矿井下低功耗ZigBee语音通信终端设计与性能优化

本文主要探讨了无线自组网语音通信终端的设计，针对矿井下语音通信存在的灵活性不足和成本高昂问题，提出了一种低功耗、低成本且易于使用的手持式解决方案。设计的关键技术包括ZigBee自组网技术的应用，以及针对ZigBee低传输速率特点采用的IMA-ADPCM语音压缩算法。 ZigBee自组网技术在终端设计中扮演了重要角色，它允许终端灵活地构建无线通信网络，通过多跳方式扩展通信范围，解决传统通信方式下的信号覆盖难题。同时，由于ZigBee的传输速率较低，可能会对语音通信质量造成影响。为克服这一挑战，设计者采用了IMA-ADPCM算法对语音进行压缩，确保在保持高通话质量的同时，适应ZigBee的低数据速率需求。 语音终端系统的核心是集成高性能的STM32W108 SoC，它集成了2.4GHz IEEE 802.15.4无线收发器和ZigBee外设，实现了数据交互和ZigBee应用程序管理。终端的工作流程是：声音信号通过麦克风收集，数字化后由CPLD进行压缩或解压缩处理。发送时，数据通过ZigBee外设发送，经过功率放大模块增强信号强度，扩大通信距离。接收端，解压缩后的语音数据驱动语音播放模块输出音频信号。 设计中的语音压缩及解压缩模块采用CPLD构建，包括时钟模块、编码器和解码器、数据存储器以及中央控制单元。控制单元与STM32W108协同工作，编码阶段存储ADPCM码，解码时暂存PCM数据。为了评估算法性能，作者模拟真实通话环境，将普通语音转换为高质量音频文件，然后使用IMA-ADPCM进行编解码处理，对比原始和解码后的语音信号，结果显示平均误码率仅为1.95%，表明该算法在实际应用中具有良好的效果。 本文的无线自组网语音通信终端设计旨在提升矿井下通信的灵活性、降低功耗和成本，通过有效利用ZigBee技术和IMA-ADPCM算法，确保了在低速无线环境中实现高质量的语音通信，对于改善井下通信环境具有重要意义。