0引言
短距離無線語音通信的應用之一是無線對講機，這種通信方式一般是同頻單工，給通話帶來了一定程度的不便，于是許多替代的技術便應運而生。
本文介紹的這種系統，利用AVR單片機實現語音信號的編解碼，利用大容量Flash存儲芯片實現語音數據的存儲，利用nRF2401無線收發芯片實現語音數據的無線傳輸和具體接收方的選擇，具有實時半雙工通信、可加密、錄音回放的特點，并且能夠方便地應用到短距離無線通信產品中。
1硬件設計
1.1系統結構
系統結構如圖1所示。
1.2單片機及周邊電路
MCU采用ATmega16。ATmega16是ATMEL公司生產的基于增強的AVR RISC(精簡指令集計算機)結構的低功耗8位CMOS微處理器。它具有16 kB系統內可編程Flash存儲器，512 B的EEPROM，1 kB的SRAM，內置8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的A／D轉換器，一個SPI串行端口，以及6個可以用于軟件進行選擇的省電模式。
MCU負責輸入語音信號的A／D采樣、CVSD(連續可變斜率增量調制)編碼和解碼、無線收發芯片的控制、D／A轉換等。MCU及外圍電路見圖2。
1.2.1語音放大電路
本系統采用兩級高輸入阻抗的反向放大器將從傳聲器獲得的微弱語音信號放大，兩級的增益分別為Av1=-R30／R29≈-4.17，Av2=-Ra6／R3z≈-2.56，總的最大增益為Avmax=Av1Av2≈10.7，電路如圖3所示。
1.2.2 Flash存儲芯片
Flash存儲芯片采用AT45DB161D，它是一種工作電壓可低至2.7V并具有串行接口的快閃存儲器，其主存儲區容量為16 Mbit，分為4 096頁，每頁512 B或528 B。還帶有2個512 B／528 B的SRAM數據緩存，這樣主設備就可通過SPI接口向AT45DB161D高速寫入數據流。該芯片非常適用于存儲圖像、數據和數字聲音。它與MCU的接口電路見圖4。
1.2.3 D／A轉換電路
D／A轉換芯片采用TLC5615，它是帶緩沖基準輸入(高阻抗)的10位電壓輸出D／A轉換器，具有基準電壓2倍的輸出電壓范圍，3線串行接口，對于滿度輸入階越跳變，該D／A轉換器建立時間為12.5μs，即更新速率為80 kHz。它與MCU的接口電路見圖5。
1.2.4音頻濾波電路
采用2階高、低通濾波器構成300 Hz～3.4 kHz帶通濾波器，其中高通濾波器采用2階壓控電壓源高通濾波，其傳遞函數為：
低通濾波器采用2階壓控電壓源低通濾波，其傳遞函數為：
式中：ωn=1／(RC)，為特征角頻率；Q=1／(3-AVF)，為等效品質因數。
電路如圖6所示。
1.2.5輸出放大電路
經帶通濾波器輸出的聲音回放信號幅度為0～5V，可用耳機直接收聽。但考慮到實際中會使用揚聲器外放，故在本系統中增加外放功能。該電路增益為50～200，連續可調，最大不失真輸出功率325 mW。輸出端接C5、R4串接電路，以校正揚聲器的頻率特性，防止高頻自激。腳7接220μF去藕電容，以消除低頻自激。為便于該功放在高增益情況下工作，將LM386不使用的輸入腳2對地短路。電路見圖7。
1.3 nRF2401芯片
nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz的ISM(工業、科學和醫療)頻段，芯片的輸出功率和通信頻道可以通過程序進行配置。芯片功耗非常低，以-5 dBm功率發射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，很適合本系統中的無線語音傳輸系統。
1.3.1工作模式
nRF2401有4種工作模式：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式，由PWR_UP，CE，CS這3個引腳決定，如表1所示。
nRF2401的收發模式有突發(ShockBurstTM)模式和直接收發模式兩種，由器件配置字決定。nRF2401一般工作于突發模式，這種做法有三大好處：減小系統的平均工作電流；低的系統費用(低速微處理器也能進行高速射頻發射)；數據在空中停留時間短，抗干擾性高。所以以下著重介紹突發模式。
在突發模式下，使用片內的先人先出堆棧區，數據低速從微控制器送入，但高速(1 Mbit／s)發射，與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行。把nRF2401配置為突發模式需15字節配置字，配置完成后，在nRF2401工作過程中只需改變其最低一個字節中的內容，就可實現接收模式和發送模式間的切換。
1.3.2 nRF2401接口電路
本系統中nRF2401由ATmega16單片機控制，其接口電路示意圖如圖8所示。
2軟件設計
軟件的主要功能如下：首先判斷收發狀態，在發送模式下，單片機內部將接收數據進行CVSD編碼后發送至無線收發芯片；在接收模式下，單片機接收傳人的數據，并進行CVSD解碼，然后將數據送給D／A轉換器，直至所有數據發送完畢。軟件流程見如圖9。
3結束語
本系統經調試，音質良好，有效通信距離可達到100 m，采樣率為8 kHz時語音存儲時間可達到約4min，可以方便地應用于無線教學系統等場合。
