基于CC1101的無(wú)中心數字對講機設計

摘要：基于射頻收發(fā)器CC1101，單片機(MCU)MSP430F149和DSP TMS320VC5509A，設計了一種無(wú)中心數字對講機。詳細介紹了系統的設計方案及各個(gè)模塊的器件選型和電路設計，MCU部分的軟件設計以及CC1101的編程要點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)通信；數字對講機；CC1101；MSP430F149

1 引言
對講機在諸多行業(yè)領(lǐng)域廣泛應用。雖然模擬對講機現今仍壟斷市場(chǎng)，但數字通信以其更豐富的業(yè)務(wù)種類(lèi)，更好的業(yè)務(wù)質(zhì)量、保密性和連接性，尤其可提高頻譜效率，更有效利用寶貴的頻譜資源，因此對講機數字化是大勢所趨。這里介紹一種基于CC1101射頻器件的數字無(wú)線(xiàn)對講機的語(yǔ)音通信技術(shù)。

2 整體設計方案
雖然提供包含圖像、文字、語(yǔ)音的綜合業(yè)務(wù)是未來(lái)對講機的發(fā)展趨勢，但鑒于對講機的數字化研究尚處于起步探索階段，而且語(yǔ)音傳輸仍是對講機最廣泛最重要的作用，該系統設計的核心是經(jīng)語(yǔ)音數字化處理后通信更安全可靠，話(huà)音更清晰。此外，由于業(yè)界至今尚無(wú)統一的標準和法規，系統應留存一定的擴展和變換空間，以適應新的變化和進(jìn)一步研究的需要。
得益于微電子技術(shù)的長(cháng)足進(jìn)步和快速發(fā)展，射頻電路的靈敏度不斷提高，無(wú)線(xiàn)接收機在相應的發(fā)送設備不工作時(shí)也會(huì )有數據解調輸出，因而無(wú)線(xiàn)通信系統中有必要使用數據幀分組傳輸數據。還需要使用幀同步技術(shù)保證通信系統能從混亂的數據中識別合法的數據幀。由于在無(wú)線(xiàn)通信系統中存在干擾、噪聲、多徑、衰落等現象，使得無(wú)線(xiàn)通信信道在傳輸數字信息時(shí)經(jīng)常出現誤碼，為此，常采用信道編碼技術(shù)，在幀中增加校驗碼元。在無(wú)線(xiàn)通信中，最常用的是CRC16，它可以糾正一定程度的隨機錯誤，但卻沒(méi)有能力糾正突發(fā)差錯的能力，需要用交織編碼的方法使其變成交錯碼。
此外，為保證通信的可靠性，還需要合理設置幀的長(cháng)度。幀長(cháng)與編碼方式有關(guān)，曼切斯特編碼時(shí)不要超過(guò)256字節，若采用其他方式，則不要超過(guò)64字節。采取短幀方式通信有利于降低干擾，但幀太短又會(huì )增加開(kāi)銷(xiāo)，降低效率。此外，幀的長(cháng)度還受硬件系統限制，如處理器的處理能力、緩沖、天線(xiàn)帶寬等。綜合各方面因素，這里采用圖1所示數據幀格式。由于語(yǔ)音信號一般比較微弱，根據Mu／A律編碼規則，容易出現長(cháng)連“1”或長(cháng)“0”情況。若出現這種情況，由于長(cháng)時(shí)間不出現“0”點(diǎn)，接收端的本地同步信號的相位會(huì )逐漸漂移，甚至失步。若采用變換歸零或重新編碼的方式，又有可能降低系統抗干擾能力或頻帶利用率。為此，需要采用擾碼技術(shù)，消除長(cháng)“1”長(cháng)“0”。

為了實(shí)現一對一雙丁通話(huà)和一對多的廣播，該系統采用時(shí)分雙工(TDD)方式，分成接收和發(fā)送兩個(gè)時(shí)隙，保留1．5 ms時(shí)間作為射頻部分的收發(fā)轉換保護。

3 系統硬件設計
使用微處理器，通過(guò)軟硬件的配合實(shí)現設計功能；采用基于CC1l01的設計方法，根據需求定義其內部邏輯和引腳；運用“白頂向下”和“模塊化”的理念，是現代電子系統設計的特點(diǎn)。因而，該系統采用DSP處理語(yǔ)音數據，使用MCU以彌補DSP控制上的缺憾，采用優(yōu)秀設計的射頻器以降低軟件復雜度和MCU的負荷。系統邏輯框架如圖2所示。系統由射頻模塊、語(yǔ)音處理模塊、MCU模塊、人機接口模塊和電源模塊組成。系統主處理器負責所有設備控制、任務(wù)調度、功能協(xié)調、通信協(xié)議控制。該系統采用TI公司的MSP430F149，該器件擁有60 KB的Flash ROM和2 KB的SRAM。人機交換模塊是連接使用者與系統的橋梁，指示系統工作狀況，接收使用者的指令。語(yǔ)音處理模塊的語(yǔ)音信號經(jīng)麥克風(fēng)進(jìn)入A／D轉換器，經(jīng)采樣量編程數字信號，傳輸至DSP，實(shí)現數字濾波和壓縮。語(yǔ)音處理器選用TI公司的TMS320VC5509A，與經(jīng)典的C54x相比，其綜合性能提高5倍，而功耗卻僅為C54x的1／6。其工作頻率高達200 MHz，具有3個(gè)McBSP，64 KB的DARAM和192 KB的SARAM。DSP與MCU間采用SPI通信方式，DSP的McBSP1接MCU的USART1，MCU主模式，DSP從模式。SDRAM采用HY57V641620，具有4 M×16 bit容量，工作頻率為72 MHz，內核速率為DSP一半，與DSP的EMIF可直接無(wú)縫連接。

CODEC實(shí)現語(yǔ)音信號的采樣、模／數轉換、編碼后傳輸給DSP進(jìn)行信號調理包括濾波壓縮等。在接收節點(diǎn)，則接收DSP傳來(lái)送的信號，數模轉換后還原成模擬語(yǔ)音信號，由于此時(shí)的信號比較微弱，加入音頻功率放大器MAX4368放大，再輸出至揚聲器。CODEC選用TI公司的TLV320AIC23B(以下簡(jiǎn)稱(chēng)AIC23B)，與DSP的McBSP模塊實(shí)現無(wú)縫連接，串行傳輸數據；而DSP通過(guò)I2C總線(xiàn)初始化AIC23B。該系統采用主從模式，AIC23B 工作在主模式下，向DSP傳送收發(fā)數據所需的時(shí)鐘和幀同步信號。
該系統采用1 M×16 bit的Flash以解決上電復位后DSP程序加載問(wèn)題，需要20根地址線(xiàn)，但DSP的PGE封裝僅引14根地址線(xiàn)，因而使用CPLD映射到DSP的一個(gè)CE空間以擴展地址。具體連線(xiàn)方式請參看文獻[5]。
從DSP出來(lái)的語(yǔ)音信號經(jīng)由MCU控制到達射頻模塊，加入前導冗余同步碼等構成幀后經(jīng)交織發(fā)射。CC1101是TI公司一款高性?xún)r(jià)比的單片UHF收發(fā)器，為低功耗無(wú)線(xiàn)電應用而設計。它是CC1100器件的加強升級版，靈敏度更高，功耗更小，帶寬更大。MSP430F149與CC1101采用SPI方式通信，MSP430F149工作在主模式，使用USART1模塊，3線(xiàn)模式，CC1101從模式，工作在403～425 MHz頻段內。射頻模塊電路如圖3所示。