基于无线个域网的新型语音通信系统

　　分析了基于WPAN的语音通信系统（VoWPAN）的优点，设计并研制了应用在石油井场的VoWPAN系统。该系统包括音频网关和语音终端2部分，能够提供音频网关到语音终端之间点到点、点到多点的无线语音通信。

　　通过采用高密度封装的蓝牙模块和集成化的设计，减小了系统的尺寸。针对语音终端待机时间短的问题，采用休眠模式、减小扫描窗长度、增大扫描间隔、关闭主机接口等措施，降低了功耗。通过分离音频网关的主机和射频前端，简化了天线的设计难度，降低了成本，克服了某些场合的屏蔽效应。采用规范的蓝牙通信协议，可以与普通的蓝牙产品兼容。经测试，系统的通信距离可达100m。该系统已成功应用于国内许多油田的井场控制。

　　作为现有骨干网络（如因特网、公众电话网和公众移动通信网）的一种补充和延伸，无线个域网（wireless personal area network，WPAN）技术的应用方兴未艾，基于WPAN的语音通信系统（voice overWPAN，VoWPAN）已逐渐成为一种新的应用。通过VoWPAN，人们可以无缝地接入现有的公众电话网（public switched telephone network，PSTN），在家庭、办公室等室内场合使用手机通信但发射功率极小且仅花费固定网络的资费。对于固定和移动通信网络运营商来说，引入VoWPAN，可以通过不同于有线或公众蜂房系统的电话业务，为企业、商场和家庭用户提供通信服务，从而有效扩展网络覆盖率，提高市场竞争力。

　　蓝牙（Bluetooth）作为WPAN的关键技术之一，应用于VoWPAN具有广阔的前景。本文把蓝牙作为VoWPAN的主要技术，在参考国际蓝牙专业组（special interesting group，SIG）提出的蓝牙语音应用参考模型的基础上，着重阐述其在井场无线通信VoWPAN中的应用，给出了一种新型的VoWPAN系统的设计和研制，包括其软、硬件结构和工作流程；然后分析其性能，特别是系统的电流消耗，给出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的问题和今后的发展方向。

　　VoWPAN的关键技术

　　VoWPAN利用PSTN网络的普遍性和成熟性，在家庭和企业环境中，通过使用WPAN语音终端，在WPAN覆盖范围内自由组网免费通话或者通过PSTN拨打市话。一般来说，VoWPAN系统应满足以下要求：

　　1）采用的语音编码应具有较小的时延。目前，比较常见的语音编码调制技术，主要有脉冲编码调制（pulse codemodulation，PCM）和增量调制。为了提高增量调制的动态范围进而提高信噪比，通常采用连续可变斜率增量调制（continuous variableslope delta，CVSD）。测试表明，在同样的信息传输速率条件下CVSD的性能优于PCM，其误码率即使达到4%，话音质量也可以接受。

　　2）必须能够抵御WPAN环境中存在的各种干扰。跳频技术采用正交的伪随机跳变图案以避免“碰撞”，具有很强的抗干扰能力。但是在一个分散的系统中不可能有理想正交的跳频图案，这就导致了2个或多个用户同时在同一频隙上发送信号，即产生碰撞，碰撞概率随着系统中网络数量的增加而增加。另外，在蓝牙的工作频带内还有很多使用跳频技术的系统。

　　3）应严格限制几何尺寸，同时具有规范的接口，从而可以方便地集成到现有的语音终端设备中（如无线对讲机、蜂窝电话等）。鉴于本系统的典型应用是要将语音终端佩戴在用户头上，其体积和质量都有非常严格的要求。

　　根据上述要求，本系统采用了DELTA公司的DFBM-CF121蓝牙模块，集成了CSRBC02、PCM编解码器、Flash存储和晶振等部件，其尺寸仅为10.5mm×10.5mm×2.0mm。蓝牙技术规范的开放性保证了设备制造商可以自由地选用其专利协议或常用的公共协议，在此基础上开发新的应用。本文提出的语音通信系统就是在其核心协议的基础上，对语音终端和音频网关进行了控制、管理应用程序的开发。

　　蓝牙1.1标准规定用于传输语音的链路是同步面向连接链路（synchronous connection-oriented，SCO），支持对称、电路交换和点到点连接。目前蓝牙112标准和210标准增加了增强型同步面向连接链路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在标准的SCO链路上增加一些扩展机制，使得链路能够支持更灵活的数据包格式、包内的数据内容、时隙周期，同时还允许加入同步比特。另外，eSCO支持有限的数据重传，增强了同步传输过程中的错误检测和重传机制，非常适合传输话音。

　　蓝牙的跳频序列周期很长，具有很强的抗干扰性能，可大大降低不同类型网络间和相同类型网络间的干扰，有利于对同步要求很高的语音业务。

　　另外，SIG也致力于开发蓝牙在语音方面的新应用。SIG早在蓝牙1.1标准发布时就给出了有关蓝牙语音应用的若干参考模型，包括无绳电话应用模型（cordless telephone profile，CTP）、对讲机应用模型（intercom profile，IntP）、耳机应用模型（head setprofile，HSP）、车载免提应用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的语音应用参考模型，比如宽带语音应用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采样率，符合蓝牙1.2标准规定的支持错误检测和重传机制的同步链路。此外，SIG还不断提出语音应用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的连接速度、更有效的错误检测和流量控制、更强的同步能力。

　　由于蓝牙技术在语音传输方面的优势，必将使其成为VoWPAN的关键技术。

　　VoWPAN通信系统的设计与实现

　　蓝牙VoWPAN通信系统原理如图1所示。通信系统采用蓝牙技术，以蓝牙电话应用框架为参考，充分利用了蓝牙语音质量好、体积小、功耗低、成本低和抗干扰能力强的特点，实现了语音终端与音频网关之间点到点、点到多点通信的无线语音接入系统。其中，语音终端可以是本文所述的蓝牙语音终端，也可以是普通的蓝牙耳机、带有蓝牙功能的蜂窝手机、支持蓝牙功能的笔记本电脑等。

　　本文主要介绍已经成功应用于石油井场的语音通信系统，该系统是VoWPAN技术在石油钻井平台现场的应用。井场示意图如图2所示，整个系统以钻井平台上的司钻控制室为中心，通信范围覆盖井架、发电装置、泥浆装置等设施。工作人员在覆盖区内可以自由地进行通话。在井场内部局域网内形成VoWPAN的应用。由于采用了免提设计，工作人员使用时甚至不需要用手按键，因此特别适合无法用手接听时的场合。如果司钻控制台接有电话线，只需在网关端加入电话处理模块，覆盖区内的工作人员可以通过司钻控制台拨打电话。

　　相对于VoWPAN在家庭、办公室应用，系统在尺寸、节能、抗干扰等方面有更高的要求。因此，本文所述井场的语音通信系统完全可以应用在医院、家庭、办公室等各种场合。

　　硬件设计框图

　　整个系统可分为语音终端和音频网关2个部分。井场蓝牙语音通信系统硬件框图如图3所示。其中，语音终端以本文提出的蓝牙语音终端为例加以说明。

　　蓝牙语音终端包括蓝牙模块、电源管理、按键以及耳麦等器件。其中，蓝牙模块包括基带、射频、主机和PCM编解码器。本设计中的蓝牙基带和射频电路由CSR公司的BlueCore02芯片、Balum、功放、低噪放、收发切换开关、滤波器和一些外围电路组成。CSRBC02蓝牙芯片由射频接收器、射频发射器、射频合成器、物理层DSP硬件引擎、猝发状态控制器、微处理器、内存管理单元等部分组成。

　　

　　CSRBC02蓝牙芯片内置微处理器单元和RAM，只要扩展一个4Mbit的Flash存储器，就可以充当主机的角色，从而直接在CSRBC02芯片上运行蓝牙协议栈、按键扫描等工作，无需外扩专门的处理器。蓝牙协议规定了用于蓝牙的语音编码为64kbit/s的PCM编码（可以是A律、μ律或线性PCM编码）或者64kbit/s的CVSD编码。而CSRBC02蓝牙芯片支持PCM编码，并提供同步PCM接口。在本设计中采用Motorola的线性PCMCO2DECMC145483及其外围芯片构成PCM编解码电路。MC145483提供同步/异步PCM码流接口，可以把话音信号采样、量化、编码成13bit线性PCM信号，也可把线性PCM信号转换成模拟语音信号传输到语音终端的扬声器。

　　电源管理包括了稳压电路、电平转换电路以及开关电路。由于蓝牙芯片、Flash芯片工作在不同的电压，所以要采用电平转换电路。而蓝牙的工作电流变化范围很大，从休眠模式（deep sleep）的工作电流小于1mA到SCO链路建立的60mA，加上蓝牙射频端收发状态频繁切换，功率放大器频繁开关，因此对稳压芯片提出了较高的要求。另外，为了保证整个语音终端的正常工作，还必须对电源（电池）进行检测，一旦发现电源供电不足，应直接向用户报警并关机。

　　为了体现终端的便携性和易操作性，本设计将按键设计成多功能单键，也就是说，一键实现接听、挂机、调节音量和开关机等功能。区分用户操作的工作尽量由软件实现。

　　音频网关由蓝牙模块和网关控制模块2部分组成。由于网关相对于终端在设备体积、供电、移动性等方面要求都较宽裕。因此，为了增大通信距离，可以在网关端蓝牙射频电路的发射端加入增益20dB的功率放大器。相同地，在接收端加入高增益的低噪声放大器，使得蓝牙模块的射频参数符合蓝牙class1的要求。

　　CSRBC02内置微处理器负责运行蓝牙协议栈内的各层协议。在不影响蓝牙主体协议运行的前提下，用户可以根据需要编写一些应用程序。如果只需实现功能简单的系统，则系统内不需要外扩一个微处理器。但在本系统内，由于网关结构较为复杂，处理器负荷较大且控制引脚较多，所以本系统采用了一块功能较强的处理器，用来控制蓝牙模块、液晶显示、存储器及键盘等。

　　本设计中，液晶显示模块选用以HD44780作为控制器的字符型液晶显示模块。键盘采用4×4矩阵译码键盘。为了节省I/O口资源，采用I2C接口的E2PROM来存储语音终端的相关信息。图4为本文所述语音通信系统的实物照片。

　　软件设计框图

　　本系统的软件设计主要是在蓝牙核心协议的基础上，分别对语音终端和音频网关的控制、应用程序进行了开发。系统的软件设计结构图如图5所示。

　　

　　如图5所示蓝牙的4个核心协议分别是：基带协议（Baseband），链路管理协议（link manage protocol，LMP），逻辑链路控制和适应协议（logicallink control and adaptation protocol，L2CAP）和服务发现协议（service discovery protocol，SDP）。Baseband定义了时隙、帧结构、组包以及链路上的流控。LMP负责管理链路状态、协调各个设备以及电源模式和工作周期等任务。L2CAP为上层协议提供数据服务。SDP主要由服务信息记录数据库和发现/浏览服务功能两大部分组成，在蓝牙系统中起着至关重要的作用。

　　本文提出的语音通信系统以4个蓝牙核心协议为基础，对语音终端和音频网关进行了控制、管理应用程序的开发。另外，音频网关还包括键盘控制、液晶屏显示控制、RAM存储等人机接口的软件开发。蓝牙音频网关和语音终端的软件设计流程图如图6所示。

　　

　　

      系统实现

　　蓝牙语音终端与蓝牙音频网关之间的语音传输控制通过在蓝牙串口仿真协议（RFCOMM）层传输AT电话控制指令来实现。整个通信系统的工作过程分为2个部分，即配对和连接过程。本系统在进行连接操作之前必须进行配对操作。配对过程的作用是使得终端和网关之间建立起惟一的16字节的共享识别码。这个识别码可以起到加密鉴权的作用，增加了用户通信的安全性和保密性。一旦产生了识别码，通信双方就可以直接鉴别对方而无需多余的操作。识别码被分别存储在双方的存储器中。一旦完成配对过程，以后无需再次配对，除非任何一方丢失了识别码。

　　在系统中，将蓝牙芯片及其核心协议统称为蓝牙模块，而将用来运行用户定义程序的微处理器称为主机，由此得到如图7所示的连接过程。

　　

　　工作过程：系统内的蓝牙设备只工作在3种状态，即配对状态、待机状态、连接状态。程序规定，若蓝牙工作在除以上3种状态之外的其他未知状态，将强制回到待机状态。网关和终端的默认状态是待机状态。

　　有语音通话要求的一方跳出待机状态，向对方发起建链请求。先以网关向终端发起建链请求为例加以说明。首先，用户通过键盘输入要拨打语音终端的号码，主机根据这个号码，到存储器中去取和这个号码相对应的蓝牙设备地址和连接识别码。由于每一个蓝牙设备都有一个惟一的48bit的IEEE指定地址，所以可以根据地址来惟一确定一个设备。网关获得要建链对象的地址和连接识别码，就可以通过鉴权、建链等过程，在2个设备之间建立起异步无连接链路（asynchronous connection-less，ACL），进入连接状态。这时，网关会向语音终端以AT命令的形式发送振铃信号，使得通信双方同时响铃。一旦终端用户有摘机动作后，SCO链路建立，双方可以正常通话。通话完毕以后，网关与终端任何一方有挂机动作后，SCO，ACL链路依次被释放，双方回到待机状态。

　　若由语音终端发起建链请求，即语音终端呼叫网关，语音终端会以主设备的身份与网关建立连接。连接时，语音终端会将本地蓝牙地址发送给音频网关。而网关则会根据该地址，在液晶屏上显示来电号码，并在连接建立以后响铃。网关应答后，SCO链路建立。同样地，通话完毕网关与终端任何一方有挂机动作后，SCO，ACL链路依次被释放，双方回到待机状态。图8为本文所述语音通信系统的产品照片。

　　系统性能分析

　　与低频电路的设计不同，微波电路和系统的设计都必须考虑其阻抗匹配问题。其根本原因是低频电路中所传送的是电压和电流，而微波电路中所传输的是导行电磁波，不匹配就会引起严重的反射。虽然系统采用的蓝牙芯片在射频端内置输入阻抗为50Ω的匹配装置，因此可直接连接天线而无需匹配。但是在某些特殊场合，周围环境并非是自由场，特别是井场控制室，完全是屏蔽室。因此，必须将发射天线延长到室外或者是相对比较空旷的地方。延长线的使用，会带来功率损耗、阻抗匹配等问题。

　　传输线损耗的主要影响，首先是使导行波的振幅衰减，其次是传输线的相位常数与频率有关而使波的传播速度与频率有关，引起色散效应。负载与传输线之间不匹配，使负载产生反射，因而线上有反射波，负载不能吸收全部入射频率。对于本文所述的系统来说，传输线选用同轴电缆线，天线是负载。当传输线有损耗时，定义η为传输效率，它表示传输线输出和输入端的传送功率之比，长为l的传输线效率由下式表示：

　　

　　完全匹配时，反射系数Γl=0，

　　η=e-2αl （2）

　　假设传输线衰减常数α=0105Np/m，长度l=10m，有

　　η=e-5=-1Np=-81686dB （3）

　　这几乎是射频端功放增益的一半。如要获得很小的衰减系数，必须采用波导管，这导致成本增加，使用也很不方便。本系统采用的方法如图9所示，将蓝牙射频信号的传输改为基带信号的传输，即将电路与音频网关的主机部分分离。蓝牙通过连接线将接收到的PCM信号传输到音频网关的PCM编解码器上。由于传输的是PCM码流，利用数字信号的可再生性，可以以比较小的误码率传输语音信号。经试验，蓝牙收发模块的天线采用倒置F型平面天线（PIFA），在使用了20m的普通双绞线后，语音通话距离在空旷地带能达到100m，通话质量几乎没有降低，从而大大简化天线设计难度，降低设计成本。

　　移动通信设备是用户随身携带的移动设备，节电问题至关重要。本系统中语音终端的电流消耗如表1所示。

　　

　　本系统中，语音终端为移动设备，音频网关为固定设备。所以研究语音终端的节电问题更有意义。经试验验证，语音终端的电流主要是消耗在蓝牙芯片上。完成配对以后，蓝牙处于待机状态或连接状态，由于连接状态相对待机状态时间较短，所以如何减小蓝牙处于待机状态的电流消耗就显得尤为重要。

　　

　　表1　语音终端电流消耗情况

　　从节电的角度来说，最省电的语音终端应该是在被呼叫时才进入工作模式。在没有被呼叫时处于“睡眠”状态，这是节电的极限情况。设某语音终端n的第i次被呼开始于Tnis，结束于Tnie，在讨论的时间内共有I次呼叫，这种极限节电状态寻呼机的加电时间可表示为

　　

　　事实上，语音终端不可能事先知道Tnis，为此语音终端应以一定的时间间隔进行扫描以便及时响应网关的呼叫。定义固定的时间间隔为扫描间隔Tinv，扫描持续时间称为扫描窗口Twin，则有Tinv≤Tnie-Tnis，且Twin≤Tinv。假定呼叫持续时间Tnie-Tnis是扫描间隔的整数倍，则在语音终端n的第i次被呼周期内经历的扫描周期的个数N和扫描持续时间Tscan可表示为

　　

　　

　　若定义一次呼叫周期内总的扫描持续时间与呼叫持续时间的比值为语音终端的节电效率，并用ηp表示，则有

　　

　　CSRBC02蓝牙芯片定义Tinv和Twin必须是时间长度625μs的时隙的整数倍，且满足11.52ms≤Tinv，Twin≤2156s。取Tinv=2.56s，Twin=11.52

　　ms，有

　　ηp=0145% （8）

　　图10所示为语音终待机时的电流消耗。

　　

　　虽然理论上可以获得很高的节电效率，但实际中由于蓝牙自身的机制，在扫描窗口以外的时间内不可能完全不消耗电流。因此减小蓝牙处于待机状态的电流消耗也十分重要。CSRBC02提供了一种非常有效的节电模式———休眠模式。如果使能休眠模式，蓝牙在没有连接时，只要条件满足就自动进入该模式。为了让蓝牙进入休眠模式，程序设计上应避免使用时间长度小于100ms的定时器。因为使用时间长度小于100ms的定时器会使得蓝牙芯片需要等待而无法进入休眠模式。同时，应关闭主机接口（UART，USB等）。任何通过主机接口传递的消息都会阻止蓝牙芯片进入休眠模式。

　　经试验证明，不使能休眠模式时，语音终端处于待机状态时的平均电流消耗比使能休眠模式时高5～6mA。

　　为了进一步降低语音终端的电流消耗，设计时还应采用功耗较低的电压器件，例如功耗较低的指示灯、电源芯片、功放芯片等。

　　结语

　　本文所述的应用于石油井场的语音通信系统，通过采取抗压防爆等措施，完全可以克服井场电压不稳、电磁干扰强、环境恶劣等因素。系统设计上充分挖掘蓝牙的跳频扩频技术和语音传输能力，采用简化天线设计和多种节电措施，使得系统具有语音质量好、兼容性好、功耗低、抗干扰能力强的特点，实现了无线个域网内语音终端与音频网关之间点到点、点到多点的语音通信。经现场试验，通信范围可达100m，是VoWPAN技术的典型应用。通过与南京新华夏科技开发公司合作，目前该系统已经广泛应用于中石化各石油局，部分已远销俄罗斯、南美等地区。

　　系统无需修改即可应用在医院、家庭、办公室等场合。但VoWPAN目前还处于起步阶段。要真正让越来越多的人接受VoWPAN，必须向用户提供更低的总拥有成本、更高的网络利用率、更大的操作灵活性以及能够吸引人的新服务等。BluetoothSIG正致力于推出诸如智能电话控制（advanced phone control）、电话簿信息（subscribe rnumber information）、电话簿接入（phone book access）等更加智能和方便的新应用框架。