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分析了基于WPAN的語(yǔ)音通信系統(tǒng)（VoWPAN）的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了應(yīng)用在石油井場(chǎng)的VoWPAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括音頻網(wǎng)關(guān)和語(yǔ)音終端2部分，能夠提供音頻網(wǎng)關(guān)到語(yǔ)音終端之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音通信。
通過(guò)采用高密度封裝的藍(lán)牙模塊和集成化的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)的尺寸。針對(duì)語(yǔ)音終端待機(jī)時(shí)間短的問(wèn)題，采用休眠模式、減小掃描窗長(zhǎng)度、增大掃描間隔、關(guān)閉主機(jī)接口等措施，降低了功耗。通過(guò)分離音頻網(wǎng)關(guān)的主機(jī)和射頻前端，簡(jiǎn)化了天線(xiàn)的設(shè)計(jì)難度，降低了成本，克服了某些場(chǎng)合的屏蔽效應(yīng)。采用規(guī)范的藍(lán)牙通信協(xié)議，可以與普通的藍(lán)牙產(chǎn)品兼容。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)的通信距離可達(dá)100m。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)許多油田的井場(chǎng)控制。
作為現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡(luò)（如因特網(wǎng)、公眾電話(huà)網(wǎng)和公眾移動(dòng)通信網(wǎng)）的一種補(bǔ)充和延伸，無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)（wireless personal area network，WPAN）技術(shù)的應(yīng)用方興未艾，基于WPAN的語(yǔ)音通信系統(tǒng)（voice overWPAN，VoWPAN）已逐漸成為一種新的應(yīng)用。通過(guò)VoWPAN，人們可以無(wú)縫地接入現(xiàn)有的公眾電話(huà)網(wǎng)（public switched telephone network，PSTN），在家庭、辦公室等室內(nèi)場(chǎng)合使用手機(jī)通信但發(fā)射功率極小且僅花費(fèi)固定網(wǎng)絡(luò)的資費(fèi)。對(duì)于固定和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，引入VoWPAN，可以通過(guò)不同于有線(xiàn)或公眾蜂房系統(tǒng)的電話(huà)業(yè)務(wù)，為企業(yè)、商場(chǎng)和家庭用戶(hù)提供通信服務(wù)，從而有效擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
藍(lán)牙（Bluetooth）作為WPAN的關(guān)鍵技術(shù)之一，應(yīng)用于VoWPAN具有廣闊的前景。本文把藍(lán)牙作為VoWPAN的主要技術(shù)，在參考國(guó)際藍(lán)牙專(zhuān)業(yè)組（special interesting group，SIG）提出的藍(lán)牙語(yǔ)音應(yīng)用參考模型的基礎(chǔ)上，著重闡述其在井場(chǎng)無(wú)線(xiàn)通信VoWPAN中的應(yīng)用，給出了一種新型的VoWPAN系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制，包括其軟、硬件結(jié)構(gòu)和工作流程；然后分析其性能，特別是系統(tǒng)的電流消耗，給出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的問(wèn)題和今后的發(fā)展方向。
VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)
VoWPAN利用PSTN網(wǎng)絡(luò)的普遍性和成熟性，在家庭和企業(yè)環(huán)境中，通過(guò)使用WPAN語(yǔ)音終端，在WPAN覆蓋范圍內(nèi)自由組網(wǎng)免費(fèi)通話(huà)或者通過(guò)PSTN撥打市話(huà)。一般來(lái)說(shuō)，VoWPAN系統(tǒng)應(yīng)滿(mǎn)足以下要求：
1）采用的語(yǔ)音編碼應(yīng)具有較小的時(shí)延。目前，比較常見(jiàn)的語(yǔ)音編碼調(diào)制技術(shù)，主要有脈沖編碼調(diào)制（pulse codemodulation，PCM）和增量調(diào)制。為了提高增量調(diào)制的動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)而提高信噪比，通常采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（continuous variableslope delta，CVSD）。測(cè)試表明，在同樣的信息傳輸速率條件下CVSD的性能優(yōu)于PCM，其誤碼率即使達(dá)到4%，話(huà)音質(zhì)量也可以接受。
2）必須能夠抵御WPAN環(huán)境中存在的各種干擾。跳頻技術(shù)采用正交的偽隨機(jī)跳變圖案以避免“碰撞”，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。但是在一個(gè)分散的系統(tǒng)中不可能有理想正交的跳頻圖案，這就導(dǎo)致了2個(gè)或多個(gè)用戶(hù)同時(shí)在同一頻隙上發(fā)送信號(hào)，即產(chǎn)生碰撞，碰撞概率隨著系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增加而增加。另外，在藍(lán)牙的工作頻帶內(nèi)還有很多使用跳頻技術(shù)的系統(tǒng)。
3）應(yīng)嚴(yán)格限制幾何尺寸，同時(shí)具有規(guī)范的接口，從而可以方便地集成到現(xiàn)有的語(yǔ)音終端設(shè)備中（如無(wú)線(xiàn)對(duì)講機(jī)、蜂窩電話(huà)等）。鑒于本系統(tǒng)的典型應(yīng)用是要將語(yǔ)音終端佩戴在用戶(hù)頭上，其體積和質(zhì)量都有非常嚴(yán)格的要求。
根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)采用了DELTA公司的DFBM-CF121藍(lán)牙模塊，集成了CSRBC02、PCM編解碼器、Flash存儲(chǔ)和晶振等部件，其尺寸僅為10.5mm×10.5mm×2.0mm。藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的開(kāi)放性保證了設(shè)備制造商可以自由地選用其專(zhuān)利協(xié)議或常用的公共協(xié)議，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用。本文提出的語(yǔ)音通信系統(tǒng)就是在其核心協(xié)議的基礎(chǔ)上，對(duì)語(yǔ)音終端和音頻網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了控制、管理應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。
藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用于傳輸語(yǔ)音的鏈路是同步面向連接鏈路（synchronous connection-oriented，SCO），支持對(duì)稱(chēng)、電路交換和點(diǎn)到點(diǎn)連接。目前藍(lán)牙112標(biāo)準(zhǔn)和210標(biāo)準(zhǔn)增加了增強(qiáng)型同步面向連接鏈路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在標(biāo)準(zhǔn)的SCO鏈路上增加一些擴(kuò)展機(jī)制，使得鏈路能夠支持更靈活的數(shù)據(jù)包格式、包內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容、時(shí)隙周期，同時(shí)還允許加入同步比特。另外，eSCO支持有限的數(shù)據(jù)重傳，增強(qiáng)了同步傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳機(jī)制，非常適合傳輸話(huà)音。
藍(lán)牙的跳頻序列周期很長(zhǎng)，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，可大大降低不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)間和相同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)間的干擾，有利于對(duì)同步要求很高的語(yǔ)音業(yè)務(wù)。
另外，SIG也致力于開(kāi)發(fā)藍(lán)牙在語(yǔ)音方面的新應(yīng)用。SIG早在藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時(shí)就給出了有關(guān)藍(lán)牙語(yǔ)音應(yīng)用的若干參考模型，包括無(wú)繩電話(huà)應(yīng)用模型（cordless telephone profile，CTP）、對(duì)講機(jī)應(yīng)用模型（intercom profile，IntP）、耳機(jī)應(yīng)用模型（head setprofile，HSP）、車(chē)載免提應(yīng)用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的語(yǔ)音應(yīng)用參考模型，比如寬帶語(yǔ)音應(yīng)用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采樣率，符合藍(lán)牙1.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的支持錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳機(jī)制的同步鏈路。此外，SIG還不斷提出語(yǔ)音應(yīng)用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的連接速度、更有效的錯(cuò)誤檢測(cè)和流量控制、更強(qiáng)的同步能力。
由于藍(lán)牙技術(shù)在語(yǔ)音傳輸方面的優(yōu)勢(shì)，必將使其成為VoWPAN的關(guān)鍵技術(shù)。
VoWPAN通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
藍(lán)牙VoWPAN通信系統(tǒng)原理如圖1所示。通信系統(tǒng)采用藍(lán)牙技術(shù)，以藍(lán)牙電話(huà)應(yīng)用框架為參考，充分利用了藍(lán)牙語(yǔ)音質(zhì)量好、體積小、功耗低、成本低和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音終端與音頻網(wǎng)關(guān)之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)通信的無(wú)線(xiàn)語(yǔ)音接入系統(tǒng)。其中，語(yǔ)音終端可以是本文所述的藍(lán)牙語(yǔ)音終端，也可以是普通的藍(lán)牙耳機(jī)、帶有藍(lán)牙功能的蜂窩手機(jī)、支持藍(lán)牙功能的筆記本電腦等。
本文主要介紹已經(jīng)成功應(yīng)用于石油井場(chǎng)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是VoWPAN技術(shù)在石油鉆井平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用。井場(chǎng)示意圖如圖2所示，整個(gè)系統(tǒng)以鉆井平臺(tái)上的司鉆控制室為中心，通信范圍覆蓋井架、發(fā)電裝置、泥漿裝置等設(shè)施。工作人員在覆蓋區(qū)內(nèi)可以自由地進(jìn)行通話(huà)。在井場(chǎng)內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)形成VoWPAN的應(yīng)用。由于采用了免提設(shè)計(jì)，工作人員使用時(shí)甚至不需要用手按鍵，因此特別適合無(wú)法用手接聽(tīng)時(shí)的場(chǎng)合。如果司鉆控制臺(tái)接有電話(huà)線(xiàn)，只需在網(wǎng)關(guān)端加入電話(huà)處理模塊，覆蓋區(qū)內(nèi)的工作人員可以通過(guò)司鉆控制臺(tái)撥打電話(huà)。
相對(duì)于VoWPAN在家庭、辦公室應(yīng)用，系統(tǒng)在尺寸、節(jié)能、抗干擾等方面有更高的要求。因此，本文所述井場(chǎng)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)完全可以應(yīng)用在醫(yī)院、家庭、辦公室等各種場(chǎng)合。
硬件設(shè)計(jì)框圖
整個(gè)系統(tǒng)可分為語(yǔ)音終端和音頻網(wǎng)關(guān)2個(gè)部分。井場(chǎng)藍(lán)牙語(yǔ)音通信系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中，語(yǔ)音終端以本文提出的藍(lán)牙語(yǔ)音終端為例加以說(shuō)明。
藍(lán)牙語(yǔ)音終端包括藍(lán)牙模塊、電源管理、按鍵以及耳麥等器件。其中，藍(lán)牙模塊包括基帶、射頻、主機(jī)和PCM編解碼器。本設(shè)計(jì)中的藍(lán)牙基帶和射頻電路由CSR公司的BlueCore02芯片、Balum、功放、低噪放、收發(fā)切換開(kāi)關(guān)、濾波器和一些外圍電路組成。CSRBC02藍(lán)牙芯片由射頻接收器、射頻發(fā)射器、射頻合成器、物理層DSP硬件引擎、猝發(fā)狀態(tài)控制器、微處理器、內(nèi)存管理單元等部分組成。
CSRBC02藍(lán)牙芯片內(nèi)置微處理器單元和RAM，只要擴(kuò)展一個(gè)4Mbit的Flash存儲(chǔ)器，就可以充當(dāng)主機(jī)的角色，從而直接在CSRBC02芯片上運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧、按鍵掃描等工作，無(wú)需外擴(kuò)專(zhuān)門(mén)的處理器。藍(lán)牙協(xié)議規(guī)定了用于藍(lán)牙的語(yǔ)音編碼為64kbit/s的PCM編碼（可以是A律、μ律或線(xiàn)性PCM編碼）或者64kbit/s的CVSD編碼。而CSRBC02藍(lán)牙芯片支持PCM編碼，并提供同步PCM接口。在本設(shè)計(jì)中采用Motorola的線(xiàn)性PCMCO2DECMC145483及其外圍芯片構(gòu)成PCM編解碼電路。MC145483提供同步/異步PCM碼流接口，可以把話(huà)音信號(hào)采樣、量化、編碼成13bit線(xiàn)性PCM信號(hào)，也可把線(xiàn)性PCM信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬語(yǔ)音信號(hào)傳輸?shù)秸Z(yǔ)音終端的揚(yáng)聲器。
電源管理包括了穩(wěn)壓電路、電平轉(zhuǎn)換電路以及開(kāi)關(guān)電路。由于藍(lán)牙芯片、Flash芯片工作在不同的電壓，所以要采用電平轉(zhuǎn)換電路。而藍(lán)牙的工作電流變化范圍很大，從休眠模式（deep sleep）的工作電流小于1mA到SCO鏈路建立的60mA，加上藍(lán)牙射頻端收發(fā)狀態(tài)頻繁切換，功率放大器頻繁開(kāi)關(guān)，因此對(duì)穩(wěn)壓芯片提出了較高的要求。另外，為了保證整個(gè)語(yǔ)音終端的正常工作，還必須對(duì)電源（電池）進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)電源供電不足，應(yīng)直接向用戶(hù)報(bào)警并關(guān)機(jī)。
為了體現(xiàn)終端的便攜性和易操作性，本設(shè)計(jì)將按鍵設(shè)計(jì)成多功能單鍵，也就是說(shuō)，一鍵實(shí)現(xiàn)接聽(tīng)、掛機(jī)、調(diào)節(jié)音量和開(kāi)關(guān)機(jī)等功能。區(qū)分用戶(hù)操作的工作盡量由軟件實(shí)現(xiàn)。
音頻網(wǎng)關(guān)由藍(lán)牙模塊和網(wǎng)關(guān)控制模塊2部分組成。由于網(wǎng)關(guān)相對(duì)于終端在設(shè)備體積、供電、移動(dòng)性等方面要求都較寬裕。因此，為了增大通信距離，可以在網(wǎng)關(guān)端藍(lán)牙射頻電路的發(fā)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聲放大器，使得藍(lán)牙模塊的射頻參數(shù)符合藍(lán)牙class1的要求。
CSRBC02內(nèi)置微處理器負(fù)責(zé)運(yùn)行藍(lán)牙協(xié)議棧內(nèi)的各層協(xié)議。在不影響藍(lán)牙主體協(xié)議運(yùn)行的前提下，用戶(hù)可以根據(jù)需要編寫(xiě)一些應(yīng)用程序。如果只需實(shí)現(xiàn)功能簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，則系統(tǒng)內(nèi)不需要外擴(kuò)一個(gè)微處理器。但在本系統(tǒng)內(nèi)，由于網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，處理器負(fù)荷較大且控制引腳較多，所以本系統(tǒng)采用了一塊功能較強(qiáng)的處理器，用來(lái)控制藍(lán)牙模塊、液晶顯示、存儲(chǔ)器及鍵盤(pán)等。
本設(shè)計(jì)中，液晶顯示模塊選用以HD44780作為控制器的字符型液晶顯示模塊。鍵盤(pán)采用4×4矩陣譯碼鍵盤(pán)。為了節(jié)省I/O口資源，采用I2C接口的E2PROM來(lái)存儲(chǔ)語(yǔ)音終端的相關(guān)信息。圖4為本文所述語(yǔ)音通信系統(tǒng)的實(shí)物照片。
軟件設(shè)計(jì)框圖
本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是在藍(lán)牙核心協(xié)議的基礎(chǔ)上，分別對(duì)語(yǔ)音終端和音頻網(wǎng)關(guān)的控制、應(yīng)用程序進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。
如圖5所示藍(lán)牙的4個(gè)核心協(xié)議分別是：基帶協(xié)議（Baseband），鏈路管理協(xié)議（link manage protocol，LMP），邏輯鏈路控制和適應(yīng)協(xié)議（logicallink control and adaptation protocol，L2CAP）和服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議（service discovery protocol，SDP）。Baseband定義了時(shí)隙、幀結(jié)構(gòu)、組包以及鏈路上的流控。LMP負(fù)責(zé)管理鏈路狀態(tài)、協(xié)調(diào)各個(gè)設(shè)備以及電源模式和工作周期等任務(wù)。L2CAP為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)服務(wù)。SDP主要由服務(wù)信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)和發(fā)現(xiàn)/瀏覽服務(wù)功能兩大部分組成，在藍(lán)牙系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。
本文提出的語(yǔ)音通信系統(tǒng)以4個(gè)藍(lán)牙核心協(xié)議為基礎(chǔ)，對(duì)語(yǔ)音終端和音頻網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了控制、管理應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。另外，音頻網(wǎng)關(guān)還包括鍵盤(pán)控制、液晶屏顯示控制、RAM存儲(chǔ)等人機(jī)接口的軟件開(kāi)發(fā)。藍(lán)牙音頻網(wǎng)關(guān)和語(yǔ)音終端的軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。
????? 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
藍(lán)牙語(yǔ)音終端與藍(lán)牙音頻網(wǎng)關(guān)之間的語(yǔ)音傳輸控制通過(guò)在藍(lán)牙串口仿真協(xié)議（RFCOMM）層傳輸AT電話(huà)控制指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)通信系統(tǒng)的工作過(guò)程分為2個(gè)部分，即配對(duì)和連接過(guò)程。本系統(tǒng)在進(jìn)行連接操作之前必須進(jìn)行配對(duì)操作。配對(duì)過(guò)程的作用是使得終端和網(wǎng)關(guān)之間建立起惟一的16字節(jié)的共享識(shí)別碼。這個(gè)識(shí)別碼可以起到加密鑒權(quán)的作用，增加了用戶(hù)通信的安全性和保密性。一旦產(chǎn)生了識(shí)別碼，通信雙方就可以直接鑒別對(duì)方而無(wú)需多余的操作。識(shí)別碼被分別存儲(chǔ)在雙方的存儲(chǔ)器中。一旦完成配對(duì)過(guò)程，以后無(wú)需再次配對(duì)，除非任何一方丟失了識(shí)別碼。
在系統(tǒng)中，將藍(lán)牙芯片及其核心協(xié)議統(tǒng)稱(chēng)為藍(lán)牙模塊，而將用來(lái)運(yùn)行用戶(hù)定義程序的微處理器稱(chēng)為主機(jī)，由此得到如圖7所示的連接過(guò)程。
工作過(guò)程：系統(tǒng)內(nèi)的藍(lán)牙設(shè)備只工作在3種狀態(tài)，即配對(duì)狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)、連接狀態(tài)。程序規(guī)定，若藍(lán)牙工作在除以上3種狀態(tài)之外的其他未知狀態(tài)，將強(qiáng)制回到待機(jī)狀態(tài)。網(wǎng)關(guān)和終端的默認(rèn)狀態(tài)是待機(jī)狀態(tài)。
有語(yǔ)音通話(huà)要求的一方跳出待機(jī)狀態(tài)，向?qū)Ψ桨l(fā)起建鏈請(qǐng)求。先以網(wǎng)關(guān)向終端發(fā)起建鏈請(qǐng)求為例加以說(shuō)明。首先，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)輸入要撥打語(yǔ)音終端的號(hào)碼，主機(jī)根據(jù)這個(gè)號(hào)碼，到存儲(chǔ)器中去取和這個(gè)號(hào)碼相對(duì)應(yīng)的藍(lán)牙設(shè)備地址和連接識(shí)別碼。由于每一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都有一個(gè)惟一的48bit的IEEE指定地址，所以可以根據(jù)地址來(lái)惟一確定一個(gè)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)獲得要建鏈對(duì)象的地址和連接識(shí)別碼，就可以通過(guò)鑒權(quán)、建鏈等過(guò)程，在2個(gè)設(shè)備之間建立起異步無(wú)連接鏈路（asynchronous connection-less，ACL），進(jìn)入連接狀態(tài)。這時(shí)，網(wǎng)關(guān)會(huì)向語(yǔ)音終端以AT命令的形式發(fā)送振鈴信號(hào)，使得通信雙方同時(shí)響鈴。一旦終端用戶(hù)有摘機(jī)動(dòng)作后，SCO鏈路建立，雙方可以正常通話(huà)。通話(huà)完畢以后，網(wǎng)關(guān)與終端任何一方有掛機(jī)動(dòng)作后，SCO，ACL鏈路依次被釋放，雙方回到待機(jī)狀態(tài)。
若由語(yǔ)音終端發(fā)起建鏈請(qǐng)求，即語(yǔ)音終端呼叫網(wǎng)關(guān)，語(yǔ)音終端會(huì)以主設(shè)備的身份與網(wǎng)關(guān)建立連接。連接時(shí)，語(yǔ)音終端會(huì)將本地藍(lán)牙地址發(fā)送給音頻網(wǎng)關(guān)。而網(wǎng)關(guān)則會(huì)根據(jù)該地址，在液晶屏上顯示來(lái)電號(hào)碼，并在連接建立以后響鈴。網(wǎng)關(guān)應(yīng)答后，SCO鏈路建立。同樣地，通話(huà)完畢網(wǎng)關(guān)與終端任何一方有掛機(jī)動(dòng)作后，SCO，ACL鏈路依次被釋放，雙方回到待機(jī)狀態(tài)。圖8為本文所述語(yǔ)音通信系統(tǒng)的產(chǎn)品照片。
系統(tǒng)性能分析
與低頻電路的設(shè)計(jì)不同，微波電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都必須考慮其阻抗匹配問(wèn)題。其根本原因是低頻電路中所傳送的是電壓和電流，而微波電路中所傳輸?shù)氖菍?dǎo)行電磁波，不匹配就會(huì)引起嚴(yán)重的反射。雖然系統(tǒng)采用的藍(lán)牙芯片在射頻端內(nèi)置輸入阻抗為50Ω的匹配裝置，因此可直接連接天線(xiàn)而無(wú)需匹配。但是在某些特殊場(chǎng)合，周?chē)h(huán)境并非是自由場(chǎng)，特別是井場(chǎng)控制室，完全是屏蔽室。因此，必須將發(fā)射天線(xiàn)延長(zhǎng)到室外或者是相對(duì)比較空曠的地方。延長(zhǎng)線(xiàn)的使用，會(huì)帶來(lái)功率損耗、阻抗匹配等問(wèn)題。
傳輸線(xiàn)損耗的主要影響，首先是使導(dǎo)行波的振幅衰減，其次是傳輸線(xiàn)的相位常數(shù)與頻率有關(guān)而使波的傳播速度與頻率有關(guān)，引起色散效應(yīng)。負(fù)載與傳輸線(xiàn)之間不匹配，使負(fù)載產(chǎn)生反射，因而線(xiàn)上有反射波，負(fù)載不能吸收全部入射頻率。對(duì)于本文所述的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，傳輸線(xiàn)選用同軸電纜線(xiàn)，天線(xiàn)是負(fù)載。當(dāng)傳輸線(xiàn)有損耗時(shí)，定義η為傳輸效率，它表示傳輸線(xiàn)輸出和輸入端的傳送功率之比，長(zhǎng)為l的傳輸線(xiàn)效率由下式表示：
完全匹配時(shí)，反射系數(shù)Γl=0，
η=e-2αl （2）
假設(shè)傳輸線(xiàn)衰減常數(shù)α=0105Np/m，長(zhǎng)度l=10m，有
η=e-5=-1Np=-81686dB （3）
這幾乎是射頻端功放增益的一半。如要獲得很小的衰減系數(shù)，必須采用波導(dǎo)管，這導(dǎo)致成本增加，使用也很不方便。本系統(tǒng)采用的方法如圖9所示，將藍(lán)牙射頻信號(hào)的傳輸改為基帶信號(hào)的傳輸，即將電路與音頻網(wǎng)關(guān)的主機(jī)部分分離。藍(lán)牙通過(guò)連接線(xiàn)將接收到的PCM信號(hào)傳輸?shù)揭纛l網(wǎng)關(guān)的PCM編解碼器上。由于傳輸?shù)氖荘CM碼流，利用數(shù)字信號(hào)的可再生性，可以以比較小的誤碼率傳輸語(yǔ)音信號(hào)。經(jīng)試驗(yàn)，藍(lán)牙收發(fā)模塊的天線(xiàn)采用倒置F型平面天線(xiàn)（PIFA），在使用了20m的普通雙絞線(xiàn)后，語(yǔ)音通話(huà)距離在空曠地帶能達(dá)到100m，通話(huà)質(zhì)量幾乎沒(méi)有降低，從而大大簡(jiǎn)化天線(xiàn)設(shè)計(jì)難度，降低設(shè)計(jì)成本。
移動(dòng)通信設(shè)備是用戶(hù)隨身攜帶的移動(dòng)設(shè)備，節(jié)電問(wèn)題至關(guān)重要。本系統(tǒng)中語(yǔ)音終端的電流消耗如表1所示。
本系統(tǒng)中，語(yǔ)音終端為移動(dòng)設(shè)備，音頻網(wǎng)關(guān)為固定設(shè)備。所以研究語(yǔ)音終端的節(jié)電問(wèn)題更有意義。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，語(yǔ)音終端的電流主要是消耗在藍(lán)牙芯片上。完成配對(duì)以后，藍(lán)牙處于待機(jī)狀態(tài)或連接狀態(tài)，由于連接狀態(tài)相對(duì)待機(jī)狀態(tài)時(shí)間較短，所以如何減小藍(lán)牙處于待機(jī)狀態(tài)的電流消耗就顯得尤為重要。
表1 語(yǔ)音終端電流消耗情況
從節(jié)電的角度來(lái)說(shuō)，最省電的語(yǔ)音終端應(yīng)該是在被呼叫時(shí)才進(jìn)入工作模式。在沒(méi)有被呼叫時(shí)處于“睡眠”狀態(tài)，這是節(jié)電的極限情況。設(shè)某語(yǔ)音終端n的第i次被呼開(kāi)始于Tnis，結(jié)束于Tnie，在討論的時(shí)間內(nèi)共有I次呼叫，這種極限節(jié)電狀態(tài)尋呼機(jī)的加電時(shí)間可表示為
事實(shí)上，語(yǔ)音終端不可能事先知道Tnis，為此語(yǔ)音終端應(yīng)以一定的時(shí)間間隔進(jìn)行掃描以便及時(shí)響應(yīng)網(wǎng)關(guān)的呼叫。定義固定的時(shí)間間隔為掃描間隔Tinv，掃描持續(xù)時(shí)間稱(chēng)為掃描窗口Twin，則有Tinv≤Tnie-Tnis，且Twin≤Tinv。假定呼叫持續(xù)時(shí)間Tnie-Tnis是掃描間隔的整數(shù)倍，則在語(yǔ)音終端n的第i次被呼周期內(nèi)經(jīng)歷的掃描周期的個(gè)數(shù)N和掃描持續(xù)時(shí)間Tscan可表示為
若定義一次呼叫周期內(nèi)總的掃描持續(xù)時(shí)間與呼叫持續(xù)時(shí)間的比值為語(yǔ)音終端的節(jié)電效率，并用ηp表示，則有
CSRBC02藍(lán)牙芯片定義Tinv和Twin必須是時(shí)間長(zhǎng)度625μs的時(shí)隙的整數(shù)倍，且滿(mǎn)足11.52ms≤Tinv，Twin≤2156s。取Tinv=2.56s，Twin=11.52
ms，有
ηp=0145% （8）
圖10所示為語(yǔ)音終待機(jī)時(shí)的電流消耗。
雖然理論上可以獲得很高的節(jié)電效率，但實(shí)際中由于藍(lán)牙自身的機(jī)制，在掃描窗口以外的時(shí)間內(nèi)不可能完全不消耗電流。因此減小藍(lán)牙處于待機(jī)狀態(tài)的電流消耗也十分重要。CSRBC02提供了一種非常有效的節(jié)電模式———休眠模式。如果使能休眠模式，藍(lán)牙在沒(méi)有連接時(shí)，只要條件滿(mǎn)足就自動(dòng)進(jìn)入該模式。為了讓藍(lán)牙進(jìn)入休眠模式，程序設(shè)計(jì)上應(yīng)避免使用時(shí)間長(zhǎng)度小于100ms的定時(shí)器。因?yàn)槭褂脮r(shí)間長(zhǎng)度小于100ms的定時(shí)器會(huì)使得藍(lán)牙芯片需要等待而無(wú)法進(jìn)入休眠模式。同時(shí)，應(yīng)關(guān)閉主機(jī)接口（UART，USB等）。任何通過(guò)主機(jī)接口傳遞的消息都會(huì)阻止藍(lán)牙芯片進(jìn)入休眠模式。
經(jīng)試驗(yàn)證明，不使能休眠模式時(shí)，語(yǔ)音終端處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)的平均電流消耗比使能休眠模式時(shí)高5～6mA。
為了進(jìn)一步降低語(yǔ)音終端的電流消耗，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)采用功耗較低的電壓器件，例如功耗較低的指示燈、電源芯片、功放芯片等。
結(jié)語(yǔ)
本文所述的應(yīng)用于石油井場(chǎng)的語(yǔ)音通信系統(tǒng)，通過(guò)采取抗壓防爆等措施，完全可以克服井場(chǎng)電壓不穩(wěn)、電磁干擾強(qiáng)、環(huán)境惡劣等因素。系統(tǒng)設(shè)計(jì)上充分挖掘藍(lán)牙的跳頻擴(kuò)頻技術(shù)和語(yǔ)音傳輸能力，采用簡(jiǎn)化天線(xiàn)設(shè)計(jì)和多種節(jié)電措施，使得系統(tǒng)具有語(yǔ)音質(zhì)量好、兼容性好、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng)內(nèi)語(yǔ)音終端與音頻網(wǎng)關(guān)之間點(diǎn)到點(diǎn)、點(diǎn)到多點(diǎn)的語(yǔ)音通信。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通信范圍可達(dá)100m，是VoWPAN技術(shù)的典型應(yīng)用。通過(guò)與南京新華夏科技開(kāi)發(fā)公司合作，目前該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中石化各石油局，部分已遠(yuǎn)銷(xiāo)俄羅斯、南美等地區(qū)。
系統(tǒng)無(wú)需修改即可應(yīng)用在醫(yī)院、家庭、辦公室等場(chǎng)合。但VoWPAN目前還處于起步階段。要真正讓越來(lái)越多的人接受VoWPAN，必須向用戶(hù)提供更低的總擁有成本、更高的網(wǎng)絡(luò)利用率、更大的操作靈活性以及能夠吸引人的新服務(wù)等。BluetoothSIG正致力于推出諸如智能電話(huà)控制（advanced phone control）、電話(huà)簿信息（subscribe rnumber information）、電話(huà)簿接入（phone book access）等更加智能和方便的新應(yīng)用框架。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論