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Zig-Bee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ITUTG·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。

图1 系统数据流图

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。

图2 ZICM2410通过I2S与语音芯片连接

4 ZigBee语音路由分析

点对点的通信通常距离不远，在语音通信中更是如此，因为数据量本身已经接近最大带宽，又考虑到音频图像等的传输对于细节数据不太敏感，一般不做确认重发机制，所以通信距离甚至只能达到数据通信距离的一半。如果要增加通信距离，则必须增加中继节点，随之而来的是音质降低了一半。

以已经实现的一个无线语音中继系统为例，ZICM2410模块本身可以实现16 kHz采样率，8 bit位采样(单身道)，也就是每秒钟可以传输16 KB的数据，但是为满足中继需要，只能降到8 kHz采样率，时隙上的分析如下。

如图 3所示，16 kHz，8 bit采样，每 4 ms发送一次64 B的语音数据，8 kHz，8 bit采样，每8 ms发送一次，增加中继之后，源节点每 8 ms发送一次（8 kHz，8 bit），而中继节点收到数据后，会有一个存储转发的过程，大致 4 ms，这时，如果通过 ZigBee分析仪查看，依然会看到每4 ms一个无线数据包，和之前16 kHz采样时的时间占用是一样的。

图3 无线语音中继时隙示意图

这样的时隙下，即使发送机、接收机和中继器放在一起，也是不会有影响的，因为接收机接收时会有帧序号比对，收到中继的重复数据包会立即丢掉，一旦离开源节点信号覆盖范围，接收节点就只能收到中继节点的数据了。

如果位置选择合适，则这种中继可以延续下去；否则再加一级中继，会打乱原先系统的时隙。

5 ZigBee语音应用

ZigBee语音传输比较合适的是导游解说系统。在同一处旅游景点，可能有不同的导游向不同的游客介绍景观。如果使用一般的扩音系统，往往会出现导游之间互相比嗓子，或者抢游客的尴尬局面，在一些文化底蕴很浓的场合，这样闹哄哄的场面往往会破坏景点本身的意境。

使用ZigBee技术可以非常容易地解决这个问题，如图1所示的点对点通信，只要发送端设置为广播模式发送数据，即可在有效通信范围内，配置不限数目的接听节点(因为接收节点并不发数据，因此技术上不存在节点限制，只有空间上的体积限制)，而不同导游之间，采用不同的物理频段 (标准ZigBee总共16个)，彼此之间是不会干扰的。

6 小结

ZigBee语音通信目前还在应用的初级阶段，在成本上还有些高，对于价格敏感的应用，还不太适用。较为便宜的类ZigBee通信方式(不使用O-QPSK等编码方式)正在较大规模地应用，这些通信方式，抗干扰性不强(临道抑制比差，抗 WiFi干扰能力弱)，将来 ZigBee价格和应用难度降下来之后，必然会取而代之。