基于nRF24E1的无线同声传译系统的设计与实现

摘要：介绍了射频收发芯片nRF24E1的性能特点，阐述了基于此芯片的无线同声传译系统的系统结构，分析了语音发送和接收的工作原理以及实现本系统所要解决的关键问题，最后通过实验验证了系统的性能。
关键词：同声传译系统   RF   nRF24E1  PWM  8051

0.       前言

随着国际交流与合作的日益频繁，国际性的会议越来越多，来自不同国家和地区的代表用自己熟悉的语言进行发言讨论，这就需要有一套同声传译系统将发言的内容翻译成几种与会代表都能听懂的语言。目前，同声传译系统已成为国际性会议厅的必备设施。

同声传译系统是在同时使用不同语种的会议场合，将发言者的语言（原语）由译员同步翻译（译语），并传递给听众的装置[1]。

同声传译系统按传送方式可分为有线同声传译系统和无线同声传译系统[1]。无线同声传译系统按信号发射方式可分为红外线辐射式、无线感应式和调频发射式。由于调频发射式具有抗干扰能力强、覆盖面积大、成本较低等优点，所以本系统采用了调频发射式。

本文设计与实现了基于无线射频收发芯片nRF24E1的同声传译系统。

1.       无线射频收发芯片nRF24E1的特点介绍

    nRF24E1芯片是北欧集成电路公司NORDIC推出的一款带2.4GHz无线收发器nRF2401和增强型8051内核的无线收发模块。该芯片的通道运算时间小于200μs，数据速率为1Mbps，不需要外接SAW滤波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射频系统级芯片。内部嵌有与8051兼容的微处理器和10位9输入的模/数转换器，可以在1.9V～3.6V之间的电压下稳定工作；另外还嵌有电压调整器和VDD电压监视器。无线收发部分有与nRF2401同样的功能，该功能由内部并行口和内部SPI启动，每一个待发信号对于处理器来讲都可以作为中断进行编程，或者通过GPIO端口传送给微处理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM（工业、科学和医学）频段2.4～25GHz内实现无线通讯。其收发部分包含有分频器、放大器、调节器和两个收发单元，输出能量、频段和其它射频参数可通过射频寄存器方便地编程调节。在发送模式下，电流消耗只有10.5mA；在接收模式下，电流消耗也只有18mA，所以功耗相当低[2]。

2.  同声传译系统的基本结构

如图1所示，整个同声传译系统由主席单元、代表单元、译音单元和其他的一些辅助设备组成[6]：

                             图1   整个系统的基本结构框图

主席单元上有优先权按钮，一般分配给会议主持人或贵宾使用。整个系统的过程控制完全由主席单元来管理和控制。本系统把中央控制单元集成到主席单元上，中央控制单元是本系统的控制中心，实现对整个系统的软硬件（包括代表单元、主席单元、译音单元和音频接口设备）进行统一管理和指挥。其主要功能如下：

（1）       限制发言人数；

（2）       处理多种语言翻译通道；

（3）       具有发言申请功能，并可否决或批准代表的发言申请；

（4）       总音量调节及输入电平调节；

（5）       配合视频切换台、高速云台摄像机及视频控制软件，可实现摄像机自动跟踪功能，当代表开启话筒时，摄像机会立即跟踪到该话筒。

    代表单元用于发言人发言，其上面有申请发言的按钮。

译音单元包括输入、输出及通讯部分，翻译人员使用译音单元把传送过来的原语或译语翻译成会议规定的语种。

主席机、代表机和译音机之间通过nRF24E1无线收发芯片实现数据通信，它们的基本电路都是相似的，如图2所示：

                     图2  利用nRF24E1实现通信的基本框图

nRF24E1芯片是无线数据采集、收发部分的核心，通过内嵌的8051单片机内核，控制芯片内的A/D转换模块和无线收发模块nRF2401，从而实现数据的采集、传输和处理等功能。

    EEPROM部分是nRF24E1芯片的程序存储器，其容量为4KB，内部存放系统运行所需的程序。当模块加电后先将EEPROM中的程序调入芯片的RAM中，然后运行程序。EEPROM通过SPI(串行外设接口)与nRF24E1芯片连接。

    nRF24E1芯片内嵌有9通道的10位ADC模块，可对麦克风送过来的模拟的音频信号进行A/D转换。

nRF24E1具有一个可编程控制的PWM输出。使用时，通过编程可决定PWM工作在６位、７位或８位[1]。nRF24E1中PWM调制器的最大载波频率为64KHz，这个频率更易于数据接收后的过滤。

键盘和LCD显示屏实现系统的人机界面功能。

3.  语音的采集、发送及接收过程

会议代表的发言（原语）经麦克风拾音后，通过无线调频传输到译音单元，然后由翻译人员译成各种规定好的语言，再经无线调频把译音送到各个代表单元。

nRF24E1芯片内嵌有9通道的10位ADC，它的采样频率是8kHz，即每隔125μm采样一次；同时，PWM的输出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之间在进行数据通信之前必须先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每个RF数据包含有24个字节或3ms的音频采样信号[7]。

语音的发送和接收过程如图3所示：

在发送端，ADC模块对麦克风送过来的模拟音频信号进行A/D转换；采集到的数字音频信号，在不够一个RF数据包之前，存储在微控制器8051内开辟的发送缓冲区（TxBuf）中；采样数据满包后，8051一边存储下一个数据包，一边把已满的数据包转移到RF前端去[7]。

在接收端，当RF前端收到1个有效的数据包，并且微控制器收到1个RF接收中断的时候，接收到的数据包中的有效数据部分可用RF前端的FIFO分离出来；然后，把分离出的有效数据部分存储到8051内的接收缓冲区（RxBuf）；存在接收缓冲区的语音信号以PWM信号的形式输出；PWM输出通过8位PWM引擎来驱动，不需要微控制器分担处理任务[7]；最后语音信号被送到扬声器。

 

                    图3  语音的采集、发送和接收

4. 系统实现的关键技术

4.1 单通道收发模式和双通道接收模式的切换

同声传译系统的各个设备之间主要进行的是语音信号的通信。原语通过无线调频发送到代表单元和译音单元；译音单元又把接收到语音信号翻译成规定的语种，再发送到代表单元和其它的译音单元。所以实现各个设备之间的语音信号通信是最基本的要求。通过nRF24E1芯片中的nRF2401无线收发模块即可实现各个设备之间的译音通信。此时，nRF24E1工作在ShockBurst收发模式下。这样，nRF2401无线收发模块通过一个通道来发送并接收数据，即工作于单通道模式。

在各个设备进行语音通信的同时，有时还要进行控制信号的通信。比如，代表单元要申请发言、译员请求发言者语速放慢时，需要通过按键向主席单元发出请求信号；主席单元也要根据情况相应给出应答信号。这样，就会出现各个设备之间语音信号和控制信号同时进行通信的情况。它们分别占用一个通道，这就要求nRF24E1芯片必须工作在ShockBurst双通道接收模式下。nRF24E1通过一个天线，能够接收两个频率相差8MHz（８个频率通道）的1Mbps发射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）发送的数据。这两个不同数据频道的数据被分别送到两套不同的接口——数据频道1为CLK１、DATA和DR１，数据频道２为CLK2、DOUT２和DR2，见图4。

所以，在语音通信时，nRF24E1是工作在ShockBurst单通道收发模式下；在语音信号和控制信号同时进行通信时，nRF24E1工作在ShockBurst双通道接收模式下。这就需要两个模式不断的切换。主要用程序来实现，其程序代码如下：

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

 }

                           图4  nRF2401收发器接口

4.2       提高保密性

无线调频覆盖面比较广，只要有无线接收设备，就能够接收到无线调频信号。现在的无线同声传译系统产品大多是基于红外的，而较少采用无线调频，其中一个的原因就是其保密性不好。

那么，如何提高基于无线调频的同声传译系统的保密性就成了一个非常重要的问题。本系统采用的nRF24E1芯片即可基本解决这个问题。

首先，nRF24E1的工作频率是2.4G~2.5GHz。一般的无线接收设备（如收音机）其工作频段是达不到这个范围的。

其次，可以通过程序实现为每个nRF24E1芯片分配地址，只有被分配了地址的nRF24E1之间才能进行通信。nRF24E1芯片之间传输的是248位的RF数据包，包括8位前缀+32位地址+24字节有用数据+16位CRC，其结构如图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与数据包里面的地址匹配，接收端的nRF24E1才能接收到此数据包；否则，就接收不到。这样，就可以提高系统的保密性，而避免被人窃听。

                 图5      RF数据包结构[4]

5.  结束语

本系统是基于射频收发芯片nRF24E1的同声传译系统。与红外同声传译系统相比，该系统对外部的噪声(如太阳光，日光灯等)具有很强的抗干扰能力；覆盖面大，不再需要其它的辐射器或中继设备；在低功耗的情况下能很好地完成射频信号的收发任务，而且具有良好的保密性能。因此本系统有着良好的发展前景。

本文作者创新点：

1. 本课题是基于调频的无线同声传译系统。当前的无线同声传译系统多是红外同声传译系统产品，而基于调频的无线同声传译系统很少。
2. 当前的同声传译系统结构中，主席机和系统主机是分开的，这样需要额外的系统主机操作员；而本系统把系统主机集成到主席机上，让主持会议的人统一对系统进行管理。

参考文献：

1．陈培合，同声传译系统原理及应用［J］.广播与电视技术，2001，（2）：89-93.
2．张旭辉，徐宏辉，基于nRF24E1与TMC2023的汽车防盗系统的研制与实现［J］，电子技术应用，2004，（11）：61－63.
3．裴 东，王全洲， 用调音台实现同声传译的研究［J］.电声技术，2002，（4）：29-30.
4．Nordic Semiconductor ASA，nRF24E1 2.4 GHz Radio Transceiver with Microcontroller［Z］.2004.6.
5．Nordic VLSI ASA，nRF24E1 wireless hands-free DEMO［Z］.2003.10.
6．讯通科技，无线通信距离的计算［Z］.http://www.freqchina.com/page_9.htm.
7．郑启忠，朱宏辉，耿四军， 系统芯片nRF24E1及其在无绳电话中的应用［J］，单片机与嵌入式系统应用，2004，（6）：47-49.
8. 彭祖林，邓罗根，刘细华，用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现[J] .微机算计信息，2005，（1）：59－61.