分析了基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（VoWPAN）的優(yōu)點，設計并研制了應用在石油井場的VoWPAN系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括音頻網(wǎng)關和語音終端2部分，能夠提供音頻網(wǎng)關到語音終端之間點到點、點到多點的無線語音通信。

　　通過采用高密度封裝的藍牙模塊和集成化的設計，減小了系統(tǒng)的尺寸。針對語音終端待機時間短的問題，采用休眠模式、減小掃描窗長度、增大掃描間隔、關閉主機接口等措施，降低了功耗。通過分離音頻網(wǎng)關的主機和射頻前端，簡化了天線的設計難度，降低了成本，克服了某些場合的屏蔽效應。采用規(guī)范的藍牙通信協(xié)議，可以與普通的藍牙產(chǎn)品兼容。經(jīng)測試，系統(tǒng)的通信距離可達100m。該系統(tǒng)已成功應用于國內(nèi)許多油田的井場控制。

　　作為現(xiàn)有骨干網(wǎng)絡（如因特網(wǎng)、公眾電話網(wǎng)和公眾移動通信網(wǎng)）的一種補充和延伸，無線個域網(wǎng)（wireless personal area network，WPAN）技術的應用方興未艾，基于WPAN的語音通信系統(tǒng)（voice overWPAN，VoWPAN）已逐漸成為一種新的應用。通過VoWPAN，人們可以無縫地接入現(xiàn)有的公眾電話網(wǎng)（public switched telephone network，PSTN），在家庭、辦公室等室內(nèi)場合使用手機通信但發(fā)射功率極小且僅花費固定網(wǎng)絡的資費。對于固定和移動通信網(wǎng)絡運營商來說，引入VoWPAN，可以通過不同于有線或公眾蜂房系統(tǒng)的電話業(yè)務，為企業(yè)、商場和家庭用戶提供通信服務，從而有效擴展網(wǎng)絡覆蓋率，提高市場競爭力。

　　藍牙（Bluetooth）作為WPAN的關鍵技術之一，應用于VoWPAN具有廣闊的前景。本文把藍牙作為VoWPAN的主要技術，在參考國際藍牙專業(yè)組（special interesting group，SIG）提出的藍牙語音應用參考模型的基礎上，著重闡述其在井場無線通信VoWPAN中的應用，給出了一種新型的VoWPAN系統(tǒng)的設計和研制，包括其軟、硬件結構和工作流程；然后分析其性能，特別是系統(tǒng)的電流消耗，給出了降低功耗的方法；最后剖析了VoWPAN尚存的問題和今后的發(fā)展方向。

　　VoWPAN的關鍵技術

　　VoWPAN利用PSTN網(wǎng)絡的普遍性和成熟性，在家庭和企業(yè)環(huán)境中，通過使用WPAN語音終端，在WPAN覆蓋范圍內(nèi)自由組網(wǎng)免費通話或者通過PSTN撥打市話。一般來說，VoWPAN系統(tǒng)應滿足以下要求：

　　1）采用的語音編碼應具有較小的時延。目前，比較常見的語音編碼調(diào)制技術，主要有脈沖編碼調(diào)制（pulse codemodulation，PCM）和增量調(diào)制。為了提高增量調(diào)制的動態(tài)范圍進而提高信噪比，通常采用連續(xù)可變斜率增量調(diào)制（continuous variableslope delta，CVSD）。測試表明，在同樣的信息傳輸速率條件下CVSD的性能優(yōu)于PCM，其誤碼率即使達到4%，話音質(zhì)量也可以接受。

　　2）必須能夠抵御WPAN環(huán)境中存在的各種干擾。跳頻技術采用正交的偽隨機跳變圖案以避免“碰撞”，具有很強的抗干擾能力。但是在一個分散的系統(tǒng)中不可能有理想正交的跳頻圖案，這就導致了2個或多個用戶同時在同一頻隙上發(fā)送信號，即產(chǎn)生碰撞，碰撞概率隨著系統(tǒng)中網(wǎng)絡數(shù)量的增加而增加。另外，在藍牙的工作頻帶內(nèi)還有很多使用跳頻技術的系統(tǒng)。

　　3）應嚴格限制幾何尺寸，同時具有規(guī)范的接口，從而可以方便地集成到現(xiàn)有的語音終端設備中（如無線對講機、蜂窩電話等）。鑒于本系統(tǒng)的典型應用是要將語音終端佩戴在用戶頭上，其體積和質(zhì)量都有非常嚴格的要求。

　　根據(jù)上述要求，本系統(tǒng)采用了DELTA公司的DFBM-CF121藍牙模塊，集成了CSRBC02、PCM編解碼器、Flash存儲和晶振等部件，其尺寸僅為10.5mm×10.5mm×2.0mm。藍牙技術規(guī)范的開放性保證了設備制造商可以自由地選用其專利協(xié)議或常用的公共協(xié)議，在此基礎上開發(fā)新的應用。本文提出的語音通信系統(tǒng)就是在其核心協(xié)議的基礎上，對語音終端和音頻網(wǎng)關進行了控制、管理應用程序的開發(fā)。

　　藍牙1.1標準規(guī)定用于傳輸語音的鏈路是同步面向連接鏈路（synchronous connection-oriented，SCO），支持對稱、電路交換和點到點連接。目前藍牙112標準和210標準增加了增強型同步面向連接鏈路（extended synchronous connection-oriented，eSCO），eSCO是在標準的SCO鏈路上增加一些擴展機制，使得鏈路能夠支持更靈活的數(shù)據(jù)包格式、包內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容、時隙周期，同時還允許加入同步比特。另外，eSCO支持有限的數(shù)據(jù)重傳，增強了同步傳輸過程中的錯誤檢測和重傳機制，非常適合傳輸話音。

　　藍牙的跳頻序列周期很長，具有很強的抗干擾性能，可大大降低不同類型網(wǎng)絡間和相同類型網(wǎng)絡間的干擾，有利于對同步要求很高的語音業(yè)務。

　　另外，SIG也致力于開發(fā)藍牙在語音方面的新應用。SIG早在藍牙1.1標準發(fā)布時就給出了有關藍牙語音應用的若干參考模型，包括無繩電話應用模型（cordless telephone profile，CTP）、對講機應用模型（intercom profile，IntP）、耳機應用模型（head setprofile，HSP）、車載免提應用模型（hand freeprofile，HFP）等。目前，SIG又提出了一些新的語音應用參考模型，比如寬帶語音應用模型（wide band speech，WB-Speech），采用16kHz采樣率，符合藍牙1.2標準規(guī)定的支持錯誤檢測和重傳機制的同步鏈路。此外，SIG還不斷提出語音應用模型的新版本（例如HFP1.5，CTP1.2，IntP1.2版本等），具有更高的連接速度、更有效的錯誤檢測和流量控制、更強的同步能力。

　　由于藍牙技術在語音傳輸方面的優(yōu)勢，必將使其成為VoWPAN的關鍵技術。

　　VoWPAN通信系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　藍牙VoWPAN通信系統(tǒng)原理如圖1所示。通信系統(tǒng)采用藍牙技術，以藍牙電話應用框架為參考，充分利用了藍牙語音質(zhì)量好、體積小、功耗低、成本低和抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了語音終端與音頻網(wǎng)關之間點到點、點到多點通信的無線語音接入系統(tǒng)。其中，語音終端可以是本文所述的藍牙語音終端，也可以是普通的藍牙耳機、帶有藍牙功能的蜂窩手機、支持藍牙功能的筆記本電腦等。

　　本文主要介紹已經(jīng)成功應用于石油井場的語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)是VoWPAN技術在石油鉆井平臺現(xiàn)場的應用。井場示意圖如圖2所示，整個系統(tǒng)以鉆井平臺上的司鉆控制室為中心，通信范圍覆蓋井架、發(fā)電裝置、泥漿裝置等設施。工作人員在覆蓋區(qū)內(nèi)可以自由地進行通話。在井場內(nèi)部局域網(wǎng)內(nèi)形成VoWPAN的應用。由于采用了免提設計，工作人員使用時甚至不需要用手按鍵，因此特別適合無法用手接聽時的場合。如果司鉆控制臺接有電話線，只需在網(wǎng)關端加入電話處理模塊，覆蓋區(qū)內(nèi)的工作人員可以通過司鉆控制臺撥打電話。

　　相對于VoWPAN在家庭、辦公室應用，系統(tǒng)在尺寸、節(jié)能、抗干擾等方面有更高的要求。因此，本文所述井場的語音通信系統(tǒng)完全可以應用在醫(yī)院、家庭、辦公室等各種場合。

　　硬件設計框圖

　　整個系統(tǒng)可分為語音終端和音頻網(wǎng)關2個部分。井場藍牙語音通信系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。其中，語音終端以本文提出的藍牙語音終端為例加以說明。

　　藍牙語音終端包括藍牙模塊、電源管理、按鍵以及耳麥等器件。其中，藍牙模塊包括基帶、射頻、主機和PCM編解碼器。本設計中的藍牙基帶和射頻電路由CSR公司的BlueCore02芯片、Balum、功放、低噪放、收發(fā)切換開關、濾波器和一些外圍電路組成。CSRBC02藍牙芯片由射頻接收器、射頻發(fā)射器、射頻合成器、物理層DSP硬件引擎、猝發(fā)狀態(tài)控制器、微處理器、內(nèi)存管理單元等部分組成。

　　CSRBC02藍牙芯片內(nèi)置微處理器單元和RAM，只要擴展一個4Mbit的Flash存儲器，就可以充當主機的角色，從而直接在CSRBC02芯片上運行藍牙協(xié)議棧、按鍵掃描等工作，無需外擴專門的處理器。藍牙協(xié)議規(guī)定了用于藍牙的語音編碼為64kbit/s的PCM編碼（可以是A律、μ律或線性PCM編碼）或者64kbit/s的CVSD編碼。而CSRBC02藍牙芯片支持PCM編碼，并提供同步PCM接口。在本設計中采用Motorola的線性PCMCO2DECMC145483及其外圍芯片構成PCM編解碼電路。MC145483提供同步/異步PCM碼流接口，可以把話音信號采樣、量化、編碼成13bit線性PCM信號，也可把線性PCM信號轉換成模擬語音信號傳輸?shù)秸Z音終端的揚聲器。

　　電源管理包括了穩(wěn)壓電路、電平轉換電路以及開關電路。由于藍牙芯片、Flash芯片工作在不同的電壓，所以要采用電平轉換電路。而藍牙的工作電流變化范圍很大，從休眠模式（deep sleep）的工作電流小于1mA到SCO鏈路建立的60mA，加上藍牙射頻端收發(fā)狀態(tài)頻繁切換，功率放大器頻繁開關，因此對穩(wěn)壓芯片提出了較高的要求。另外，為了保證整個語音終端的正常工作，還必須對電源（電池）進行檢測，一旦發(fā)現(xiàn)電源供電不足，應直接向用戶報警并關機。

　　為了體現(xiàn)終端的便攜性和易操作性，本設計將按鍵設計成多功能單鍵，也就是說，一鍵實現(xiàn)接聽、掛機、調(diào)節(jié)音量和開關機等功能。區(qū)分用戶操作的工作盡量由軟件實現(xiàn)。

　　音頻網(wǎng)關由藍牙模塊和網(wǎng)關控制模塊2部分組成。由于網(wǎng)關相對于終端在設備體積、供電、移動性等方面要求都較寬裕。因此，為了增大通信距離，可以在網(wǎng)關端藍牙射頻電路的發(fā)射端加入增益20dB的功率放大器。相同地，在接收端加入高增益的低噪聲放大器，使得藍牙模塊的射頻參數(shù)符合藍牙class1的要求。

　　CSRBC02內(nèi)置微處理器負責運行藍牙協(xié)議棧內(nèi)的各層協(xié)議。在不影響藍牙主體協(xié)議運行的前提下，用戶可以根據(jù)需要編寫一些應用程序。如果只需實現(xiàn)功能簡單的系統(tǒng)，則系統(tǒng)內(nèi)不需要外擴一個微處理器。但在本系統(tǒng)內(nèi)，由于網(wǎng)關結構較為復雜，處理器負荷較大且控制引腳較多，所以本系統(tǒng)采用了一塊功能較強的處理器，用來控制藍牙模塊、液晶顯示、存儲器及鍵盤等。

　　本設計中，液晶顯示模塊選用以HD44780作為控制器的字符型液晶顯示模塊。鍵盤采用4×4矩陣譯碼鍵盤。為了節(jié)省I/O口資源，采用I2C接口的E2PROM來存儲語音終端的相關信息。圖4為本文所述語音通信系統(tǒng)的實物照片。

　　軟件設計框圖

　　本系統(tǒng)的軟件設計主要是在藍牙核心協(xié)議的基礎上，分別對語音終端和音頻網(wǎng)關的控制、應用程序進行了開發(fā)。系統(tǒng)的軟件設計結構圖如圖5所示。

　　如圖5所示藍牙的4個核心協(xié)議分別是：基帶協(xié)議（Baseband），鏈路管理協(xié)議（link manage protocol，LMP），邏輯鏈路控制和適應協(xié)議（logicallink control and adaptation protocol，L2CAP）和服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（service discovery protocol，SDP）。Baseband定義了時隙、幀結構、組包以及鏈路上的流控。LMP負責管理鏈路狀態(tài)、協(xié)調(diào)各個設備以及電源模式和工作周期等任務。L2CAP為上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)服務。SDP主要由服務信息記錄數(shù)據(jù)庫和發(fā)現(xiàn)/瀏覽服務功能兩大部分組成，在藍牙系統(tǒng)中起著至關重要的作用。

　　本文提出的語音通信系統(tǒng)以4個藍牙核心協(xié)議為基礎，對語音終端和音頻網(wǎng)關進行了控制、管理應用程序的開發(fā)。另外，音頻網(wǎng)關還包括鍵盤控制、液晶屏顯示控制、RAM存儲等人機接口的軟件開發(fā)。藍牙音頻網(wǎng)關和語音終端的軟件設計流程圖如圖6所示。

　　

????? 系統(tǒng)實現(xiàn)

　　藍牙語音終端與藍牙音頻網(wǎng)關之間的語音傳輸控制通過在藍牙串口仿真協(xié)議（RFCOMM）層傳輸AT電話控制指令來實現(xiàn)。整個通信系統(tǒng)的工作過程分為2個部分，即配對和連接過程。本系統(tǒng)在進行連接操作之前必須進行配對操作。配對過程的作用是使得終端和網(wǎng)關之間建立起惟一的16字節(jié)的共享識別碼。這個識別碼可以起到加密鑒權的作用，增加了用戶通信的安全性和保密性。一旦產(chǎn)生了識別碼，通信雙方就可以直接鑒別對方而無需多余的操作。識別碼被分別存儲在雙方的存儲器中。一旦完成配對過程，以后無需再次配對，除非任何一方丟失了識別碼。

　　在系統(tǒng)中，將藍牙芯片及其核心協(xié)議統(tǒng)稱為藍牙模塊，而將用來運行用戶定義程序的微處理器稱為主機，由此得到如圖7所示的連接過程。

　　工作過程：系統(tǒng)內(nèi)的藍牙設備只工作在3種狀態(tài)，即配對狀態(tài)、待機狀態(tài)、連接狀態(tài)。程序規(guī)定，若藍牙工作在除以上3種狀態(tài)之外的其他未知狀態(tài)，將強制回到待機狀態(tài)。網(wǎng)關和終端的默認狀態(tài)是待機狀態(tài)。

　　有語音通話要求的一方跳出待機狀態(tài)，向對方發(fā)起建鏈請求。先以網(wǎng)關向終端發(fā)起建鏈請求為例加以說明。首先，用戶通過鍵盤輸入要撥打語音終端的號碼，主機根據(jù)這個號碼，到存儲器中去取和這個號碼相對應的藍牙設備地址和連接識別碼。由于每一個藍牙設備都有一個惟一的48bit的IEEE指定地址，所以可以根據(jù)地址來惟一確定一個設備。網(wǎng)關獲得要建鏈對象的地址和連接識別碼，就可以通過鑒權、建鏈等過程，在2個設備之間建立起異步無連接鏈路（asynchronous connection-less，ACL），進入連接狀態(tài)。這時，網(wǎng)關會向語音終端以AT命令的形式發(fā)送振鈴信號，使得通信雙方同時響鈴。一旦終端用戶有摘機動作后，SCO鏈路建立，雙方可以正常通話。通話完畢以后，網(wǎng)關與終端任何一方有掛機動作后，SCO，ACL鏈路依次被釋放，雙方回到待機狀態(tài)。

　　若由語音終端發(fā)起建鏈請求，即語音終端呼叫網(wǎng)關，語音終端會以主設備的身份與網(wǎng)關建立連接。連接時，語音終端會將本地藍牙地址發(fā)送給音頻網(wǎng)關。而網(wǎng)關則會根據(jù)該地址，在液晶屏上顯示來電號碼，并在連接建立以后響鈴。網(wǎng)關應答后，SCO鏈路建立。同樣地，通話完畢網(wǎng)關與終端任何一方有掛機動作后，SCO，ACL鏈路依次被釋放，雙方回到待機狀態(tài)。圖8為本文所述語音通信系統(tǒng)的產(chǎn)品照片。

　　系統(tǒng)性能分析

　　與低頻電路的設計不同，微波電路和系統(tǒng)的設計都必須考慮其阻抗匹配問題。其根本原因是低頻電路中所傳送的是電壓和電流，而微波電路中所傳輸?shù)氖菍须姶挪ǎ黄ヅ渚蜁饑乐氐姆瓷洹ｋm然系統(tǒng)采用的藍牙芯片在射頻端內(nèi)置輸入阻抗為50Ω的匹配裝置，因此可直接連接天線而無需匹配。但是在某些特殊場合，周圍環(huán)境并非是自由場，特別是井場控制室，完全是屏蔽室。因此，必須將發(fā)射天線延長到室外或者是相對比較空曠的地方。延長線的使用，會帶來功率損耗、阻抗匹配等問題。

　　傳輸線損耗的主要影響，首先是使導行波的振幅衰減，其次是傳輸線的相位常數(shù)與頻率有關而使波的傳播速度與頻率有關，引起色散效應。負載與傳輸線之間不匹配，使負載產(chǎn)生反射，因而線上有反射波，負載不能吸收全部入射頻率。對于本文所述的系統(tǒng)來說，傳輸線選用同軸電纜線，天線是負載。當傳輸線有損耗時，定義η為傳輸效率，它表示傳輸線輸出和輸入端的傳送功率之比，長為l的傳輸線效率由下式表示：

　　完全匹配時，反射系數(shù)Γl=0，

　　η=e-2αl （2）

　　假設傳輸線衰減常數(shù)α=0105Np/m，長度l=10m，有

　　η=e-5=-1Np=-81686dB （3）

　　這幾乎是射頻端功放增益的一半。如要獲得很小的衰減系數(shù)，必須采用波導管，這導致成本增加，使用也很不方便。本系統(tǒng)采用的方法如圖9所示，將藍牙射頻信號的傳輸改為基帶信號的傳輸，即將電路與音頻網(wǎng)關的主機部分分離。藍牙通過連接線將接收到的PCM信號傳輸?shù)揭纛l網(wǎng)關的PCM編解碼器上。由于傳輸?shù)氖荘CM碼流，利用數(shù)字信號的可再生性，可以以比較小的誤碼率傳輸語音信號。經(jīng)試驗，藍牙收發(fā)模塊的天線采用倒置F型平面天線（PIFA），在使用了20m的普通雙絞線后，語音通話距離在空曠地帶能達到100m，通話質(zhì)量幾乎沒有降低，從而大大簡化天線設計難度，降低設計成本。

　　移動通信設備是用戶隨身攜帶的移動設備，節(jié)電問題至關重要。本系統(tǒng)中語音終端的電流消耗如表1所示。

　　本系統(tǒng)中，語音終端為移動設備，音頻網(wǎng)關為固定設備。所以研究語音終端的節(jié)電問題更有意義。經(jīng)試驗驗證，語音終端的電流主要是消耗在藍牙芯片上。完成配對以后，藍牙處于待機狀態(tài)或連接狀態(tài)，由于連接狀態(tài)相對待機狀態(tài)時間較短，所以如何減小藍牙處于待機狀態(tài)的電流消耗就顯得尤為重要。

　　表1　語音終端電流消耗情況

　　從節(jié)電的角度來說，最省電的語音終端應該是在被呼叫時才進入工作模式。在沒有被呼叫時處于“睡眠”狀態(tài)，這是節(jié)電的極限情況。設某語音終端n的第i次被呼開始于Tnis，結束于Tnie，在討論的時間內(nèi)共有I次呼叫，這種極限節(jié)電狀態(tài)尋呼機的加電時間可表示為

　　事實上，語音終端不可能事先知道Tnis，為此語音終端應以一定的時間間隔進行掃描以便及時響應網(wǎng)關的呼叫。定義固定的時間間隔為掃描間隔Tinv，掃描持續(xù)時間稱為掃描窗口Twin，則有Tinv≤Tnie-Tnis，且Twin≤Tinv。假定呼叫持續(xù)時間Tnie-Tnis是掃描間隔的整數(shù)倍，則在語音終端n的第i次被呼周期內(nèi)經(jīng)歷的掃描周期的個數(shù)N和掃描持續(xù)時間Tscan可表示為

　　若定義一次呼叫周期內(nèi)總的掃描持續(xù)時間與呼叫持續(xù)時間的比值為語音終端的節(jié)電效率，并用ηp表示，則有

　　CSRBC02藍牙芯片定義Tinv和Twin必須是時間長度625μs的時隙的整數(shù)倍，且滿足11.52ms≤Tinv，Twin≤2156s。取Tinv=2.56s，Twin=11.52

　　ms，有

　　ηp=0145% （8）

　　圖10所示為語音終待機時的電流消耗。

　　雖然理論上可以獲得很高的節(jié)電效率，但實際中由于藍牙自身的機制，在掃描窗口以外的時間內(nèi)不可能完全不消耗電流。因此減小藍牙處于待機狀態(tài)的電流消耗也十分重要。CSRBC02提供了一種非常有效的節(jié)電模式———休眠模式。如果使能休眠模式，藍牙在沒有連接時，只要條件滿足就自動進入該模式。為了讓藍牙進入休眠模式，程序設計上應避免使用時間長度小于100ms的定時器。因為使用時間長度小于100ms的定時器會使得藍牙芯片需要等待而無法進入休眠模式。同時，應關閉主機接口（UART，USB等）。任何通過主機接口傳遞的消息都會阻止藍牙芯片進入休眠模式。

　　經(jīng)試驗證明，不使能休眠模式時，語音終端處于待機狀態(tài)時的平均電流消耗比使能休眠模式時高5～6mA。

　　為了進一步降低語音終端的電流消耗，設計時還應采用功耗較低的電壓器件，例如功耗較低的指示燈、電源芯片、功放芯片等。

　　結語

　　本文所述的應用于石油井場的語音通信系統(tǒng)，通過采取抗壓防爆等措施，完全可以克服井場電壓不穩(wěn)、電磁干擾強、環(huán)境惡劣等因素。系統(tǒng)設計上充分挖掘藍牙的跳頻擴頻技術和語音傳輸能力，采用簡化天線設計和多種節(jié)電措施，使得系統(tǒng)具有語音質(zhì)量好、兼容性好、功耗低、抗干擾能力強的特點，實現(xiàn)了無線個域網(wǎng)內(nèi)語音終端與音頻網(wǎng)關之間點到點、點到多點的語音通信。經(jīng)現(xiàn)場試驗，通信范圍可達100m，是VoWPAN技術的典型應用。通過與南京新華夏科技開發(fā)公司合作，目前該系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應用于中石化各石油局，部分已遠銷俄羅斯、南美等地區(qū)。

　　系統(tǒng)無需修改即可應用在醫(yī)院、家庭、辦公室等場合。但VoWPAN目前還處于起步階段。要真正讓越來越多的人接受VoWPAN，必須向用戶提供更低的總擁有成本、更高的網(wǎng)絡利用率、更大的操作靈活性以及能夠吸引人的新服務等。BluetoothSIG正致力于推出諸如智能電話控制（advanced phone control）、電話簿信息（subscribe rnumber information）、電話簿接入（phone book access）等更加智能和方便的新應用框架。