基于CC1101的無中心數(shù)字對講機(jī)設(shè)計

摘要：基于射頻收發(fā)器CC1101，單片機(jī)(MCU)MSP430F149和DSP TMS320VC5509A，設(shè)計了一種無中心數(shù)字對講機(jī)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計方案及各個模塊的器件選型和電路設(shè)計，MCU部分的軟件設(shè)計以及CC1101的編程要點。
關(guān)鍵詞：無線通信；數(shù)字對講機(jī)；CC1101；MSP430F149

1 引言
對講機(jī)在諸多行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。雖然模擬對講機(jī)現(xiàn)今仍壟斷市場，但數(shù)字通信以其更豐富的業(yè)務(wù)種類，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(jī)數(shù)字化是大勢所趨。這里介紹一種基于CC1101射頻器件的數(shù)字無線對講機(jī)的語音通信技術(shù)。

2 整體設(shè)計方案
雖然提供包含圖像、文字、語音的綜合業(yè)務(wù)是未來對講機(jī)的發(fā)展趨勢，但鑒于對講機(jī)的數(shù)字化研究尚處于起步探索階段，而且語音傳輸仍是對講機(jī)最廣泛最重要的作用，該系統(tǒng)設(shè)計的核心是經(jīng)語音數(shù)字化處理后通信更安全可靠，話音更清晰。此外，由于業(yè)界至今尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，系統(tǒng)應(yīng)留存一定的擴(kuò)展和變換空間，以適應(yīng)新的變化和進(jìn)一步研究的需要。
得益于微電子技術(shù)的長足進(jìn)步和快速發(fā)展，射頻電路的靈敏度不斷提高，無線接收機(jī)在相應(yīng)的發(fā)送設(shè)備不工作時也會有數(shù)據(jù)解調(diào)輸出，因而無線通信系統(tǒng)中有必要使用數(shù)據(jù)幀分組傳輸數(shù)據(jù)。還需要使用幀同步技術(shù)保證通信系統(tǒng)能從混亂的數(shù)據(jù)中識別合法的數(shù)據(jù)幀。由于在無線通信系統(tǒng)中存在干擾、噪聲、多徑、衰落等現(xiàn)象，使得無線通信信道在傳輸數(shù)字信息時經(jīng)常出現(xiàn)誤碼，為此，常采用信道編碼技術(shù)，在幀中增加校驗碼元。在無線通信中，最常用的是CRC16，它可以糾正一定程度的隨機(jī)錯誤，但卻沒有能力糾正突發(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(shè)置幀的長度。幀長與編碼方式有關(guān)，曼切斯特編碼時不要超過256字節(jié)，若采用其他方式，則不要超過64字節(jié)。采取短幀方式通信有利于降低干擾，但幀太短又會增加開銷，降低效率。此外，幀的長度還受硬件系統(tǒng)限制，如處理器的處理能力、緩沖、天線帶寬等。綜合各方面因素，這里采用圖1所示數(shù)據(jù)幀格式。由于語音信號一般比較微弱，根據(jù)Mu／A律編碼規(guī)則，容易出現(xiàn)長連“1”或長“0”情況。若出現(xiàn)這種情況，由于長時間不出現(xiàn)“0”點，接收端的本地同步信號的相位會逐漸漂移，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(tǒng)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“1”長“0”。

為了實現(xiàn)一對一雙丁通話和一對多的廣播，該系統(tǒng)采用時分雙工(TDD)方式，分成接收和發(fā)送兩個時隙，保留1．5 ms時間作為射頻部分的收發(fā)轉(zhuǎn)換保護(hù)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
使用微處理器，通過軟硬件的配合實現(xiàn)設(shè)計功能；采用基于CC1l01的設(shè)計方法，根據(jù)需求定義其內(nèi)部邏輯和引腳；運用“白頂向下”和“模塊化”的理念，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的特點。因而，該系統(tǒng)采用DSP處理語音數(shù)據(jù)，使用MCU以彌補(bǔ)DSP控制上的缺憾，采用優(yōu)秀設(shè)計的射頻器以降低軟件復(fù)雜度和MCU的負(fù)荷。系統(tǒng)邏輯框架如圖2所示。系統(tǒng)由射頻模塊、語音處理模塊、MCU模塊、人機(jī)接口模塊和電源模塊組成。系統(tǒng)主處理器負(fù)責(zé)所有設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議控制。該系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F149，該器件擁有60 KB的Flash ROM和2 KB的SRAM。人機(jī)交換模塊是連接使用者與系統(tǒng)的橋梁，指示系統(tǒng)工作狀況，接收使用者的指令。語音處理模塊的語音信號經(jīng)麥克風(fēng)進(jìn)入A／D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)采樣量編程數(shù)字信號，傳輸至DSP，實現(xiàn)數(shù)字濾波和壓縮。語音處理器選用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(dá)200 MHz，具有3個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(nèi)核速率為DSP一半，與DSP的EMIF可直接無縫連接。

CODEC實現(xiàn)語音信號的采樣、模／數(shù)轉(zhuǎn)換、編碼后傳輸給DSP進(jìn)行信號調(diào)理包括濾波壓縮等。在接收節(jié)點，則接收DSP傳來送的信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換后還原成模擬語音信號，由于此時的信號比較微弱，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(以下簡稱AIC23B)，與DSP的McBSP模塊實現(xiàn)無縫連接，串行傳輸數(shù)據(jù)；而DSP通過I2C總線初始化AIC23B。該系統(tǒng)采用主從模式，AIC23B 工作在主模式下，向DSP傳送收發(fā)數(shù)據(jù)所需的時鐘和幀同步信號。
該系統(tǒng)采用1 M×16 bit的Flash以解決上電復(fù)位后DSP程序加載問題，需要20根地址線，但DSP的PGE封裝僅引14根地址線，因而使用CPLD映射到DSP的一個CE空間以擴(kuò)展地址。具體連線方式請參看文獻(xiàn)[5]。
從DSP出來的語音信號經(jīng)由MCU控制到達(dá)射頻模塊，加入前導(dǎo)冗余同步碼等構(gòu)成幀后經(jīng)交織發(fā)射。CC1101是TI公司一款高性價比的單片UHF收發(fā)器，為低功耗無線電應(yīng)用而設(shè)計。它是CC1100器件的加強(qiáng)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線模式，CC1101從模式，工作在403～425 MHz頻段內(nèi)。射頻模塊電路如圖3所示。