系统终端结构框图如图 1 所示。
图 1 无线传输系统终端结构框图 2 射频芯片选型
Si4463 是一款高性能低功耗射频收发器。 它的覆盖频率从 142 到 1050MHz； 灵 敏 度 达 到 了－126dBm； 输 出 功 率 达 到 了 20dBm；数据 传 输 速 率 覆 盖 0．123kbps 至 1Mbps；支 持 多 种 调 制 方 式 。 重 要 的 是 ，Si4463 具 有 12．5kHz 信 道 间 隔 的 60dB 的 邻道选择性，确保了即使在恶劣的 RF 环境下也能可靠通信。 极 低的待机电流和快速唤醒时间确保了在严苛的应用程序中，系 统具有更长的电池寿命。
＆quality)用 于 设 置 编 码 质 量 ，因 为 Speex 是 在 固 定 的 比 特 率 上
实 现 的 ， 所 以 质 量 参 数 必 须 保 持 不 变 。 speex＿encoder＿ctl
(enc＿state,SPEEX＿SET＿COMPLEXITY,＆complexity) 用 于 设 置
基于 Si4463 的无线语音系统设计
的波形失真。
4 软件设计
4．1 Speex 语音编解码算法
Speex 是 近 年 来 开 发 出 的 一 种 基 于 码 激 励 线 性 预 测
（CELP）［4］的开源软件。 由于其具有多采样率、多位率、高质量的
特 点 ［5］，因 此 非 常 适 合 在 无 线 语 音 领 域 方 面 的 应 用 。
《工业控制计算机》2014 年第 27 卷第 11 期
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基于 Si4463 的无线语音系统设计
Design of Wireless Voice System Based on Si4463