基于CC2530的语音侦听节点设计方案

引言

　　语音侦听是为应对犯罪手段新变化而采用的一种借助于高科技、具有隐秘性的强制侦查措施，能够弥补常规侦查措施在查清犯罪事实方面的不足，在打击严重犯罪或某些特殊类型的犯罪方面发挥着不可或缺的作用。

　　现有的语音侦听设备多采用有线传输方式，要完成语音侦听任务，需要在侦听区域内先完成线路铺设，部分无线语音侦听设备主要采用激光或雷达等手段实现语音信息的无线传输。常见的语音侦听节点的功耗都比较大，主要集中在语音处理、编码及无线传输过程中。

　　分析现有的语音侦听设备不难发现;语音侦听区域的随机性、复杂性及危险性使得有线侦听设备无法满足随时随地完成布设进行侦听的要求，增加了执行任务的风险系数。激光、雷达昂贵的价格使得以此作为通信手段的无线侦听设备不能普及推广，语音编码处理及无线传输的高功耗使其无法满足长时间、不间断侦听任务的需要。

　　因此，研究设计一种操作简单、使用方便、采用无线传输、低功耗的语音侦听节点，对于减少人力资源消耗，降低任务的风险系数和装备成本，实现长时间、不间断的远距离语音侦听具有重要意义。

　　1 节点总体设计

　　遵循模块化的设计思想，结合嵌入式系统开发的特点，根据语音侦听任务需求，本文设计的语音侦听节点由语音感知模块、处理器模块和电源模块三部分组成，如图1所示。其中，语音感知模块包括语音采集单元和语音编码单元，完成语音信号的检测、采样、模数转换和编码。处理器模块包括处理器单元、存储单元和无线通信单元，不仅负责整个节点的数据处理、数据存储、执行通信协议、节点调度管理和功率控制，而且还负责节点与节点之间、节点与上位机之间按照一定的通信协议完成数据、指令的发送和接收。电源模块为各部分电路提供运行时所需要的能量，维持节点正常工作。

　　2 节点硬件设计

　　2.1 语音感知模块设计

　　语音信号的获取是完成语音侦听任务的首要环节，其质量的好坏直接决定着语音侦听结果的准确性。在比较分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等语音处理芯片的特点后，选取CMX649芯片作为侦听节点的语音感知模块。CMX649芯片是一种集语音检测、采样、模数转换、编码多种功能于一体的集成芯片，能够实现ADM编码、PCM编码，能够满足语音处理低功耗的要求。

　　CMX649丰富的功能集成使其需要极少的外部原件就可完成语音信号的检测与编码，其外围电路如图2所示。

　　其中，引脚14、15、16、17和18与C-BUS总线连接，用于设置CMX649工作参数;C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于调整MIC放大器增益和频率响应，单位增益设为150 Hz，高低3 dB的滚降点设为15 kHz;C5为直流阻断电容，连接外部扬声放大器用来驱动扬声器工作;晶振X1为4.096 MHz有源晶振，用来产生芯片工作时所需时钟频率;VDD和VBIAS分别与去耦电容C6和C7连接来获得良好的噪声性能。

　　2.2 处理器模块设计

　　本设计从节点的应用需求、性能指标和成本三个方面来确定处理器的选型。在比较分析提供ZigBee协议栈的MSP430C+C1100/CC2420/CC2520方案和CC2430/CC2530、JN5121/JN513x、Ember+EmberZNet2.0方案后，选择TI公司的CC2530芯片作为语音侦听节点的处理器模块。CC2530集成了微处理器、存储器和射频模块，具有集成度高、功耗低、体积小、成本低和接口丰富的特点，完够满足语音侦听节点在数据采集、存储、预处理与无线传输时对处理器的要求。

　　CC2530集成了多种特色功能模块，只需要极少的外部元件就可完成节点的控制、数据的处理及无线传输，其外围电路如图3所示。在射频电路中，天线使用单极子不平衡天线。输入/输出匹配网络由分立电感、电容（C252、L252、C262、L261）组成，它能够优化天线的性能，减小在射频电路连接时造成的频率漂移，能够匹配阻抗为50 Ω的天线，达到芯片的性能。

　　选用两个晶振来保证CC2530无线发射/接收电路正常工作，主时钟晶振采用32 MHz无源晶振，由XTAL1及电容C221和C231组成;32 kHz时钟晶振由XTAL2及电容C321和C331组成。为提高芯片工作的稳定性，输入电压应采用3.3 V稳压电源，接内部参考电压的外围电阻R301的精度要在0.5%以上，且在电源处加入去耦电容。

　　2.3 电源模块设计

　　由于CMX649芯片的工作电压在2.7～5.5 V;CC2530的工作电压为2.0～3.6 V，典型值为3.3 V。为简化电源模块设计、减小节点体积，根据电压一致性原则，将该节点的供电电压定为3.3 V。结合本节点需求，终选取容量220mA、电压3.6 V的锂电池完成供电。为使节点正常工作，需要通过电源转换电路来实现3.6 V到3.3 V电压的转换。

　　在比较分析3.3 V电源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的转换效率和转换精度后，选用TPS780330220来实现3.6～3.3 V电压的转换。TPS780330220的驱动电流为150 mA，可以满足CC2530工作的需要，转换效率高，有利于延长节点工作时间。它的输出电压噪声非常低，信噪抑制比高，对于较易受到干扰的语音信号而言，能够减少背景噪声的干扰、提高语音信息采集的精度，具体电路如图4所示。

　　3 节点软件设计

　　根据需求分析，节点加电后开始工作，首先完成对CMX649和CC2530的初始化。而后依据能否检测到语音信号来判断编码模块和传输模块是被唤醒进入侦听状态，还是继续停留在休眠状态。若进入侦听状态，则启动采样，待完成模数转换、语音编码后，调用发送子程序发送数据。此时，根据在一定时间范围内能否连续检测到语音信号判断侦听是否结束。如果连续检测到语音信号，则侦听没有结束，继续进行采样、编码处理和发送;反之，判断侦听结束，节点的编码传输模块进入到休眠状态，语音激活检测部分周期性工作，等待下检测到语音信号。节点软件流程如图5所示。

　　4 节点测试

　　4.1 侦听功能测试

　　测试环境示意图如图6所示，节点A为本文设计的语音侦听节点，节点B为射频接收端，节点B通过串口与PC端相连。其中，节点A运行语音侦听应用程序，节点B运行接收程序。

　　当节点A处测试人员发出“您好”的声音后，PC端显示结果如图7所示。从显示结果看，节点A基本实现了对语音信号的采集、处理、传输功能，达到了预期的目标。

　　4.2 传输距离测试

　　将节点A放置在侦测区域，接收节点B通过串口与PC连接，使用Sniffer软件显示接收数据包情况，CC2530的输出功率设置为0 dBm。如果Sniffer能接收到数据，PC上会有数据包显示，同时LED闪烁，此时说明A、B两节点之间的距离在通信距离范围内;如果收不到数据，PC上没有数据包显示，LED不闪烁，此时A、B之间的距离超出有效通信范围。以此来确定临界点的位置，测量传输距离。选取10次测试数据如下，如图8所示。平均远通信距离为85.6 m，测试结果表明该节点的设计满足应用需求。

　　结语

　　基于CC2530的语音侦听节点，选取CC2530设计了处理器模块，采用CMX649设计了语音感知模块，采用TPS780330220设计了电源模块。测试结果表明，该节点能稳定地实现语音信号的实时采集与无线传输，具有体积小、使用方便、成本低、功耗低和侦听距离远的特点，为情报信息的获取提供了一种新的、可靠的技术手段，可广泛地应用于战场态势感知领域。