一種Wi-Fi手機的設計與實現(xiàn)

摘    要：本文介紹一種Wi-Fi手機的設計與實現(xiàn)方案。無線語音通信系統(tǒng)主要包括輸入(ADC)、輸出(DAC)、數(shù)據(jù)通信等部分。本系統(tǒng)實現(xiàn)了無線網(wǎng)絡接口驅(qū)動和TCP/IP協(xié)議，音頻數(shù)據(jù)通過濾波，A/D轉(zhuǎn)換后通過無線網(wǎng)絡發(fā)送出去；同理，網(wǎng)絡接收到的數(shù)據(jù)通過D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)低通濾波送到揚聲器。
關鍵詞：Wi-Fi；語音通信；TCP/IP協(xié)議

引言
盡管WLAN手機價格相對昂貴，語音通信質(zhì)量也不高，同時還缺乏漫游功能，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，它正吸引著越來越多的商業(yè)用戶。
WLAN手機(Wi-Fi手機)的特點是采用數(shù)字傳輸方式、全雙工通信、抗干擾性好、安全性高；可以對某個IP進行呼叫；能夠與局域網(wǎng)無縫連接，實現(xiàn)廣播、組播等功能。Wi-Fi手機能實現(xiàn)一般通信系統(tǒng)無法實現(xiàn)的許多功能，未來一定會有廣闊的應用前景。
本課題設計并實現(xiàn)了一個Wi-Fi手機——基于802.11b的數(shù)字語音通信終端。

工作原理
圖1為Wi-Fi手機系統(tǒng)工作原理圖。從圖中可以看出，系統(tǒng)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實現(xiàn)。
2. 第二級使用MCU片上的10位ADC實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換。其主要工作是通過A/D采樣，獲取音頻PCM碼流。
在通信系統(tǒng)中，一般話音采樣頻率達到8KHz就可以得到較好的效果。在本系統(tǒng)中，A/D采樣頻率定為8KHz，即每125ms采樣一個點。本方案中，MCU選用了基于ARM核的LPC2119，LPC2119有10位片內(nèi)ADC，這里只取其高8位，獲得8位的采樣值。因此，系統(tǒng)輸入部分最后得到的是8KHz的8位PCM音頻數(shù)據(jù)。這些采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過打包后就可從網(wǎng)絡發(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(zhuǎn)換過程。由于系統(tǒng)采用的MCU沒有內(nèi)置的DAC，因此采用PWM實現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換的功能。
2. 第二級是一個模擬低通濾波器，它把PWM的數(shù)字輸出脈沖轉(zhuǎn)換成一個模擬信號。
通信模塊部分
通信模塊利用PCMCIA總線的802.11b網(wǎng)絡接口實現(xiàn)無線網(wǎng)絡通信。由MCU驅(qū)動無線網(wǎng)卡，并實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧。通過TCP建立端與端的連接。由于語音通信的特點，音頻數(shù)據(jù)通過UDP進行通信。
無線局域網(wǎng)的工作模式一般分為兩種：Infrastructure和Ad-hoc。Infrastructure是指通過AP(Access Point)互連的工作模式。它主要在媒體存取控制層(MAC)中扮演無線工作站及有線局域網(wǎng)絡的橋梁。 Ad-hoc方式把一組需要互相通信的無線網(wǎng)卡的BSSID設為相同值來組網(wǎng)。本系統(tǒng)工作在Ad-hoc模式下。
本系統(tǒng)采用基于Intersil PRISM 芯片組的802.11b無線網(wǎng)卡。PRISM媒體訪問控制器(Medium Access Controller ，PRISM MAC)提供了以下服務：
?以802.3或802.11幀格式發(fā)送數(shù)據(jù)報文。
?接收或轉(zhuǎn)發(fā)802.3或802.11幀格式的數(shù)據(jù)報文。
?報告諸如連接、驗證、斷開連接等狀態(tài)改變信息。
?配置各種802.11b無線網(wǎng)絡的操作參數(shù)。
PRISM MAC提供給用戶一系列的接口，以方便驅(qū)動、操作基于PRISM的無線設備。主機是通過一組接口寄存器和PRISM MAC進行通信的。對PRISM MAC成功初始化后就可以接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。
圖2是無線網(wǎng)絡的工作層次圖。無線網(wǎng)絡控制器提供了邏輯鏈路層協(xié)議，MCU接收到幀數(shù)據(jù)后要進行協(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(qū)動模塊來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，同時給其上層應用提供一些簡單、易用的接口。

硬件描述
從硬件層面上看，系統(tǒng)主要包括電源管理、音頻處理和無線通信三部分。系統(tǒng)硬件結(jié)構如圖3所示。
對移動或便攜式設備等使用電池供電的設備來講，電源管理是非常重要的部分。由于ARM7 MCU需要3.3V電源和1.8V內(nèi)核供電電源，本系統(tǒng)使用LP3985和LP3984兩種超低壓降穩(wěn)壓器獲得3.3V和1.8V的電壓，當電池電壓跌至3.4V時，系統(tǒng)仍能正常工作。另外、無線網(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(tǒng)的輸入模塊實現(xiàn)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)過兩級低通濾波、通過音頻功率放大后，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，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，在16Ω的負載下LM4900能夠提供175mW左右的持續(xù)平均功率。
軟件設計
本系統(tǒng)軟件部分主要包括網(wǎng)絡驅(qū)動、TCP/IP協(xié)議以及收發(fā)數(shù)據(jù)、輸入/輸出的調(diào)度和協(xié)調(diào)等用戶程序。
硬件初始化
硬件初始化主要負責對ADC、定時器、PWM等硬件外設進行初始化，這是系統(tǒng)正常工作的關鍵。由于系統(tǒng)音頻的采樣頻率是8KHz，因此需要一個125ms的定時器。另外硬件初始化還包括鍵盤、LED和模擬器件使能等工作。硬件初始化的具體實現(xiàn)不做詳細論述。
無線網(wǎng)絡驅(qū)動
PRISM MAC提供給用戶一系列的接口，來驅(qū)動基于PRISM的無線設備。主機通過一組接口寄存器和PRISM MAC進行通信。表1列出了PRISM MAC的常用寄存器及其說明。
PRISM MAC的操作主要是通過主機向PRISM MAC的命令寄存器發(fā)命令來實現(xiàn)的，每個命令表示一個特殊的處理動作，當命令執(zhí)行結(jié)束時，可以通過狀態(tài)寄存器來讀出執(zhí)行的結(jié)果。表2是一些常用的命令及其說明。
成功驅(qū)動PRISM MAC后，該模塊提供一些函數(shù)給上層使用，如：查詢NIC狀態(tài)、是否有數(shù)據(jù)被收到、獲取數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)等。
TCP/IP協(xié)議棧
當系統(tǒng)從無線網(wǎng)絡接口接收到一幀數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。同理，如果應用層要發(fā)送數(shù)據(jù)，則要逐層計算并疊加協(xié)議頭，最后通過以太網(wǎng)發(fā)出數(shù)據(jù)。圖4是TCP/IP協(xié)議棧接收數(shù)據(jù)的處理流程。
用戶程序
在所有以上工作都正常完成后，系統(tǒng)進入查詢狀態(tài)。主要查詢是否有鍵盤事件和網(wǎng)絡事件。通過呼叫鍵確定主叫方，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(nèi)做一次A/D采樣，同時往PWM填一個8位數(shù)據(jù)。系統(tǒng)主循環(huán)中，隨時檢測A/D采樣數(shù)據(jù)是否達到特定數(shù)量，如果達到，啟動發(fā)送程序，把數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

結(jié)語
本課題設計并實現(xiàn)了一個基于802.11b的Wi-Fi手機原型系統(tǒng)，從測試的結(jié)果來看，基本達到了設計要求。實驗板能夠和連接在AP網(wǎng)絡上的PC測試平臺進行基本的語音通信。實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、高效率器件確實非常適合在便攜式設備、無線應用系統(tǒng)上使用。
當然，系統(tǒng)還有一些不足之處，首先，由于802.11b無線設備的功耗較大，這將影響系統(tǒng)在便攜式設備中的應用。另外，在本系統(tǒng)中也未能考慮回聲消除、壓縮等問題。希望能在以后的研究中進一步探索VoWLAN的相關技術及其應用?！?/P>

參考文獻
1 金純、陳林星、楊吉云編著. IEEE 802.11無線局域網(wǎng). 電子工業(yè)出版社，2004年1月
2  Jeremy Bentham . TCP/IP Lean Web Servers for Embeded System,2E . 機械工業(yè)出版社 , 2003年5月
3 Douglas E. Comer. Internetworking With TCP/IP Vol I: Principles,Protocols,and Architectures Fourth Edition . 電子工業(yè)出版社, 2003年7月
4 LPC2110 USER MANUAL. 2004年3月