介紹了射頻收發(fā)芯片nRF24E1的性能特點，闡述了基于此芯片的無線同聲傳譯系統的系統結構，分析了語音發(fā)送和接收的工作原理以及實現本系統所要解決的關鍵問題，最后通過實驗驗證了系統的性能。

前言

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

同聲傳譯系統是在同時使用不同語種的會議場合，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]。

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

本文設計與實現了基于無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統。

1. 無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的特點介紹

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和增強型8051內核的無線收發(fā)模塊。該芯片的通道運算時間小于200μs，數據速率為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級芯片。內部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數轉換器，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，該功能由內部并行口和內部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程，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)、科學和醫(yī)學）頻段2.4～25GHz內實現無線通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調節(jié)器和兩個收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數可通過射頻寄存器方便地編程調節(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，所以功耗相當低^[2]。

2. 同聲傳譯系統的基本結構

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

圖1 整個系統的基本結構框圖

主席單元上有優(yōu)先權按鈕，一般分配給會議主持人或貴賓使用。整個系統的過程控制完全由主席單元來管理和控制。本系統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的控制中心，實現對整個系統的軟硬件（包括代表單元、主席單元、譯音單元和音頻接口設備）進行統一管理和指揮。其主要功能如下：

（1）限制發(fā)言人數；

（2）處理多種語言翻譯通道；

（3）具有發(fā)言申請功能，并可否決或批準代表的發(fā)言申請；

（4）總音量調節(jié)及輸入電平調節(jié)；

（5） 配合視頻切換臺、高速云臺攝像機及視頻控制軟件，可實現攝像機自動跟蹤功能，當代表開啟話筒時，攝像機會立即跟蹤到該話筒。

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議規(guī)定的語種。

主席機、代表機和譯音機之間通過nRF24E1無線收發(fā)芯片實現數據通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：

圖2 利用nRF24E1實現通信的基本框圖

nRF24E1芯片是無線數據采集、收發(fā)部分的核心，通過內嵌的8051單片機內核，控制芯片內的A/D轉換模塊和無線收發(fā)模塊nRF2401，從而實現數據的采集、傳輸和處理等功能。

EEPROM部分是nRF24E1芯片的程序存儲器，其容量為4KB，內部存放系統運行所需的程序。當模塊加電后先將EEPROM中的程序調入芯片的RAM中，然后運行程序。EEPROM通過SPI(串行外設接口)與nRF24E1芯片連接。

nRF24E1芯片內嵌有9通道的10位ADC模塊，可對麥克風送過來的模擬的音頻信號進行A/D轉換。

nRF24E1具有一個可編程控制的PWM輸出。使用時，通過編程可決定PWM工作在６位、７位或８位^[1]。nRF24E1中PWM調制器的最大載波頻率為64KHz，這個頻率更易于數據接收后的過濾。

鍵盤和LCD顯示屏實現系統的人機界面功能。

3. 語音的采集、發(fā)送及接收過程

會議代表的發(fā)言（原語）經麥克風拾音后，通過無線調頻傳輸到譯音單元，然后由翻譯人員譯成各種規(guī)定好的語言，再經無線調頻把譯音送到各個代表單元。

nRF24E1芯片內嵌有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，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進行數據通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個RF數據包含有24個字節(jié)或3ms的音頻采樣信號^[7]。

語音的發(fā)送和接收過程如圖3所示：

在發(fā)送端，ADC模塊對麥克風送過來的模擬音頻信號進行A/D轉換；采集到的數字音頻信號，在不夠一個RF數據包之前，存儲在微控制器8051內開辟的發(fā)送緩沖區(qū)（TxBuf）中；采樣數據滿包后，8051一邊存儲下一個數據包，一邊把已滿的數據包轉移到RF前端去^[7]。

在接收端，當RF前端收到1個有效的數據包，并且微控制器收到1個RF接收中斷的時候，接收到的數據包中的有效數據部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數據部分存儲到8051內的接收緩沖區(qū)（RxBuf）；存在接收緩沖區(qū)的語音信號以PWM信號的形式輸出；PWM輸出通過8位PWM引擎來驅動，不需要微控制器分擔處理任務^[7]；最后語音信號被送到揚聲器。

圖3 語音的采集、發(fā)送和接收

4. 系統實現的關鍵技術

4.1 單通道收發(fā)模式和雙通道接收模式的切換

同聲傳譯系統的各個設備之間主要進行的是語音信號的通信。原語通過無線調頻發(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。所以實現各個設備之間的語音信號通信是最基本的要求。通過nRF24E1芯片中的nRF2401無線收發(fā)模塊即可實現各個設備之間的譯音通信。此時，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無線收發(fā)模塊通過一個通道來發(fā)送并接收數據，即工作于單通道模式。

在各個設備進行語音通信的同時，有時還要進行控制信號的通信。比如，代表單元要申請發(fā)言、譯員請求發(fā)言者語速放慢時，需要通過按鍵向主席單元發(fā)出請求信號；主席單元也要根據情況相應給出應答信號。這樣，就會出現各個設備之間語音信號和控制信號同時進行通信的情況。它們分別占用一個通道，這就要求nRF24E1芯片必須工作在ShockBurst雙通道接收模式下。nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz（８個頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數據。這兩個不同數據頻道的數據被分別送到兩套不同的接口