基于WT600F的超短波语音通信系统*

李 敏 ，吴 凡 ，陈启贵 ，何 敏

（1.江苏航天神禾科技有限公司，江苏 南京 210046；2.南京理工大学，江苏 南京 210094）

0 引 言

超短波电台是工作波长为1～10 m，工作频率为30～300 MHz的无线电通信设备。与短波电台相比，超短波电台的射频场强极为稳定，几乎不受外界干扰，拥有更宽的频段。与基站相比，超短波电台投资小，设备简单，使用费用低，因此在无法搭建手机基站的地区有着极为广泛的应用。

随着电子工业的发展和技术水平不断提高，目前超短波电台在近距离通信领域有着极大的优势。由于超短波电台操作简单，不受网络限制，适合于在处理突发事件中进行紧急调度和集体协作，同时该系统具有远程无线数据传输功能，因而使其在公安、民航、铁路、水利、电力、野外施工等行业应用更广泛[1]。

目前超短波电台的接收灵敏度受环境等因素的影响，通信距离越远，传输速率越低，如何在保证通信质量的前提下增加通信距离是超短波电台研究的重点。目前解决这个问题主要有以下3种方法：

（1）提高电台的输出功率；

（2）提高电台的接收灵敏度；

（3）降低信源信号的传输速率。

本文提出采用WT600F声码器的超短波语音通信系统，对语音信号进行压缩，能够在600 bit/s低速率下传输较高质量的语音信息，大大降低了信源信号的传输速率，理论上能够提高语音传输距离。

1 系统组成

基于WT600F的超短波电台语音通信系统结构框图如图1所示。

图1 基于WT600F的超短波电台语音通信系统结构图

语音信号的发送过程如下：麦克风将语音信号转为电信号（模拟信号），语音编码模块对输入的电信号进行A/D采样，将模拟信号转换为数字信号，然后对数字信号进行数字语音压缩编码，编码后的数据通过串口发送到数字调制解调模块，调制后的数据经过低噪放大器和功率放大器传输至射频天线。

语音信号的接受过程如下：天线接收到射频信号，调制解调模块对接收到的信号进行解调，并将解调后的数字信号通过串口传输至语音解码模块，语音解码模块对接收到的数据进行解压缩，进行D/A转换成为模拟语音信号，信号通过扬声器输出。

由于系统是双工的，任意一个终端设备都同时具有收发功能。

2 语音编解码模块

2.1 WT600F芯片

WT600F是一款低码率声码器芯片，支持休眠模式和低功耗模式，可以在600 bit/s低速率下合成出较高质量的语音。WT600F采用UART接口与MCU连接通信，用户可通过UART接口实现语音编码数据的读出和写入，且这个过程是异步、全双工的[2]。

WT600F芯片引脚如图2所示。

图2 WT600F引脚图

部分引脚功能如表1所示。

表1 管脚功能描述

系统需要给WT600F芯片提供两种电源：3.3 V和1.8 V。WT600F的IO口可以模拟成SPI总线与外部芯片通信。在移位时钟BCLK的控制下，采样的数字信号从PCM_IN端口输入，WT600F对语音数据压缩，每75 ms从VOCTX输出一帧数据，同时从VOCRX接收压缩的语音数据，对其进行解压，在移位时钟BCLK的控制下，从PCM_OUT输出解压后的数据。

2.2 通信规约

WT600F与MCU之间以定长帧进行通信，发端WT600F芯片定时输出数据帧，语音帧每帧含有效语音位数为45 bits，放置在帧中第5～9字节，以及第10字节的高五位。

数据帧结构如图3所示。

图3 声码器数据帧结构图

2.3 TLV320AIC23B芯片

WT600F只能对数字语音信号进行压缩和解压缩。实验中还需要对数字语音信号进行模/数和数/模转 化，并进行数字采样，语音数据的采样频率为8 kHz。

在实验中，采用了TLV320AIC23B实现对语音数据的模/数、数/模转换和采样，TLV320AIC23B是TI公司推出的一款高性能立体声音频编解码器，模/数转换器（ADC）和数/模转换器（DAC）集成在芯片内部。采用先进的Σ-△过采样技术，可以在8 kHz至96 kHz的采样率下提供16 bit、20 bit、 24 bit和32 bit的采样数据[3]。ADC和DAC的输出信噪比分别可达90 dB和100 dB。内置耳机输出放大器，支持线路输出，麦克风输入和线路输入，输入和输出都具有可编程的增益调节功能。

TLV320AIC23B的麦克风或线路输入和耳机输出的放大倍数可以通过修改寄存器值进行调节，其内部有十一个寄存器，各寄存器地址和功能如表2所示。

表2 AIC23B寄存器地址及名称

通过修改寄存器可以改变麦克风输入，线路输入，耳机输出的增益。

（1）实验一：调节麦克风语音输入增益

实验原理如图4所示。

图4 麦克风输入实验原理图

地址为0000100的寄存器中第0 bit（MICB）为0，第二级放大倍数为1，从原理图可以看出，默认麦克风输入的增益为5。

1）若需要减小增益，可以在输入引脚外接串联电阻R，增益为50/（10+R）；

2）若需要增加增益，可以将第0 bit（MICB）的值设为1，第二级增益由默认的0 dB提高为20 dB， 信号放大10倍。通过调整第一级外接串联电阻R，总放大倍数最高可增加至50倍。

（2）实验二：调节线路语音输入增益（以语音信号从左线路输入为例）

实验原理如图5所示。

图5 线路输入实验原理图

修改地址为0000000的寄存器值，LIV[4:0]即低5位的值默认为10111，增益为0dB，LIV[4:0]可从00000（-34.5 dB）调至11111（+12 dB），可调步幅为1.5 dB。

（3）实验三：调节耳机输出增益（以左耳机输出为例）

实验原理如图6所示。

图6 耳机输出实验原理图

修改地址为0000010的寄存器值。LHV[6:0]默认为1111001，增益为0 dB，可从0110000（-73 dB） 调至1111111（+6 dB），可调步幅为1 dB，低于-73 dB 则没有声音。

2.4 电路原理图

低速率语音编解码电路原理如图7所示。

WT600F通过端口LIN/MIC选择语音信号的输入方式，通过SPI总线对TLV320AIC23B的寄存器进行设置，完成设置后，就能够实现低速语音编解码。

音频信号输入到TLV320AIC23B芯片，该芯片通过A/D采样将模拟语音信号转换为数字信号，WT600F芯片对接收到的数字信号进行压缩编码，定时输出具有固定帧格式的16字节数据至串口。

WT600F芯片从串口接收到具有固定帧格式的16字节数据进行解压缩，将解压后的数据送到TLV320AIC23B芯片，转化为模拟信号从线路输出。

图7 语音编解码模块原理图

3 实验验证

3.1 实验系统

系统中采用的数字调制解调模块的工作频点为170 MHz，属于超短波的频段，采用FSK调制解调方式，灵敏度理论值可达-140 dBm，数据传输速率可以在600 bit/s，1 kbit/s和2 kbit/s中选择。

调制解调模块和语音编解码模块之间通过串口通信，波特率设置为115200，字长为8位数据，一个停止位，无奇偶校验。

语音编解码模块发出的是16个字节的语音帧，每帧含有效语音位数只有45 bits，系统只需将有效数据发出去，就可以降低传输速率，提高传输距离。

进行调制解调的数据帧结构如图8所示。

图8 调制解调数据帧结构

Header_1固定为0x4C，Header_2固定为0x4E， DATA为语音数据。一共8个字节，长度是语音编解码模块语音帧结构的一半。

3.2 软件流程

声码器与数字调制解调模块通信过程如下：

数字调制解调模块通过串口接收到语音编解码模块发送的数据，先判断数据帧头是否为0x4C，

0x4E，符合要求后再判断接收数据的长度，如果长度为16字节，则将数据解包成8字节的数据帧，通过射频输出。软件流程如图9（a）所示。

数字调制解调模块通过射频端口接收到数据，先判断数据帧头是否为0x4C，0x4E，符合要求后再判断数据的长度，如果长度为8字节，则将数据打包成16字节的语音帧，发送给语音编解码模块。软件流程如图9（b）所示。

图9 模块通信流程图

3.3 实验结果

在实验室环境下，利用衰减器模拟测试远距离语音通信，通过调整衰减值，来测试语音传输效果，当接收灵敏度衰减至-130 dBm时，仍可接收到清晰的语音信号。

在陆地实验中，通过将电台架高，拉远等实验，系统的发射功率达到47 dBm时，可以测得两部电台在相距120 km时也能有较好的语音通信。

4 结 语

基于WT600F的超短波电台语音通信系统具有较强的抗干扰能力，接收端合成的语音能够清楚的分辨声源，有较高的可懂度、自然度，并且该通信系统在陆地可达超过120 km的语音传输距离。

为了进一步提高传输距离，还需要提高调制解调模块的接收灵敏度，如抗干扰性更强的PSK调制方式，在同等传输距离的条件下，可以提高传输速率，得到更高质量的语音信号，或者是LoRa线性调频扩频调制方式，此调制方式在降低功耗的同时能够明显增加通信距离。