基于IEEE802.15.4/ZigBee的语音通信技术研究与实现

论文摘要

ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。其主要特性包括:具有多跳传送（multi-hop relay）机制、网络扩展性能好、布设容易以及具有自组织与自修复能力。传统上ZigBee主要应用于家庭自动化、工业自动化、库存管理、产品质量控制、无线传感监测、定位及消防安全等领域,其传输的数据为非即时数据。无线语音通信则属于即时数据传输,虽然实现无线语音通信不是ZigBee标准最初的目标,但在许多领域中如果没有语音通信功能,将使其应用受到很大的局限;另一方面,在有紧急需求和布置不易环境下（如矿井井下救援、消防抢救）,ZigBee具有其他通信技术难以替代的优势,如能利用ZigBee网络进行双向语音传输则具有非常大的实用价值;同时,在无线传感网络的应用中,声音也是一种传感量,传输采样的声音数据正是声音传感应用的基本要求,所以本论文针对IEEE802.15.4/ZigBee的应用环境,提出实现语音通信的研究课题。本课题设计了基于CC2430芯片的Zigbee硬件模块,经过测试,在空旷环境下的视距传输距离达到30米;在此基础上设计了基于IEEE802.15.4的语音通信系统方案,开发了硬件试验平台,用以研究短距离的无线语音通信技术。语音通信方案充分利用CC2430 SoC的性能特点,使用芯片内部的ADC和PWM完成语音采样及回放,无需外部的语音编解码器件且使用的外围器件很少。为适应250Kb/s的无线传输速率同时保证语音质量,使用CC2430片内的8051内核单片机实现了ADPCM压缩算法,优化后的ADPCM算法编、解码时间分别为20us和18us,语音速率降低到32Kb/s。减少了带宽占用,并可提高抗干扰能力。经过测试验证,在室内无遮蔽条件下,系统可以很好地实现实时语音无线传输,发射功率小于0 dBm,语音延时小于25ms,传输距离达到15米,音质MOS测试分达到3分以上。该方案硬件简单,成本低廉,功耗很低,可应用于矿井井下生产、无线传感器网络、消防、安全监控领域,拓展了IEEE802.15.4应用范围。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 国内外现状
• 1.2.1 无线传感网络国内外应用现状
• 1.2.2 ZigBee 技术国内外发展现状
• 1.3 研究目的与意义
• 1.4 主要研究内容
• 1.5 论文章节的安排
• 2 IEEE802.15.4/ ZigBee 标准介绍
• 2.1 IEEE802.15.4/ ZigBee 标准概述
• 2.1.1 IEEE802.15.4 简介
• 2.1.2 ZigBee 规范简介
• 2.1.3 Zigbee 网络体系结构
• 2.2 PHY 层
• 2.3 MAC 层
• 2.4 网络层
• 3 语音编码介绍
• 3.1 语音编码概述
• 3.2 语音编码器的基本属性
• 3.3 常用的语音编码器
• 3.4 使用 HawkVoiceDI 语音算法软件进行语音编码研究
• 3.5 小结
• 4 CC2430 模块的硬件设计及性能测试
• 4.1 Zigbee 芯片介绍
• 4.2 CC2430 无线单片机介绍
• 4.2.1 CC2430 芯片的主要特点
• 4.2.2 CC2430 芯片的引脚功能
• 4.2.3 电路典型应用
• 4.3 CC2430 模块硬件设计与实现
• 4.3.1 CC2430 模块的电路图
• 4.3.2 器件选择
• 4.3.3 PCB 布线的考虑
• 4.4 模块的性能测试
• 4.5 小结
• 5 基于 802.15.4/Zigbee 实现语音通信的系统方案
• 5.1 硬件设计方案
• 5.1.1 方案总体架构
• 5.1.2 硬件电路设计
• 5.2 软件设计
• 5.2.1 IAR 开发环境简介
• 5.2.2 ADC 参数配置
• 5.2.3 PWM 原理与实现
• 5.2.4 语音压缩算法设计
• 5.2.5 使用TI-MAC 协议栈进行语音传输
• 6 系统性能测试与分析
• 6.1 测试环境与条件
• 6.2 功能测试
• 6.2.1 ADC 测试
• 6.2.2 PWM 构成的DAC 测试
• 6.2.3 闭环测试
• 6.2.4 网络建立及数据发送测试
• 6.3 语音传输性能测试
• 6.4 小结
• 7 论文总结及展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 下一步工作内容
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 上海交通大学学位论文答辩决议书