基于IEEE802.15.4/ZigBee的语音通信技术研究与实现

摘要

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。其主要特性包括：具有多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。传统上ZigBee主要应用于家庭自动化、工业自动化、库存管理、产品质量控制、无线传感监测、定位及消防安全等领域，其传输的数据为非即时数据。无线语音通信则属于即时数据传输，虽然实现无线语音通信不是ZigBee标准最初的目标，但在许多领域中如果没有语音通信功能，将使其应用受到很大的局限；另一方面，在有紧急需求和布置不易环境下（如矿井井下救援、消防抢救），ZigBee具有其他通信技术难以替代的优势，如能利用ZigBee网络进行双向语音传输则具有非常大的实用价值；同时，在无线传感网络的应用中，声音也是一种传感量，传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求，所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee的应用环境，提出实现语音通信的研究课题。 本课题设计了基于CC2430芯片的Zigbee硬件模块，经过测试，在空旷环境下的视距传输距离达到30米；在此基础上设计了基于IEEE802.15.4的语音通信系统方案，开发了硬件试验平台，用以研究短距离的无线语音通信技术。语音通信方案充分利用CC2430 SoC的性能特点，使用芯片内部的ADC和PWM完成语音采样及回放，无需外部的语音编解码器件且使用的外围器件很少。为适应250Kb/s的无线传输速率同时保证语音质量，使用CC2430片内的8051内核单片机实现了ADPCM压缩算法，优化后的ADPCM算法编、解码时间分别为20us和18us，语音速率降低到32Kb/s。减少了带宽占用，并可提高抗干扰能力。经过测试验证，在室内无遮蔽条件下，系统可以很好地实现实时语音无线传输，发射功率小于0 dBm，语音延时小于25ms，传输距离达到15米，音质MOS测试分达到3分以上。该方案硬件简单，成本低廉，功耗很低，可应用于矿井井下生产、无线传感器网络、消防、安全监控领域，拓展了IEEE802.15.4应用范围。