ZigBee语音传输分析

1 前言
    无线语音技术从早期的模拟无线语音到目前的数字无线语音技术，经历了一个比较漫长的过程。随着无线通信技术的发展，特别是无线射频收发器成本的逐年下降，数字无线语音通信逐渐成为市场应用主流。最简单的例子莫过于对讲机，目前仍然广泛使用的是模拟对讲机，而高档的数字对讲机正在降低成本，逐渐蚕食模拟对讲机的市场。
    ZigBee原本定位于小数据量的通信，但是本身250 kb/s的通信速率也是足以满足基本语音通信的，几大射频芯片厂商都有基于ZigBee的语音通信方案，本文将对ZigBee语音通信技术做一些探讨。
 

2 ZigBee语音通信分析
    ZigBee传输语音数据属于数字传输，数字通信系统在本质上有着一些巨大的优势：首先是抗干扰能力强。模拟信号在传输过程中很难与叠加的噪声分离，噪声会随着信号被传输、放大，严重影响通信质量。数字通信中的信息是包含在脉冲的有无之中的，只要噪声绝对值不超过某一门限值，接收端便可判别脉冲的有无，以保证通信的可靠性。其次是远距离传输仍能保证质量。因为数字通信是采用再生中继方式，能够消除噪音，再生的数字信号和原来的数字信号一样，可继续传输下去，这样通信质量便不受距离的影响，可高质量地进行远距离通信。此外，它还具有适应各种通信业务要求(如电话、电报、图像、数据等)，便于实现统一的综合业务数字网，便于采用大规模集成电路，便于实现加密处理，便于实现通信网的计算机管理等优点。
    标准的ZigBee传输数据率为250 kb/s，目前厂商支持的传输速率可以达到1 Mb/s，更高的传输速率意味着更低的接收灵敏度，也意味着更短的通信距离，因此在话音质量要求不高的场合，尽量使用最低可接受最差通话质量，即最低通信流量，以保证通话距离。
    在250 kb/s的通信速率下，理论上有25 kB/s的传输流量，可以满足电话质量，即ITU-TG·711标准，8 kHz取样，8 bit量化，码率 64 kb/s，而AM广播采用ITU-TG·722标准，16 kHz取样，14 bit量化，码率224 kb/s，标准ZigBee 250 kb/s也是可以满足的。
    无线语音通信因为传输的数据量要尽量少，因此通常需要采用语音压缩算法先将数据进行压缩，然后再传输，接收方按照对应的解压算法解压后播放，常见的三种语音编码解码算法为：μ-law、a-law、ADPCM。
    μ-law算法是一种压扩算法（companding algorithm），主要用于北美和日本的数字通信系统。与其他压扩算法一样，其目的是减少音频信号的动态范围。在模拟域中，这可以提高发送过程中的信噪比(SNR)；在数字域中，则可以减少量化误差（quantization error）（因而提高了信号-量子化噪声比（SQNR））。反过来，SNR的这些改善又可以减少带宽和等效SNR。
    a-law算法也是一种标准的压扩算法，被欧洲数字通信系统用来优化/修改数字化模拟信号的动态范围。
    a-law算法以更坏的小信号比例失真(proportional distortion)为代价，提供的动态范围比μ-law稍微宽一点。
    自适应差值脉冲编码调制（ADPCM）是在差值（或增量）脉冲编码调制（DPCM）基础上发展起来的，它主要改变了量化级数，从而可以进一步减小某一特定信噪比所需的带宽。DPCM将PCM值编码成当前值和之前值的差。对于音频，这种编码方法可以将每次采样的位数相对PCM减少25%左右。
 

3 系统构成
    ZigBee语音通信系统由音频ADC芯片采集语音数据，经由I2S总线传输到带语音处理单元的单片机（如ZICM2410芯片）中，经过硬件编解码单元，进行数据压缩，可选μ-law、A-law和ADPCM等，然后进入MAC层的FIFO，最后通过PHY层调制成射频信号发射出去。接收端的结构与发射端相同。
    因为采用射频数据打包的分组传输方式，因此可以实现数字全双工通信，这也是普通模拟对讲机不能实现的。系统数据流图如图1所示。

    为保证语音数据的高速传输，语音芯片和CPU最好使用I²S总线，I²S(Inter—IC Sound)总线是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准，该总线专责于音频设备之间的数据传输，广泛应用于各种多媒体系统。它采用了沿独立的导线传输时钟与数据信号的设计，通过将数据和时钟信号分离，避免了因时差诱发的失真，为用户节省了购买抵抗音频抖动的专业设备的费用。CPU和音频编解码芯片的连接如图2所示。