CN109561397A - 一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统，包括硬件和软件两部分，硬件部分包括依次连接的语音采集和播放模块、MCU控制模块、本振及同步模块、LoRa射频传输模块、射频功率放大模块、低噪声放大器模块；软件部分包括采集芯片和LoRa射频传输芯片的驱动程序、编码压缩/解码解压缩算法、加密算法、信令产生、时钟同步、实时操作系统RTOS和扩展设备的API接口。语音信号通过语音采集芯片采集转换成数字信号，MCU经过RTOS的控制将数字信号进行编码、压缩、加密后通过LoRa射频基带芯片发送出去，经射频功率放大电路放大后由天线传输出去。本发明传输距离远、安全保密性高、可广泛应用于远距离无线语音对讲和集群通信中。

Description

一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统

技术领域

本发明属于无线传输技术领域，特别涉及一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统。

背景技术

无线对讲机是移动通信中的一个重要分支，其应用十分广泛。无线对讲机和其他无线通信工具的市场定位各不相同，难以相互取代，还将长期使用下去。随着数字通信的快速发展，数字对讲机的发展步伐也在不断加快，但是昂贵的价格限制了其广泛的使用，所以低成本、高性能的数字对讲机的研发很有市场需求。

对讲机最早使用模拟技术的传输方式，模拟对讲机虽然结构简单，但是对频段利用率低、语音信号无法处理，语音质量不高，同时其保密性还存在隐患。2009年12月12日工信部发布666号文件，规定了我们对讲机模拟技术体质转为数字技术体质的时间表，从2011年1月开始进行“模拟转数字”。数字对讲机的出现，使得我国的移动通信系统和设备可以完全实现数字化。其频带利用率高，而且在临界距离内接收语音的因子很好，数字化信号便于进行无差错中继，也便于和其他数据合用一套数字中继系统，利用带宽链接实现更大的覆盖。

虽然数字对讲机有上述优势，但是现在主流的DMR/DOMR标准的对讲机价格较昂贵，研发低成本、高性能的对讲机很有市场需求。LoRa技术主要用于无线传感数据采集应用，其优势是扩频通信技术和前向纠错编码技术，通过将数据码元扩频成扩频数据段，保证了信号的远距离、稳定传输。前向纠错编码技术更能将传输错误的数据位通过纠错算法将数据更正，保证了数据的可靠传输。语音传输相对于无线数据采集，数据传输量较大，通过在LoRa基带芯片后端添加功率放大网络，可以使用功放补偿来弥补扩频通信时对通信信道要求过宽的要求，从而使得上述语音对讲方案既能保证语音信号的传输，同时能利用LoRa技术扩频通信的优势。本发明设计出一款低成本、远距离、安全传输的语音对讲方案。

发明内容

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种远距离无线语音传输系统，该无线语音传输终端具有传输距离远、安全可靠等优势。

一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统，包括硬件和软件两部分，其硬件部分包括依次连接的语音采集和播放模块、MCU控制模块、本振和同步模块、LoRa射频传输模块和射频功率放大模块；其软件部分包括采集芯片和LoRa射频传输芯片的驱动程序、编码压缩/解码解压缩算法、加密算法、信令产生、时钟同步、实时操作系统RTOS和扩展设备的API接口。

本发明研发的LoRa数字对讲模块首先实现对语音信号的采集，然后将采集到的原始语音信号通过ADC转换成数字信号。接着，使用运行在MCU内部的编解码算法将转换成的数字信号进行编码压缩，降低信号容量，以便减轻射频通路的传输负担，加密数据以使得数据的安全传输。将编码压缩加密后的语音信号通过LoRa基带芯片传输出去，转换成射频信号。最后将射频信号通过射频功率放大电路进行放大，以实现远距离传输。接收端所实现的过程与上述相反。本发明可以使用多个对讲模块形成语音集群通信系统，为保持系统内的时钟同步，语音对讲模块上带有本振和同步模块。系统中一个模块提供信令，其余模块根据信令完成系统时钟同步。

方案主要功能模块如下：

硬件部分：

Ⅰ 采集播放模块

语音信号通过MIC电路采集，使用采集播放芯片对采集语音信号进行放大和ADC变换，然后通过I2S通信接口与MCU连接，并将转换后原始数字信号通过外部中断传输给MCU，以进行后续的处理。

Ⅱ MCU单片机电路及LoRa基带芯片电路

MCU电路是整个系统的控制端，其运行采集播放芯片、LoRa芯片的驱动程序、编解码算法和加密算法，控制整个系统的数据流，并可通过USART串口与外界联系。LoRa基带芯片电路主要是将系统编码后语音码片数字信号转换成射频信号，其可以工作在137~525MHz频段，工作信道可通过按键调节。

Ⅲ 本振和同步电路

TCXO（温补晶振）给LoRa射频芯片和MCU提供精确的时钟信号。电路上的功率放大器模块对晶振的信号输出有一定的影响，为保证信号的精确性，电路上采用TCXO同时给LoRa芯片和MCU提供信号。

Ⅳ 射频功率放大部分

发射端可使用单路或者多路合成，以实现高功率输出；接收端使用低噪声放大器，射频开关的转换由MCU控制。这部分电路主要是对射频信号进行双向放大。

Ⅴ 电源模块

由一个DCDC电源和三个LDO低压差稳压器组成，为模组中所有有源器件提供工作电压和控制电压，并起到稳定工作电压的作用。

软件部分：

Ⅰ 语音采集播放芯片和LoRa芯片驱动程序

通过对语音采集播放芯片和LoRa芯片的寄存器的合理配置，使其工作在合适的工作状态。

Ⅱ RTOS程序、编解码算法和加密算法

为了保证系统的各部分能及时处理，本发明加入了实时操作系统（RTOS）对软件系统中各部分进行合理调度。为降低射频通路负担，使用编码压缩算法降低数字语音信号的冗余度。在语音传输应用中，如果对语音信号的安全性和保密性要求较高，可启动内部的加密算法，对采集后的数字语音信号进行加密处理，在接收端可以对加密的数据进行解密处理。

Ⅲ 信令产生、时钟同步

多个语音对讲模块组成集群通信系统时，系统中一个模块可以负责产生信令，系统中其他模块通过接收到的信令信号，保持系统的同步。

同时本发明的远距离语音传输模块不仅能实现对语音信号的传输，同时可以传输文字信息和低码率的图片。使用外接按键可实现对通信信道的改变，外界的屏幕可实时显示对讲状态。

本发明的优点是：

本发明利用LoRa扩频通信传输语音信号加强了信号的隐蔽性，使用前向纠错编码技术提高了信号传输的可靠性。使用功率放大模块对射频发射接收通路进行功率放大不仅结构简单，同时提高了传输距离。使用RTOS保证了系统的及时性和可靠性，使用加密算法保证了信号传输的安全性。同时在硬件和软件上提供扩展接口，为未来扩展其他模块提供了便利性。本发明较为满足无线语音对远距离和安全隐蔽的传输需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统的硬件结构图；

图2为LoRa语音传输软件流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本发明的目的在于提供一种远距离无线语音传输系统，该系统具有通信安全保密、传输距离远、稳定可靠等优势。

本发明包括硬件和软件两部分。下面结合图对本发明公开的LoRa无线语音对讲终端进行说明。图1描述了本发明的硬件结构，包括依次连接的语音采集和播放模块、MCU控制模块、本振和同步模块、LoRa射频传输模块和射频功率放大模块，MCU控制模块还连接有外接设备。图2描述了本发明软件部分的结构，主要实现对语音信号的采集、编码、压缩、加密和传输处理。

语音采集部分实现对语音信号的采集和转换。由于语音属于模拟信号，需要使用ADC模块将模拟信号转换成数字信号，采集模块可以通过麦克风或者耳机孔的麦克风实现对语音信号的采集，由于通过麦克风采集的语音信号信号强度较低，所以语音采集部分同时实现对采集的语音信号进行信号放大，同时语音采集的信号其干扰信号较多，所以语音采集部分同时实现对语音信号的滤波处理。语音采集部分同时也是DAC部分，实现将处理后的数字信号转换成模拟信号。在转换的过程中需要需要信号放大和滤波处理。语音播放部分可以通过喇叭或者耳机播放。语音采集播放芯片可采用WM8974/WM8978。

MCU主要是用来协调控制各部分，与图1中的语音采集部分和图1中LoRa射频传输部分进行通信，运行RTOS、压缩编码算法、加密算法。由于MCU运行任务较多，所以对性能有一定的要求，MCU选用基于ARM内核的处理器芯片，如STM32系列。语音信号经过ADC转换后的数字信号数据量较大，直接传输LoRa射频传输任务压力较大，所以要将这些原始数据进行压缩编码，压缩编码算法可使用speex，如果对语音的保密性要求较高，可将进行编码压缩后的数据进行加密处理。为了更好的协调各部分，MCU上运行RTOS，将每个任务进行合理配置，设定每个任务不同的优先级。

LoRa射频传输部分主要是将编码压缩后，经过加密处理的语音信号转换成射频信号。LoRa射频传输芯片可选用SX1278，MCU通过SPI接口与SX1278连接，通过SX1278配置其寄存器的参数，如带宽、扩频因子、编码率、发射功率使得SX1278工作在合适的工作状态。配置SX1278发射/接收完成中断，以中断的形式通知MCU，以使得MCU能够迅速处理信息。

LoRa技术主要通过扩频通信传输信息，将一位码元扩频成多位码元信息，使得信号能低于低噪传输，理论上在相同条件下，扩频位宽越宽，数据传输越远，然而数据传输量越小，如果将扩频位调窄，虽然这在一定程度影响了LoRa传输的性能，但是相比传统基于窄带通讯的通信方式也有一定的优势。但直接使用LoRa进行通信传输距离较近，这时可以通过在LoRa后端添加发射、接收通路的功率放大模块，放大射频信号，以实现远距离，宽带的射频传输。发射通路功率放大模块采用YP3236W，为实现超远距离传输，可选用多路合成的方式实现对射频信号进行线性放大。接收通路可采用BF776，以实现低噪声信号放大。

通过在MCU外接文字输入键盘，本发明可进行文字信息的传输。MCU外接按键同时可实现对通信信道的选择，可通过配置SX1278芯片寄存器设置通信信道的数量和带宽。

当本发明的模块多个组成语音集群通信系统时，为保证传输信号的质量，LoRa芯片和MCU可采用TCXO提供基准。为保持系统的同步，系统中一个模块可以负责产生信令，系统中其他模块通过接收到的信令信号，完成系统的同步。通过上面的介绍，可看出本发明比较全面的满足远距离无线语音传输的需求。

本发明上述实现过程中所推荐使用的芯片和算法，并非不可替代，选用相同性能的芯片和算法同样可实现上述功能。任何在此基础上做出的改进的技术都属于本发明的保护范围之内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (12)

1.一种基于LoRa技术的远距离无线语音传输系统，其特征在于：包括硬件和软件两部分，其硬件部分包括依次连接的语音采集和播放模块、MCU控制模块、本振及同步模块、LoRa射频传输模块和射频功率放大模块；其软件部分包括采集芯片和LoRa射频传输芯片的驱动程序、编码压缩/解码解压缩算法、加密算法、信令产生、时钟同步、实时操作系统RTOS和扩展设备的API接口。

2.根据权利要求1所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述语音采集和播放模块实现对语音信号的采集、AD/DA转化、滤波、放大和播放。

3.根据权利要求1所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述MCU控制模块作为整个系统的控制单元，运行RTOS对各种任务进行控制调度，响应外界中断，运行编解码算法和加密算法。

4.根据权利要求3所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述LoRa射频传输模块将数字语音信号转换成射频信号，利用LoRa技术的扩频通信和前向纠错编码技术实现对语音信号的远距离传输。

5.根据权利要求4所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述射频功率放大模块对发射接收通路的LoRa射频信号放大，满足对通信距离的要求。

6.根据权利要求5所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述采集芯片和LoRa射频传输芯片的驱动程序对语音采集芯片和LoRa射频传输芯片的配置，以使其工作在恰当的工作状态。

7.根据权利要求4所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述编码压缩/解码解压缩算法对数字语音信号进行编码压缩和解码解压缩。

8.根据权利要求7所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述加密算法对编码/解码后的数字语音信号进行加密和解码处理，以实现安全保密传输。

9.根据权利要求4所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述LoRa射频传输模块带有本振和同步模块，能够提供精确的本振和同步信号。

10.根据权利要求9所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述的本振和同步模块能够产生信令、以满足系统时钟的同步。

11.根据权利要求1所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述实时操作系统RTOS对各任务进行调度，满足系统对实时性和可靠性的要求。

12.根据权利要求1所述的远距离无线语音传输系统，其特征在于：所述扩展设备的API接口实现未来对外设需要连接其他扩展模块，保证了系统的可扩展性。