一种有无线结合的局域网通信系统*

刘 台，胡 斌，龚 鹏，刘兴姿

（武汉中原电子集团有限公司，湖北 武汉 430205）

0 引言

在现代大型通信系统项目中，小型通信系统可作为大型通信系统的子系统存在。现有的通信方式中，USB 传输方式已经发展成为一种成熟的通信方式，而近距离无线传输多采用蓝牙技术。蓝牙5.0是蓝牙技术联盟在2016 年提出的蓝牙技术标准。相比于之前版本的蓝牙标准，蓝牙5.0 具有更高的传输速率、更大的传输数据量和更远的传输距离，理论通信范围可达300 m[1]，同时在低功耗方面性能突出[2]。

本文实现了有线与无线两种方式的通信系统方案。方案使用的开发板型号为NRF52840，开发环境为keil5，兼容USB 有线模式和蓝牙无线模式，实现了多个多功能通信设备对一个通话终端的实时话音通信。本文对系统结构、蓝牙拓扑结构、数据流程以及程序实现流程进行展示，分析模拟音频单元器件选型，对蓝牙5.0 通信方式的传输速度进行分析并配置测试，并对比话音质量测试标准进行丢包测试、波形测试和实际话音测试，最终展示实验结果。根据通话终端与多功能通信设备一对多实时话音通信方案，实现了蓝牙5.0 无线话音传输和USB 有线话音传输。经实测话音质量，结果满足音频性能指标要求。

1 系统原理分析

有无线局域网通信系统结构如图1 所示。多功能通信设备可通过有线USB 或无线蓝牙方式和通话终端实现话音通话合按键指令的传输。同时，一个通话终端可以和多个多功能通信设备同时通话，实现一对多通话功能。

多功能通信设备原理如图2 所示。耳机采集话音模拟信号，传输进入多功能通信设备。多功能通信设备将模拟信号降噪、放大以及AD 转换变换成数字信号。当工作模式为USB 模式时，数字信号通过USB 发给通话终端或计算机；当工作模式为蓝牙模式时，多功能通信设备的蓝牙模块作为从设备，将数字信号经从设备的蓝牙模块发送给蓝牙主机，然后蓝牙主机再将数据经USB 转发给通话终端或计算机。

图1 有无线局域网通信系统结构

图2 多功能通信设备原理图系统设计与实现

1.1 低功耗蓝牙拓扑结构

低功耗蓝牙系统拓扑结构如图3 所示，是星形拓扑[3]。系统分为主机和从机两种设备，其中系统如何运行取决于主机。中心主机可以和多个外设从机进行连接和通信。在有无线局域网通信系统中，多功能通信设备充当蓝牙系统中的从机角色，而与通话终端通过USB 连接的蓝牙模块充当蓝牙系统中的主机角色。

图3 低功耗蓝牙拓扑结构

1.2 系统数据流程

USB 模式数据流向示意图如图4 所示。多功能通信设备将音频信号直接通过USB 转发到通话终端或计算机。

蓝牙模式数据流向示意图如图5 所示。多功能通信设备将音频信号通过蓝牙发送给主机。主机接收蓝牙数据后，USB 将数据转发给通话终端或计算机。相比于USB模式，蓝牙模式增加了主机转发功能。

1.3 模拟音频单元设计

模拟音频单元框图如图6 所示。当输入MIC 有效值7 mV、1 kHz 正弦波时，发送端的DNR-3F 降噪模块输出的MICBUFF 信号有效值为660 mV±5%，需要通过下一级的运放进行增益调节，以满足数字话音幅值要求和ADC 的输入范围要求310 mV±5%。

音频信号增益调节电路如图7所示，调节R23/R25的倍数，使运放输出给ADC 输入端电压有效值在310 mV±5%以内，调试时将R25设定为10.5 kΩ，将R23设定为4.99 kΩ，电阻选择贴片薄膜电阻，精度1%即可。

图4 USB 模式数据流向

图5 蓝牙模式数据流向

图6 模拟音频单元

图7 语音信号发送增益调节电路

R23与C68组成低通滤波器，截止频率f=1/2πRC，要求放大器设计相位漂移5°以内，则截止频率必须满足：

因为人的声音频率范围是300～3 400 Hz，为了放大一点余量，计算时取值300～4 000 Hz 的范围。同时，要求低通滤波器在4 kHz 时的响应误差在-0.01 dB（十进制0.999）以内，则截止频率必须满足：

综上所述，截止频率满足f≥89.376 kHz 时，低通滤波器满足增益误差-0.01 dB 以内和相位漂移5°以内，因此反馈电容C取值为：

这里取值C=360 pF，重新计算可得截止频率f=88.6 kHz。

当C71交流耦合电容前后端直流偏置电压不一样时，R26做为限流电阻限制通过交流耦合电容的电流，一般取值几十到几百欧姆，这里R26=49.9 Ω。

C71和R28组成高通滤波器，R28与连接到运放输出端的ADC 输入阻抗并联，在这里建议并联后的电阻为10 kΩ，此处所使用ADC 输入阻抗为20 kΩ，因此R28=20 kΩ。

此处高通滤波器截止频率300 Hz 处响应误差取值-0.01 dB（十进制0.999），则截止频率满足：

交流耦合电容取值满足：

这里C71取值为1 μF 时，高通滤波器截止频率约为16 Hz。

电压偏置电路设计如图8 所示。

图8 运放电压偏置电路

设置R41=R42=100 kΩ，因此偏置电压为2.5 V。C89和R41、R42组成低通滤波器，用于滤除电阻产生的热阻噪声和由电源VDDA5V 产生的电源噪声，C89取值2.2 μF，C83预留，低通滤波器截止频率为：

刚好只允许直流电源电压通过，作为偏置电压。

计算压摆率SR：

式中，A为运放输出最大幅值。

一般保守的选择是取计算值的8～10 倍以上，这里取值为：

为了获得THD+N 为-100 dB 大小的要求，此运放电路输出端总噪声必须满足：

计算可得1 kHz 时，运算放大器输入噪声密度需要满足：

OPA1611 满足以上要求。

音频编解码芯片将从MCU 桥接芯片处收到的数字音频信号通过DAC 转换成模拟信号输出，通过运放OPA1611 差分放大和滤波后传送给耳机受话器。为使该模拟信号能够满足驱动耳机受话器，需将该信号调至有效值7.35 V±10%。

增益调节电路如图9 所示。由于DAC 部分收到的其他音频设备的音频有效电平值是310 mV（7 mV输入情况下），理论上需要放大的倍数为7.35 V/310 mV ≈23.7。电路中电阻值越高，会贡献越高的热噪声给电路而降低音频指标；电路中电阻值越低，会使DAC输出越多的电流增加失真。因此，权衡考虑，选取电阻值R30=R47=2 k Ω。根据放大比例，计算可得R46=R48=47.5 kΩ，即放大倍数为47.5/2=23.75。

图9 语音信号接收增益调节电路

图9 中的U7A 部分，反馈电阻和电容实现低通滤波器功能。该低通滤波器的截止频率为f=1/2πRC，要求差分放大器相位漂移5°以内，则截止频率必须满足：

因为人的声音频率范围是300～3 400 Hz，为了放大一点余量，计算时取值300～4 000 Hz的范围。

同时，要求差分放大器增益误差-0.01 dB（4 kHz情况下），则截止频率必须满足：

综上选择f≥89.376 kHz，因此反馈电容C取值为：

这里取值C=36 pF，重新计算可得截止频率f=93.12 kHz。

对于运放输出电流能力的分析计算，差分放大器接耳机受话器负载，最大功耗110 mW，耳机1 kHz 阻抗大小为600 Ω，则对于运放每个通道的要求如下：

计算压摆率SR：

式中，A为运放输出最大幅值。根据尼奎斯特采样原理，f=24 kHz（为DAC采样频率48 kHz的一半）。

一般保守选择取计算值的8～10 倍以上，这里取值为：

为了获得THD+N为-100 dB 大小的要求，此运放电路的总噪声必须满足：

式中，玻尔兹曼常数K=1.381×10-23，开氏温度T=298 K。

电阻R30或R47的热噪声为：

1.4 软件处理流程

主机程序流程图如图10 所示。从机程序流程图如图11 所示，流程中省略了按键处理。蓝牙和USB 通过接收模块接收数据。发送模块发送数据时，为了调和各模块的处理速度，使用环形缓存进行中和调整，保持收发速率的匹配。数据处理在主函数中进行。

1.5 蓝牙处理能力分析

蓝牙连接或广播都是周期性的。在一个周期中，蓝牙连接或广播只持续很短一段时间，几百微妙至几毫秒，与数据包长度有关[4]。CPU 或系统只会在这段时间内工作，其余时间系统都处于空闲状态。若广播间隔为200 ms，CPU 或者系统不是持续工作200 ms，实际只工作几百微妙，大部分时间（199 ms以上的时间）系统都是处于空闲状态。这是广播或连接状态系统平均电流很低的原因。图12 为广播间隔为200 ms 时系统的实时电流波形。

蓝牙想要达到最大吞吐率，必须保证蓝牙带宽尽可能被利用。此问题可转化为蓝牙包尽可能占满时间轴。如图13 所示，在固定的时间内，发包占用的时间比例越高，越接近最大吞吐率。

图10 主机程序流程

图11 从机程序流程

图12 广播间隔200 ms 系统实时电流波形

图13 蓝牙发包情形一

相反，若连接间隔很长且每个间隔只发一包，那么即便包长为251 Bytes，吞吐率也不高，如图14 所示。

蓝牙的传输效率可以粗略表示为：

图14 蓝牙发包情形二

式中，th表示蓝牙数据传输吞吐率，data表示一个连接间隔传输的数据，interval表示连接间隔，datalen表示一个数据包的长度，num表示在一个连接间隔内发送蓝牙数据的包数。例如。连接间隔为60 ms，一个连接间隔只传244 Bytes 的数据包，此时的吞吐率为244 Bytes/60 ms=4.1 kB/s。因此，欲提高吞吐率，可以从数据包长度、每个连接间隔发送的包数和连接间隔3 个方面入手。

已知NRF52840 蓝牙传输支持的数据包最大长度为247 Bytes，I2S 采样频率为8 kHz，采样位数16 bits。只取左声道，根据条件确定了一包数据长度为160 Bytes，采样一包数据20 ms，实际应用中需外加6 Bytes 包头，因此一包数据长度为166 Bytes，即每20 ms 蓝牙需输出一个166 Bytes 数据包。

蓝牙连接间隔取值范围为7.5 ms～4 s，连接间隔太长会降低蓝牙传输的吞吐率，连接间隔短一些会提高蓝牙传输吞吐率，但连接间隔过短也不会继续提高蓝牙吞吐率且会增加耗电。经实验，最佳连接间隔为30 ms。

现已确定一个包的数据长度为166 Bytes，连接间隔为30 ms，需确定每个连接间隔发送的包数num。每个连接间隔发送的包数取决于一个重要参数NRF_SDH_BLE_GAP_EVEVT_LENGTH，此参数的单位是1.25 ms。它的大小代表在一个连接间隔内用于发包的时间。为了尽可能多发包，应将整个连接间隔都用来发包。因此将此参数设为24，即30 ms，即整个连接间隔都用来发包。

一个251 Bytes 的蓝牙数据包和它的ACK 包在空中总共持续的时间大概为2.5 ms，可以估算在30 ms连接间隔内理论上可以发的包数为30 ms/2.5 ms=12包。虽然NRF_SDH_BLE_GAP_EVEVT_LENGTH 设为30 ms，希望整个连接间隔都用来发包，但实际每个连接间隔还要预留一些时间给协议栈调度，射频初始化和应用程序执行。假设以上时间花费为3 ms，那么30 ms 连接间隔理论上可以发送的最大包数为（30-3） ms/2.5 ms=10 包，最终确定每个连接间隔发送的最大包数为10，因此可以得出蓝牙最高的传输速度可以达到247 Bytes10/30 ms=81 kB/s。

以上分析为1M 模式，蓝牙5.0 提出了一个2M高速率模式[5]，即同样的连接间隔，2M 模式可以发出的数据包基本上是1M 模式的两倍，相当于传输速率翻倍。

2 实验结果分析

首先，根据图1 的连接方式连接设备，一个通话终端连接4 个多功能通信设备，每个多功能通信设备连接一个用户耳机。多功能通信设备在发送音频包时，将发出的数据包数累加，使用Jlink 打印出来。发出的数据包经USB 模式或蓝牙模式传输到计算机，计算机使用Microsoft Visual Studio 2010 实现了一个从com 口读取数据并原路写回com 口的程序，并经USB 或蓝牙传回到各个多功能通信设备，即回环测试。多功能通信设备将返回的数据包累加并打印，测试的数据量为30 万包。多功能通信设备连接数为4，经过发送的包数和回环后收到的包数对比可以看出，发送与接收数据包延迟30 包。图15 为发送包数与回环包数打印，packet_no 为发送话音包数，packet_recv 为回环后接收包数。

其次，测试音频质量。耳机MIC 输入7 mV、1 kHz正弦波，经USB 或蓝牙传回到各个多功能通信设备。回环后，耳机PHONE 输出有效值7.35 V、1 kHz 正弦波。图16 为回环后I2S 输出波形，满足测试标准。

图15 丢包测试

图16 波形测试

最后，进行话音测试。使用耳机讲话，回环后传回到耳机，可听到话音，稍有延迟和杂音。

3 结语

本文设计一种有无线结合的局域网通信系统。一个通话终端可连接多个多功能通信设备实现多人远端通话，且实现有线与无线两种传输模式。经实验比对数据包数、波形测试和话音测试，结果可以得出此方案可行。但是，本次实验通话延时稍大，与程序中使用的环形缓存较大有关。为保证不丢包，将环形缓存设置得较大。此外，本次实验话音质量存在瑕疵，与开发板资源有限有关，且蓝牙通信距离受限，需改进天线。