基于CC2530的語音偵聽節(jié)點設計方案

引言

語音偵聽是為應對犯罪手段新變化而采用的一種借助于高科技、具有隱秘性的強制偵查措施，能夠彌補常規(guī)偵查措施在查清犯罪事實方面的不足，在打擊嚴重犯罪或某些特殊類型的犯罪方面發(fā)揮著不可或缺的作用。

現(xiàn)有的語音偵聽設備多采用有線傳輸方式，要完成語音偵聽任務，需要在偵聽區(qū)域內(nèi)先完成線路鋪設，部分無線語音偵聽設備主要采用激光或雷達等手段實現(xiàn)語音信息的無線傳輸。常見的語音偵聽節(jié)點的功耗都比較大，主要集中在語音處理、編碼及無線傳輸過程中。

分析現(xiàn)有的語音偵聽設備不難發(fā)現(xiàn);語音偵聽區(qū)域的隨機性、復雜性及危險性使得有線偵聽設備無法滿足隨時隨地完成布設進行偵聽的要求，增加了執(zhí)行任務的風險系數(shù)。激光、雷達昂貴的價格使得以此作為通信手段的無線偵聽設備不能普及推廣，語音編碼處理及無線傳輸?shù)母吖氖蛊錈o法滿足長時間、不間斷偵聽任務的需要。

因此，研究設計一種操作簡單、使用方便、采用無線傳輸、低功耗的語音偵聽節(jié)點，對于減少人力資源消耗，降低任務的風險系數(shù)和裝備成本，實現(xiàn)長時間、不間斷的遠距離語音偵聽具有重要意義。

1 節(jié)點總體設計

遵循模塊化的設計思想，結合嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的特點，根據(jù)語音偵聽任務需求，本文設計的語音偵聽節(jié)點由語音感知模塊、處理器模塊和電源模塊三部分組成，如圖1所示。其中，語音感知模塊包括語音采集單元和語音編碼單元，完成語音信號的檢測、采樣、模數(shù)轉換和編碼。處理器模塊包括處理器單元、存儲單元和無線通信單元，不僅負責整個節(jié)點的數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議、節(jié)點調(diào)度管理和功率控制，而且還負責節(jié)點與節(jié)點之間、節(jié)點與上位機之間按照一定的通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)、指令的發(fā)送和接收。電源模塊為各部分電路提供運行時所需要的能量，維持節(jié)點正常工作。

2 節(jié)點硬件設計

2.1 語音感知模塊設計

語音信號的獲取是完成語音偵聽任務的首要環(huán)節(jié)，其質量的好壞直接決定著語音偵聽結果的準確性。在比較分析ISD4003、MA600、SCO20G和CMX649等語音處理芯片的特點后，選取CMX649芯片作為偵聽節(jié)點的語音感知模塊。CMX649芯片是一種集語音檢測、采樣、模數(shù)轉換、編碼多種功能于一體的集成芯片，能夠實現(xiàn)ADM編碼、PCM編碼，能夠滿足語音處理低功耗的要求。

CMX649豐富的功能集成使其需要極少的外部原件就可完成語音信號的檢測與編碼，其外圍電路如圖2所示。

其中，引腳14、15、16、17和18與C-BUS總線連接，用于設置CMX649工作參數(shù);C1、C2、C3、C4和R1、R2、R3、R4用于調(diào)整MIC放大器增益和頻率響應，單位增益設為150 Hz，高低3 dB的滾降點設為15 kHz;C5為直流阻斷電容，連接外部揚聲放大器用來驅動揚聲器工作;晶振X1為4.096 MHz有源晶振，用來產(chǎn)生芯片工作時所需時鐘頻率;VDD和VBIAS分別與去耦電容C6和C7連接來獲得良好的噪聲性能。

2.2 處理器模塊設計

本設計從節(jié)點的應用需求、性能指標和成本三個方面來確定處理器的選型。在比較分析免費提供ZigBee協(xié)議棧的MSP430C+C1100/CC2420/CC2520方案和CC2430/CC2530、JN5121/JN513x、Ember+EmberZNet2.0方案后，選擇TI公司的CC2530芯片作為語音偵聽節(jié)點的處理器模塊。CC2530集成了微處理器、存儲器和射頻模塊，具有集成度高、功耗低、體積小、成本低和接口豐富的特點，完全能夠滿足語音偵聽節(jié)點在數(shù)據(jù)采集、存儲、預處理與無線傳輸時對處理器的要求。

CC2530集成了多種特色功能模塊，只需要極少的外部元件就可完成節(jié)點的控制、數(shù)據(jù)的處理及無線傳輸，其外圍電路如圖3所示。在射頻電路中，天線使用單極子不平衡天線。輸入/輸出匹配網(wǎng)絡由分立電感、電容(C252、L252、C262、L261)組成，它能夠優(yōu)化天線的性能，減小在射頻電路連接時造成的頻率漂移，能夠匹配阻抗為50 Ω的天線，達到芯片的最優(yōu)性能。

選用兩個晶振來保證CC2530無線發(fā)射/接收電路正常工作，主時鐘晶振采用32 MHz無源晶振，由XTAL1及電容C221和C231組成;32 kHz時鐘晶振由XTAL2及電容C321和C331組成。為提高芯片工作的穩(wěn)定性，輸入電壓應采用3.3 V穩(wěn)壓電源，接內(nèi)部參考電壓的外圍電阻R301的精度要在0.5%以上，且在電源處加入去耦電容。

2.3 電源模塊設計

由于CMX649芯片的工作電壓在2.7～5.5 V;CC2530的工作電壓為2.0～3.6 V，典型值為3.3 V。為簡化電源模塊設計、減小節(jié)點體積，根據(jù)電壓一致性原則，將該節(jié)點的供電電壓定為3.3 V。結合本節(jié)點需求，最終選取容量220mA、電壓3.6 V的鋰電池完成供電。為使節(jié)點正常工作，需要通過電源轉換電路來實現(xiàn)3.6 V到3.3 V電壓的轉換。

在比較分析3.3 V電源管理芯片TPS76933、AS1117和TPS780330220的轉換效率和轉換精度后，選用TPS780330220來實現(xiàn)3.6～3.3 V電壓的轉換。TPS780330220的最大驅動電流為150 mA，可以滿足CC2530工作的需要，轉換效率高，有利于延長節(jié)點工作時間。它的輸出電壓噪聲非常低，信噪抑制比高，對于較易受到干擾的語音信號而言，能夠減少背景噪聲的干擾、提高語音信息采集的精度，具體電路如圖4所示。

3 節(jié)點軟件設計

根據(jù)需求分析，節(jié)點加電后開始工作，首先完成對CMX649和CC2530的初始化。而后依據(jù)能否檢測到語音信號來判斷編碼模塊和傳輸模塊是被喚醒進入偵聽狀態(tài)，還是繼續(xù)停留在休眠狀態(tài)。若進入偵聽狀態(tài)，則啟動采樣，待完成模數(shù)轉換、語音編碼后，調(diào)用發(fā)送子程序發(fā)送數(shù)據(jù)。此時，根據(jù)在一定時間范圍內(nèi)能否連續(xù)檢測到語音信號判斷偵聽是否結束。如果連續(xù)檢測到語音信號，則偵聽沒有結束，繼續(xù)進行采樣、編碼處理和發(fā)送;反之，判斷偵聽結束，節(jié)點的編碼傳輸模塊進入到休眠狀態(tài)，語音激活檢測部分周期性工作，等待下一次檢測到語音信號。節(jié)點軟件流程如圖5所示。