基于nRF24E1的無線同聲傳譯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0. 前言

隨著國際交流與合作的日益頻繁，國際性的會(huì)議越來越多，來自不同國家和地區(qū)的代表用自己熟悉的語言進(jìn)行發(fā)言討論，這就需要有一套同聲傳譯系統(tǒng)將發(fā)言的內(nèi)容翻譯成幾種與會(huì)代表都能聽懂的語言。目前，同聲傳譯系統(tǒng)已成為國際性會(huì)議廳的必備設(shè)施。

同聲傳譯系統(tǒng)是在同時(shí)使用不同語種的會(huì)議場(chǎng)合，將發(fā)言者的語言（原語）由譯員同步翻譯（譯語），并傳遞給聽眾的裝置^[1]。

同聲傳譯系統(tǒng)按傳送方式可分為有線同聲傳譯系統(tǒng)和無線同聲傳譯系統(tǒng)^[1]。無線同聲傳譯系統(tǒng)按信號(hào)發(fā)射方式可分為紅外線輻射式、無線感應(yīng)式和調(diào)頻發(fā)射式。由于調(diào)頻發(fā)射式具有抗干擾能力強(qiáng)、覆蓋面積大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統(tǒng)采用了調(diào)頻發(fā)射式。

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統(tǒng)。

1.無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的特點(diǎn)介紹

    nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORDIC推出的一款帶2.4GHz無線收發(fā)器nRF2401和增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊。該芯片的通道運(yùn)算時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，不需要外接SAW濾波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作；另外還嵌有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視器。無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動(dòng)，每一個(gè)待發(fā)信號(hào)對(duì)于處理器來講都可以作為中斷進(jìn)行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段2.4～25GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個(gè)收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，電流消耗也只有18mA，所以功耗相當(dāng)?shù)?SUP>[2]。

2.  同聲傳譯系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，整個(gè)同聲傳譯系統(tǒng)由主席單元、代表單元、譯音單元和其他的一些輔助設(shè)備組成^[6]：



                             圖1   整個(gè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖

主席單元上有優(yōu)先權(quán)按鈕，一般分配給會(huì)議主持人或貴賓使用。整個(gè)系統(tǒng)的過程控制完全由主席單元來管理和控制。本系統(tǒng)把中央控制單元集成到主席單元上，中央控制單元是本系統(tǒng)的控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件（包括代表單元、主席單元、譯音單元和音頻接口設(shè)備）進(jìn)行統(tǒng)一管理和指揮。其主要功能如下：
（1）限制發(fā)言人數(shù)；
（2）處理多種語言翻譯通道；
（3）具有發(fā)言申請(qǐng)功能，并可否決或批準(zhǔn)代表的發(fā)言申請(qǐng)；
（4）總音量調(diào)節(jié)及輸入電平調(diào)節(jié)；
（5）配合視頻切換臺(tái)、高速云臺(tái)攝像機(jī)及視頻控制軟件，可實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)自動(dòng)跟蹤功能，當(dāng)代表開啟話筒時(shí)，攝像機(jī)會(huì)立即跟蹤到該話筒。

    代表單元用于發(fā)言人發(fā)言，其上面有申請(qǐng)發(fā)言的按鈕。

譯音單元包括輸入、輸出及通訊部分，翻譯人員使用譯音單元把傳送過來的原語或譯語翻譯成會(huì)議規(guī)定的語種。

主席機(jī)、代表機(jī)和譯音機(jī)之間通過nRF24E1無線收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：



                     圖2  利用nRF24E1實(shí)現(xiàn)通信的基本框圖

nRF24E1芯片是無線數(shù)據(jù)采集、收發(fā)部分的核心，通過內(nèi)嵌的8051單片機(jī)內(nèi)核，控制芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊和無線收發(fā)模塊nRF2401，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理等功能。

    EEPROM部分是nRF24E1芯片的程序存儲(chǔ)器，其容量為4KB，內(nèi)部存放系統(tǒng)運(yùn)行所需的程序。當(dāng)模塊加電后先將EEPROM中的程序調(diào)入芯片的RAM中，然后運(yùn)行程序。EEPROM通過SPI(串行外設(shè)接口)與nRF24E1芯片連接。

    nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC模塊，可對(duì)麥克風(fēng)送過來的模擬的音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

nRF24E1具有一個(gè)可編程控制的PWM輸出。使用時(shí)，通過編程可決定PWM工作在６位、７位或８位^[1]。nRF24E1中PWM調(diào)制器的最大載波頻率為64KHz，這個(gè)頻率更易于數(shù)據(jù)接收后的過濾。

鍵盤和LCD顯示屏實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)界面功能。

3.  語音的采集、發(fā)送及接收過程

會(huì)議代表的發(fā)言（原語）經(jīng)麥克風(fēng)拾音后，通過無線調(diào)頻傳輸?shù)阶g音單元，然后由翻譯人員譯成各種規(guī)定好的語言，再經(jīng)無線調(diào)頻把譯音送到各個(gè)代表單元。

nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC，它的采樣頻率是8kHz，即每隔125μm采樣一次；同時(shí)，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個(gè)RF數(shù)據(jù)包含有24個(gè)字節(jié)或3ms的音頻采樣信號(hào)^[7]。

語音的發(fā)送和接收過程如圖3所示：

在發(fā)送端，ADC模塊對(duì)麥克風(fēng)送過來的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；采集到的數(shù)字音頻信號(hào)，在不夠一個(gè)RF數(shù)據(jù)包之前，存儲(chǔ)在微控制器8051內(nèi)開辟的發(fā)送緩沖區(qū)（TxBuf）中；采樣數(shù)據(jù)滿包后，8051一邊存儲(chǔ)下一個(gè)數(shù)據(jù)包，一邊把已滿的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到RF前端去^[7]。

在接收端，當(dāng)RF前端收到1個(gè)有效的數(shù)據(jù)包，并且微控制器收到1個(gè)RF接收中斷的時(shí)候，接收到的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)到8051內(nèi)的接收緩沖區(qū)（RxBuf）；存在接收緩沖區(qū)的語音信號(hào)以PWM信號(hào)的形式輸出；PWM輸出通過8位PWM引擎來驅(qū)動(dòng)，不需要微控制器分擔(dān)處理任務(wù)^[7]；最后語音信號(hào)被送到揚(yáng)聲器。

 

                    圖3  語音的采集、發(fā)送和接收

4. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 單通道收發(fā)模式和雙通道接收模式的切換

同聲傳譯系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備之間主要進(jìn)行的是語音信號(hào)的通信。原語通過無線調(diào)頻發(fā)送到代表單元和譯音單元；譯音單元又把接收到語音信號(hào)翻譯成規(guī)定的語種，再發(fā)送到代表單元和其它的譯音單元。所以實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的語音信號(hào)通信是最基本的要求。通過nRF24E1芯片中的nRF2401無線收發(fā)模塊即可實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間的譯音通信。此時(shí)，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無線收發(fā)模塊通過一個(gè)通道來發(fā)送并接收數(shù)據(jù)，即工作于單通道模式。

在各個(gè)設(shè)備進(jìn)行語音通信的同時(shí)，有時(shí)還要進(jìn)行控制信號(hào)的通信。比如，代表單元要申請(qǐng)發(fā)言、譯員請(qǐng)求發(fā)言者語速放慢時(shí)，需要通過按鍵向主席單元發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)；主席單元也要根據(jù)情況相應(yīng)給出應(yīng)答信號(hào)。這樣，就會(huì)出現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間語音信號(hào)和控制信號(hào)同時(shí)進(jìn)行通信的情況。它們分別占用一個(gè)通道，這就要求nRF24E1芯片必須工作在ShockBurst雙通道接收模式下。nRF24E1通過一個(gè)天線，能夠接收兩個(gè)頻率相差8MHz（８?jìng)€(gè)頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數(shù)據(jù)。這兩個(gè)不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口——數(shù)據(jù)頻道1為CLK１、DATA和DR１，數(shù)據(jù)頻道２為CLK2、DOUT２和DR2，見圖4。

所以，在語音通信時(shí)，nRF24E1是工作在ShockBurst單通道收發(fā)模式下；在語音信號(hào)和控制信號(hào)同時(shí)進(jìn)行通信時(shí)，nRF24E1工作在ShockBurst雙通道接收模式下。這就需要兩個(gè)模式不斷的切換。主要用程序來實(shí)現(xiàn)，其程序代碼如下：

if(DR1)                                   

{

SPI_CTRL = 0x02；// Connect SPI to RADIO CH1

    R1xPacket()；      // receive audio packet

  }

if(DR2)                                    

{

   SPI_CTRL = 0x03；// Connect SPI to RADIO CH2

   R2xPacket()；     // receive control packet

 }

                           圖4  nRF2401收發(fā)器接口

4.2 提高保密性

無線調(diào)頻覆蓋面比較廣，只要有無線接收設(shè)備，就能夠接收到無線調(diào)頻信號(hào)?，F(xiàn)在的無線同聲傳譯系統(tǒng)產(chǎn)品大多是基于紅外的，而較少采用無線調(diào)頻，其中一個(gè)的原因就是其保密性不好。

那么，如何提高基于無線調(diào)頻的同聲傳譯系統(tǒng)的保密性就成了一個(gè)非常重要的問題。本系統(tǒng)采用的nRF24E1芯片即可基本解決這個(gè)問題。

首先，nRF24E1的工作頻率是2.4G~2.5GHz。一般的無線接收設(shè)備（如收音機(jī)）其工作頻段是達(dá)不到這個(gè)范圍的。

其次，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)為每個(gè)nRF24E1芯片分配地址，只有被分配了地址的nRF24E1之間才能進(jìn)行通信。nRF24E1芯片之間傳輸?shù)氖?48位的RF數(shù)據(jù)包，包括8位前綴+32位地址+24字節(jié)有用數(shù)據(jù)+16位CRC，其結(jié)構(gòu)如圖5。其中的地址指的是接收端nRF24E1的的地址，只有接收端的接收地址與數(shù)據(jù)包里面的地址匹配，接收端的nRF24E1才能接收到此數(shù)據(jù)包；否則，就接收不到。這樣，就可以提高系統(tǒng)的保密性，而避免被人竊聽。