ZigBee語音傳輸分析

1 前言

無線語音技術從早期的模擬無線語音到目前的數(shù)字無線語音技術，經歷了一個比較漫長的過程。隨著無線通信技術的發(fā)展，特別是無線射頻收發(fā)器成本的逐年下降，數(shù)字無線語音通信逐漸成為市場應用主流。最簡單的例子莫過于對講機，目前仍然廣泛使用的是模擬對講機，而高檔的數(shù)字對講機正在降低成本，逐漸蠶食模擬對講機的市場。

ZigBee原本定位于小數(shù)據(jù)量的通信，但是本身250 kb/s的通信速率也是足以滿足基本語音通信的，幾大射頻芯片廠商都有基于ZigBee的語音通信方案，本文將對Zig-Bee語音通信技術做一些探討。

2 ZigBee語音通信分析

ZigBee傳輸語音數(shù)據(jù)屬于數(shù)字傳輸，數(shù)字通信系統(tǒng)在本質上有著一些巨大的優(yōu)勢：首先是抗干擾能力強。模擬信號在傳輸過程中很難與疊加的噪聲分離，噪聲會隨著信號被傳輸、放大，嚴重影響通信質量。數(shù)字通信中的信息是包含在脈沖的有無之中的，只要噪聲絕對值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無，以保證通信的可靠性。其次是遠距離傳輸仍能保證質量。因為數(shù)字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數(shù)字信號和原來的數(shù)字信號一樣，可繼續(xù)傳輸下去，這樣通信質量便不受距離的影響，可高質量地進行遠距離通信。此外，它還具有適應各種通信業(yè)務要求(如電話、電報、圖像、數(shù)據(jù)等)，便于實現(xiàn)統(tǒng)一的綜合業(yè)務數(shù)字網，便于采用大規(guī)模集成電路，便于實現(xiàn)加密處理，便于實現(xiàn)通信網的計算機管理等優(yōu)點。

標準的ZigBee傳輸數(shù)據(jù)率為250 kb/s，目前廠商支持的傳輸速率可以達到1 Mb/s，更高的傳輸速率意味著更低的接收靈敏度，也意味著更短的通信距離，因此在話音質量要求不高的場合，盡量使用最低可接受最差通話質量，即最低通信流量，以保證通話距離。

在250 kb/s的通信速率下，理論上有25 kB/s的傳輸流量，可以滿足電話質量，即ITU-TG·711標準，8 kHz取樣，8 bit量化，碼率 64 kb/s，而AM廣播采用ITUTG·722 標準，16 kHz取樣，14 bit量化，碼率 224 kb/s，標準ZigBee 250 kb/s也是可以滿足的。

無線語音通信因為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量要盡量少，因此通常需要采用語音壓縮算法先將數(shù)據(jù)進行壓縮，然后再傳輸，接收方按照對應的解壓算法解壓后播放，常見的三種語音編碼解碼算法為：μ-law、a-law、ADPCM。

μ-law算法是一種壓擴算法（companding algorithm），主要用于北美和日本的數(shù)字通信系統(tǒng)。與其他壓擴算法一樣，其目的是減少音頻信號的動態(tài)范圍。在模擬域中，這可以提高發(fā)送過程中的信噪比(SNR)；在數(shù)字域中，則可以減少量化誤差（quantization error）（因而提高了信號-量子化噪聲比（SQNR））。反過來，SNR的這些改善又可以減少帶寬和等效SNR。

a-law算法也是一種標準的壓擴算法，被歐洲數(shù)字通信系統(tǒng)用來優(yōu)化/修改數(shù)字化模擬信號的動態(tài)范圍。

a-law算法以更壞的小信號比例失真(proportional distortion)為代價，提供的動態(tài)范圍比μ-law稍微寬一點。

自適應差值脈沖編碼調制（ADPCM）是在差值（或增量）脈沖編碼調制（DPCM）基礎上發(fā)展起來的，它主要改變了量化級數(shù)，從而可以進一步減小某一特定信噪比所需的帶寬。DPCM將PCM值編碼成當前值和之前值的差。對于音頻，這種編碼方法可以將每次采樣的位數(shù)相對PCM減少25%左右。

3 系統(tǒng)構成

ZigBee語音通信系統(tǒng)由音頻ADC芯片采集語音數(shù)據(jù)，經由I2S總線傳輸?shù)綆дZ音處理單元的單片機 （如ZICM2410芯片）中，經過硬件編解碼單元，進行數(shù)據(jù)壓縮，可選 μ-law、A-law和 ADPCM等，然后進入 MAC層的FIFO，最后通過PHY層調制成射頻信號發(fā)射出去。接收端的結構與發(fā)射端相同。

因為采用射頻數(shù)據(jù)打包的分組傳輸方式，因此可以實現(xiàn)數(shù)字全雙工通信，這也是普通模擬對講機不能實現(xiàn)的。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

為保證語音數(shù)據(jù)的高速傳輸，語音芯片和CPU最好使用 I2S總線，I2S(Inter—IC Sound)總線是飛利浦公司為數(shù)字音頻設備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標準，該總線專責于音頻設備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統(tǒng)。它采用了沿獨立的導線傳輸時鐘與數(shù)據(jù)信號的設計，通過將數(shù)據(jù)和時鐘信號分離，避免了因時差誘發(fā)的失真，為用戶節(jié)省了購買抵抗音頻抖動的專業(yè)設備的費用。CPU和音頻編解碼芯片的連接如圖2所示。

圖2 ZICM2410通過I2S與語音芯片連接

4 ZigBee語音路由分析

點對點的通信通常距離不遠，在語音通信中更是如此，因為數(shù)據(jù)量本身已經接近最大帶寬，又考慮到音頻圖像等的傳輸對于細節(jié)數(shù)據(jù)不太敏感，一般不做確認重發(fā)機制，所以通信距離甚至只能達到數(shù)據(jù)通信距離的一半。如果要增加通信距離，則必須增加中繼節(jié)點，隨之而來的是音質降低了一半。

以已經實現(xiàn)的一個無線語音中繼系統(tǒng)為例，ZICM2410模塊本身可以實現(xiàn)16 kHz采樣率，8 bit位采樣(單身道)，也就是每秒鐘可以傳輸16 KB的數(shù)據(jù)，但是為滿足中繼需要，只能降到8 kHz采樣率，時隙上的分析如下。

如圖 3所示，16 kHz，8 bit采樣，每 4 ms發(fā)送一次64 B的語音數(shù)據(jù)，8 kHz，8 bit采樣，每8 ms發(fā)送一次，增加中繼之后，源節(jié)點每 8 ms發(fā)送一次（8 kHz，8 bit），而中繼節(jié)點收到數(shù)據(jù)后，會有一個存儲轉發(fā)的過程，大致 4 ms，這時，如果通過 ZigBee分析儀查看，依然會看到每4 ms一個無線數(shù)據(jù)包，和之前16 kHz采樣時的時間占用是一樣的。

圖3 無線語音中繼時隙示意圖

這樣的時隙下，即使發(fā)送機、接收機和中繼器放在一起，也是不會有影響的，因為接收機接收時會有幀序號比對，收到中繼的重復數(shù)據(jù)包會立即丟掉，一旦離開源節(jié)點信號覆蓋范圍，接收節(jié)點就只能收到中繼節(jié)點的數(shù)據(jù)了。

如果位置選擇合適，則這種中繼可以延續(xù)下去；否則再加一級中繼，會打亂原先系統(tǒng)的時隙。

5 ZigBee語音應用

ZigBee語音傳輸比較合適的是導游解說系統(tǒng)。在同一處旅游景點，可能有不同的導游向不同的游客介紹景觀。如果使用一般的擴音系統(tǒng)，往往會出現(xiàn)導游之間互相比嗓子，或者搶游客的尷尬局面，在一些文化底蘊很濃的場合，這樣鬧哄哄的場面往往會破壞景點本身的意境。

使用ZigBee技術可以非常容易地解決這個問題，如圖1所示的點對點通信，只要發(fā)送端設置為廣播模式發(fā)送數(shù)據(jù)，即可在有效通信范圍內，配置不限數(shù)目的接聽節(jié)點(因為接收節(jié)點并不發(fā)數(shù)據(jù)，因此技術上不存在節(jié)點限制，只有空間上的體積限制)，而不同導游之間，采用不同的物理頻段 (標準ZigBee總共16個)，彼此之間是不會干擾的。

6 小結

ZigBee語音通信目前還在應用的初級階段，在成本上還有些高，對于價格敏感的應用，還不太適用。較為便宜的類ZigBee通信方式(不使用O-QPSK等編碼方式)正在較大規(guī)模地應用，這些通信方式，抗干擾性不強(臨道抑制比差，抗 WiFi干擾能力弱)，將來 ZigBee價格和應用難度降下來之后，必然會取而代之。