基于低能耗蓝牙的半双工语音通信

据加密，管理通信时序，定义设备间数据交换方式。该角色分配符合低能耗蓝牙的非对称设计概，为能效要求高的设备分配更少的工作任务。电池供电的便携设备通常是从设备，不过，必须说明的是，根据规范[1],每个设备在每个连接事件发生时可单独发送数据，且角色不在数据吞吐量上强加限制或优先权。考虑到半双工通信情况，BlueVoice应用可运行在自主的电池供电无线传感设备上，且这些设备配备麦克风（和最终标量传感器，如典型物联网概念中无处不在的监视应用), 因此，角色分配不再与收发功能有关。

在链路层之上，GATT层定义互动设备的客户机和服务器角色，与前文描述的主设备和从设备无关。服务器是提供信息的设备，而客户机是请求或接收最新信息的设备。考虑到单向音频流是非对称系统，装备麦克风的设备是唯一有语音信息的设备，因此可将其视为通信服务器，另一个设备是客户机，向服务器发送信息请求，并接收服务器发起的含有语音数据的更新信息。在双向通信系统中，语音数据是双向传输，架构是对称的，中央设备和周边设备都配备麦克风，都可以充当服务器，输出任何属性格式的音频数据。同时，服务器也能充当客户机，发送信息请求，并接受另一个设备发送的更新信息。

双向语音数据流是基于服务器以固定间隔向客户机发送通知，不需要接收设备发送请求或回复信号。从设备在上电阶段进入广播模式，以低频发送广播数据包，主设备进入搜索模式，扫描是否有其它设备存在，反之亦然。收到广播数据包代表主设备发现了相关从设备，然后，主设备发送一个连接请求。在连接建立过程结束后，按照所选的通信传输方向：中央设备至周边设备或周围设备-中央设备，以固定间隔从服务器向客户机发送含有音频数据的异步通知数据包。图3所示是BlueVoice在GATT 层的角色分配。

　　图3：BlueVoice配置文件角色分配

2)音频处理

BlueVoice的音频处理目的是在根据应用所选的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目标音频采样。事实上，对于低功耗要求极其严格但是对音质要求不高的应用场景，例如，无需人耳听清楚的自动语音识别服务输入音频，8kHz采样率可能是一个不错的选择。

使用自适应差分脉冲码调制算法压缩低能耗蓝牙音频传输信号，可使音频信号适用于现有的数据传输速率，同时最大限度缩减射频传输时间以及功耗。我们使用数字MEMS麦克风设计一个全数字解决方案，尺寸和音质等特性使其适用于无线传感器设备。图4所示是16 kHz采样率的完整语音处理链。该解决方案首先采集数字MEMS麦克风生成的1 MHz 的1位脉冲密度调制(PDM)信号，并将其转换成16 kHz 的16位脉冲编码调制(PCM)采样，然后以16000个采样/秒的采样率，再将其压缩成4位ADPCM采样信号，并准备发送。

此外，以较低的频率发送边信息同步数据集合，所需带宽是64 kbps音频数据与300 bps同步信息数据之和，总计64.3 kbps。对于8kHz采样率，最终ADPCM采样率是8000个采样/秒，导致31.3 kbps带宽需求，包括边信息。下面章节深入介绍上述模块。

　　图4：16kHz 配置的BlueVoice数据传输链

MEMS麦克风的容性传感器生成的模拟信号经放大和高速率采样后，交由整合量化和噪声修整操作的内部sigma-delta调制器处理，输出的数据是一个单一的高采样率的PDM格式比特，PCM转换是从PDM到无线通道发送压缩音频数据的整个处理链的中间环节。为了把PDM流转换成PCM数据，需要使用一个抽取滤波器和两个可单独配置的滤波器（低通滤波器和高通滤波器。该处理模块输出16位PCM格式采样流。按照所选采样频率，采用一个不同配置的抽取滤波器，以取得16位PCM数据采样。

ADPCM编码模块压缩PCM采样，通过减少数据包传输量，节省传输带宽，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一个用于损耗波形编码的压缩算法，其基本原理是根据上一个数值预测当前数值，只传输自适应量化步骤量化的实际值与预测值的差值。存在诸多可选压缩标准，却单单选用ADPCM标准，这是因为它是基于波形编码方法，与基于声码器的复杂解决方案相比，更适用于传感器网络设备（通常基于微控制器）。在BlueVoice应用中，每个16位PCM采样都压缩成4位ADPCM数据，这样所需的应用传输带宽是32 kbps或64 kbps，至于具体速率取决于采样频率，而且兼容低能耗蓝牙流媒体功能。

如前文所述，BlueVoice应用的总体带宽实际需求高于32 kbps或64 kbps的理论值，这是因为BlueVoice为提高通信稳健性，在通过通道发送数据时增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms连接间隔，而8 kHz 配置采用25 ms连接间隔。