一種Wi-Fi手機的設計與實(shí)現

摘    要：本文介紹一種Wi-Fi手機的設計與實(shí)現方案。無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信系統主要包括輸入(ADC)、輸出(DAC)、數據通信等部分。本系統實(shí)現了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口驅動(dòng)和TCP/IP協(xié)議，音頻數據通過(guò)濾波，A/D轉換后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送出去；同理，網(wǎng)絡(luò )接收到的數據通過(guò)D/A轉換后經(jīng)低通濾波送到揚聲器。
關(guān)鍵詞：Wi-Fi；語(yǔ)音通信；TCP/IP協(xié)議

引言
盡管WLAN手機價(jià)格相對昂貴，語(yǔ)音通信質(zhì)量也不高，同時(shí)還缺乏漫游功能，但是由于WLAN通信具有更低的成本、更靈活的通信方式等優(yōu)點(diǎn)，它正吸引著(zhù)越來(lái)越多的商業(yè)用戶(hù)。
WLAN手機(Wi-Fi手機)的特點(diǎn)是采用數字傳輸方式、全雙工通信、抗干擾性好、安全性高；可以對某個(gè)IP進(jìn)行呼叫；能夠與局域網(wǎng)無(wú)縫連接，實(shí)現廣播、組播等功能。Wi-Fi手機能實(shí)現一般通信系統無(wú)法實(shí)現的許多功能，未來(lái)一定會(huì )有廣闊的應用前景。
本課題設計并實(shí)現了一個(gè)Wi-Fi手機——基于802.11b的數字語(yǔ)音通信終端。

工作原理
圖1為Wi-Fi手機系統工作原理圖。從圖中可以看出，系統包括輸入部分、輸出部分和通信等模塊。
輸入部分
輸入部分由2級組成：
1. 第一級提供麥克風(fēng)放大和一階預采樣低通濾波。這一部分使用音頻功率放大和模擬低通濾波器來(lái)實(shí)現。
2. 第二級使用MCU片上的10位ADC實(shí)現A/D轉換。其主要工作是通過(guò)A/D采樣，獲取音頻PCM碼流。
在通信系統中，一般話(huà)音采樣頻率達到8KHz就可以得到較好的效果。在本系統中，A/D采樣頻率定為8KHz，即每125ms采樣一個(gè)點(diǎn)。本方案中，MCU選用了基于A(yíng)RM核的LPC2119，LPC2119有10位片內ADC，這里只取其高8位，獲得8位的采樣值。因此，系統輸入部分最后得到的是8KHz的8位PCM音頻數據。這些采樣的數據經(jīng)過(guò)打包后就可從網(wǎng)絡(luò )發(fā)送出去。
輸出部分
輸出部分也分為2級：
1. 第一級是D/A轉換過(guò)程。由于系統采用的MCU沒(méi)有內置的DAC，因此采用PWM實(shí)現D/A轉換的功能。
2. 第二級是一個(gè)模擬低通濾波器，它把PWM的數字輸出脈沖轉換成一個(gè)模擬信號。
通信模塊部分
通信模塊利用PCMCIA總線(xiàn)的802.11b網(wǎng)絡(luò )接口實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信。由MCU驅動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，并實(shí)現TCP/IP協(xié)議棧。通過(guò)TCP建立端與端的連接。由于語(yǔ)音通信的特點(diǎn)，音頻數據通過(guò)UDP進(jìn)行通信。
無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)的工作模式一般分為兩種：Infrastructure和Ad-hoc。Infrastructure是指通過(guò)AP(Access Point)互連的工作模式。它主要在媒體存取控制層(MAC)中扮演無(wú)線(xiàn)工作站及有線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )的橋梁。 Ad-hoc方式把一組需要互相通信的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡的BSSID設為相同值來(lái)組網(wǎng)。本系統工作在A(yíng)d-hoc模式下。
本系統采用基于Intersil PRISM 芯片組的802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡。PRISM媒體訪(fǎng)問(wèn)控制器(Medium Access Controller ，PRISM MAC)提供了以下服務(wù)：
?以802.3或802.11幀格式發(fā)送數據報文。
?接收或轉發(fā)802.3或802.11幀格式的數據報文。
?報告諸如連接、驗證、斷開(kāi)連接等狀態(tài)改變信息。
?配置各種802.11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的操作參數。
PRISM MAC提供給用戶(hù)一系列的接口，以方便驅動(dòng)、操作基于PRISM的無(wú)線(xiàn)設備。主機是通過(guò)一組接口寄存器和PRISM MAC進(jìn)行通信的。對PRISM MAC成功初始化后就可以接收或發(fā)送數據。
圖2是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的工作層次圖。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制器提供了邏輯鏈路層協(xié)議，MCU接收到幀數據后要進(jìn)行協(xié)議的分析，這是TCP/IP協(xié)議棧的主要工作。TCP/IP協(xié)議棧模塊使用底層的硬件設備驅動(dòng)模塊來(lái)接收和發(fā)送數據，同時(shí)給其上層應用提供一些簡(jiǎn)單、易用的接口。

硬件描述
從硬件層面上看，系統主要包括電源管理、音頻處理和無(wú)線(xiàn)通信三部分。系統硬件結構如圖3所示。
對移動(dòng)或便攜式設備等使用電池供電的設備來(lái)講，電源管理是非常重要的部分。由于A(yíng)RM7 MCU需要3.3V電源和1.8V內核供電電源，本系統使用LP3985和LP3984兩種超低壓降穩壓器獲得3.3V和1.8V的電壓，當電池電壓跌至3.4V時(shí)，系統仍能正常工作。另外、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡是工作在5V電壓下的，因此使用高效的升壓DC/DC 變換器LM2623。
系統的輸入模塊實(shí)現一階預采樣低通濾波和信號放大。輸出模塊中MCU的PWM信號經(jīng)過(guò)兩級低通濾波、通過(guò)音頻功率放大后，輸出到揚聲器。這部分電路用到了四運放LMC6484和音頻功率放大器LM4900。
LMC6484是COMS工藝的運算放大器，具有功耗低、增益高和軌對軌輸出等特點(diǎn)，適用于低工作電壓環(huán)境。
LM4900能夠在較低的工作電壓下獲得較大的功率放大和較小的信號失真度。3.3V供電時(shí)，在16Ω的負載下LM4900能夠提供175mW左右的持續平均功率。
軟件設計
本系統軟件部分主要包括網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)、TCP/IP協(xié)議以及收發(fā)數據、輸入/輸出的調度和協(xié)調等用戶(hù)程序。
硬件初始化
硬件初始化主要負責對ADC、定時(shí)器、PWM等硬件外設進(jìn)行初始化，這是系統正常工作的關(guān)鍵。由于系統音頻的采樣頻率是8KHz，因此需要一個(gè)125ms的定時(shí)器。另外硬件初始化還包括鍵盤(pán)、LED和模擬器件使能等工作。硬件初始化的具體實(shí)現不做詳細論述。
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )驅動(dòng)
PRISM MAC提供給用戶(hù)一系列的接口，來(lái)驅動(dòng)基于PRISM的無(wú)線(xiàn)設備。主機通過(guò)一組接口寄存器和PRISM MAC進(jìn)行通信。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其說(shuō)明。
PRISM MAC的操作主要是通過(guò)主機向PRISM MAC的命令寄存器發(fā)命令來(lái)實(shí)現的，每個(gè)命令表示一個(gè)特殊的處理動(dòng)作，當命令執行結束時(shí)，可以通過(guò)狀態(tài)寄存器來(lái)讀出執行的結果。表2是一些常用的命令及其說(shuō)明。
成功驅動(dòng)PRISM MAC后，該模塊提供一些函數給上層使用，如：查詢(xún)NIC狀態(tài)、是否有數據被收到、獲取數據和發(fā)送數據等。
TCP/IP協(xié)議棧
當系統從無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )接口接收到一幀數據，TCP/IP協(xié)議棧要逐層計算并去除協(xié)議頭，直到取出有效數據。同理，如果應用層要發(fā)送數據，則要逐層計算并疊加協(xié)議頭，最后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)出數據。圖4是TCP/IP協(xié)議棧接收數據的處理流程。
用戶(hù)程序
在所有以上工作都正常完成后，系統進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)。主要查詢(xún)是否有鍵盤(pán)事件和網(wǎng)絡(luò )事件。通過(guò)呼叫鍵確定主叫方，主叫方發(fā)出呼叫請求給被叫方，如果被叫方同意建立通信(按OK鍵，并發(fā)出響應報文)，則建立通信連接。
通信連接建立后，通信的任意一方就需要在每125ms內做一次A/D采樣，同時(shí)往PWM填一個(gè)8位數據。系統主循環(huán)中，隨時(shí)檢測A/D采樣數據是否達到特定數量，如果達到，啟動(dòng)發(fā)送程序，把數據包發(fā)送出去。

結語(yǔ)
本課題設計并實(shí)現了一個(gè)基于802.11b的Wi-Fi手機原型系統，從測試的結果來(lái)看，基本達到了設計要求。實(shí)驗板能夠和連接在A(yíng)P網(wǎng)絡(luò )上的PC測試平臺進(jìn)行基本的語(yǔ)音通信。實(shí)驗也表明了美國國家半導體的電源管理、運算放大器等低功耗、高效率器件確實(shí)非常適合在便攜式設備、無(wú)線(xiàn)應用系統上使用。
當然，系統還有一些不足之處，首先，由于802.11b無(wú)線(xiàn)設備的功耗較大，這將影響系統在便攜式設備中的應用。另外，在本系統中也未能考慮回聲消除、壓縮等問(wèn)題。希望能在以后的研究中進(jìn)一步探索VoWLAN的相關(guān)技術(shù)及其應用?！?/P>

參考文獻
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