B. 應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　本章主要介紹BlueVoice應(yīng)用設(shè)計(jì)的（i）低能耗藍(lán)牙通信（ii）音頻處理。

　　1） 低能耗藍(lán)牙通信

　　按照低能耗藍(lán)牙協(xié)議，通信可以是多點(diǎn)廣播，也可以是點(diǎn)對點(diǎn)連接。BlueVoice應(yīng)用鏈路層使用連接通信模式，在兩個(gè)設(shè)備之間建立永久性的點(diǎn)對點(diǎn)連接，這兩個(gè)設(shè)備扮演兩個(gè)不同的角色：中央設(shè)備和周邊設(shè)備。中央設(shè)備又稱主設(shè)備，支持與周邊設(shè)備（從設(shè)備）相關(guān)的復(fù)雜功能。中央設(shè)備是發(fā)起通信連接，執(zhí)行自適應(yīng)跳頻，數(shù)據(jù)加密，管理通信時(shí)序，定義設(shè)備間數(shù)據(jù)交換方式。該角色分配符合低能耗藍(lán)牙的非對稱設(shè)計(jì)概，為能效要求高的設(shè)備分配更少的工作任務(wù)。電池供電的便攜設(shè)備通常是從設(shè)備，不過，必須說明的是，根據(jù)規(guī)范［1］，每個(gè)設(shè)備在每個(gè)連接事件發(fā)生時(shí)可單獨(dú)發(fā)送數(shù)據(jù)，且角色不在數(shù)據(jù)吞吐量上強(qiáng)加限制或優(yōu)先權(quán)。考慮到半雙工通信情況，BlueVoice應(yīng)用可運(yùn)行在自主的電池供電無線傳感設(shè)備上，且這些設(shè)備配備麥克風(fēng)（和最終標(biāo)量傳感器，如典型物聯(lián)網(wǎng)概念中無處不在的監(jiān)視應(yīng)用）， 因此，角色分配不再與收發(fā)功能有關(guān)。

　　在鏈路層之上，GATT層定義互動設(shè)備的客戶機(jī)和服務(wù)器角色，與前文描述的主設(shè)備和從設(shè)備無關(guān)。服務(wù)器是提供信息的設(shè)備，而客戶機(jī)是請求或接收最新信息的設(shè)備。考慮到單向音頻流是非對稱系統(tǒng)，裝備麥克風(fēng)的設(shè)備是唯一有語音信息的設(shè)備，因此可將其視為通信服務(wù)器，另一個(gè)設(shè)備是客戶機(jī)，向服務(wù)器發(fā)送信息請求，并接收服務(wù)器發(fā)起的含有語音數(shù)據(jù)的更新信息。在雙向通信系統(tǒng)中，語音數(shù)據(jù)是雙向傳輸，架構(gòu)是對稱的，中央設(shè)備和周邊設(shè)備都配備麥克風(fēng)，都可以充當(dāng)服務(wù)器，輸出任何屬性格式的音頻數(shù)據(jù)。同時(shí)，服務(wù)器也能充當(dāng)客戶機(jī)，發(fā)送信息請求，并接受另一個(gè)設(shè)備發(fā)送的更新信息。

　　雙向語音數(shù)據(jù)流是基于服務(wù)器以固定間隔向客戶機(jī)發(fā)送通知，不需要接收設(shè)備發(fā)送請求或回復(fù)信號。從設(shè)備在上電階段進(jìn)入廣播模式，以低頻發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，主設(shè)備進(jìn)入搜索模式，掃描是否有其它設(shè)備存在，反之亦然。收到廣播數(shù)據(jù)包代表主設(shè)備發(fā)現(xiàn)了相關(guān)從設(shè)備，然后，主設(shè)備發(fā)送一個(gè)連接請求。在連接建立過程結(jié)束后，按照所選的通信傳輸方向：中央設(shè)備至周邊設(shè)備或周圍設(shè)備-中央設(shè)備，以固定間隔從服務(wù)器向客戶機(jī)發(fā)送含有音頻數(shù)據(jù)的異步通知數(shù)據(jù)包。圖3所示是 BlueVoice在GATT 層的角色分配。

　　圖3：BlueVoice配置文件角色分配

　　2）音頻處理

　　BlueVoice的音頻處理目的是在根據(jù)應(yīng)用所選的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目標(biāo)音頻采樣。事實(shí)上，對于低功耗要求極其嚴(yán)格但是對音質(zhì)要求不高的應(yīng)用場景，例如，無需人耳聽清楚的自動語音識別服務(wù)輸入音頻，8kHz采樣率可能是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

　　使用自適應(yīng)差分脈沖碼調(diào)制算法壓縮低能耗藍(lán)牙音頻傳輸信號，可使音頻信號適用于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)最大限度縮減射頻傳輸時(shí)間以及功耗。我們使用數(shù)字 MEMS麥克風(fēng)設(shè)計(jì)一個(gè)全數(shù)字解決方案，尺寸和音質(zhì)等特性使其適用于無線傳感器設(shè)備。圖4所示是16 kHz采樣率的完整語音處理鏈。該解決方案首先采集數(shù)字MEMS麥克風(fēng)生成的1 MHz 的1位脈沖密度調(diào)制（PDM）信號，并將其轉(zhuǎn)換成16 kHz 的16位脈沖編碼調(diào)制（PCM）采樣，然后以16000個(gè)采樣/秒的采樣率，再將其壓縮成4位ADPCM采樣信號，并準(zhǔn)備發(fā)送。

　　此外，以較低的頻率發(fā)送邊信息同步數(shù)據(jù)集合，所需帶寬是64 kbps音頻數(shù)據(jù)與300 bps同步信息數(shù)據(jù)之和，總計(jì)64.3 kbps。對于8kHz采樣率，最終ADPCM采樣率是8000個(gè)采樣/秒，導(dǎo)致31.3 kbps帶寬需求，包括邊信息。下面章節(jié)深入介紹上述模塊。

　　圖4：16kHz 配置的BlueVoice數(shù)據(jù)傳輸鏈

　　MEMS麥克風(fēng)的容性傳感器生成的模擬信號經(jīng)放大和高速率采樣后，交由整合量化和噪聲修整操作的內(nèi)部sigma-delta調(diào)制器處理，輸出的數(shù)據(jù)是一個(gè)單一的高采樣率的PDM格式比特，PCM轉(zhuǎn)換是從PDM到無線通道發(fā)送壓縮音頻數(shù)據(jù)的整個(gè)處理鏈的中間環(huán)節(jié)。為了把PDM流轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，需要使用一個(gè)抽取濾波器和兩個(gè)可單獨(dú)配置的濾波器（低通濾波器和高通濾波器。該處理模塊輸出16位PCM格式采樣流。按照所選采樣頻率，采用一個(gè)不同配置的抽取濾波器，以取得16位PCM數(shù)據(jù)采樣。

　　ADPCM編碼模塊壓縮PCM采樣，通過減少數(shù)據(jù)包傳輸量，節(jié)省傳輸帶寬，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一個(gè)用于損耗波形編碼的壓縮算法，其基本原理是根據(jù)上一個(gè)數(shù)值預(yù)測當(dāng)前數(shù)值，只傳輸自適應(yīng)量化步驟量化的實(shí)際值與預(yù)測值的差值。存在諸多可選壓縮標(biāo)準(zhǔn)，卻單單選用ADPCM標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)樗腔诓ㄐ尉幋a方法，與基于聲碼器的復(fù)雜解決方案相比，更適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（通常基于微控制器）。在 BlueVoice應(yīng)用中，每個(gè)16位PCM采樣都壓縮成4位ADPCM數(shù)據(jù)，這樣所需的應(yīng)用傳輸帶寬是32 kbps或64 kbps，至于具體速率取決于采樣頻率，而且兼容低能耗藍(lán)牙流媒體功能。

　　如前文所述，BlueVoice應(yīng)用的總體帶寬實(shí)際需求高于32 kbps或64 kbps的理論值，這是因?yàn)锽lueVoice為提高通信穩(wěn)健性，在通過通道發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms連接間隔，而8 kHz 配置采用25 ms連接間隔。事實(shí)上，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，可提高連接間隔數(shù)值，從而節(jié)省能源。為盡可能地利用每個(gè)數(shù)據(jù)包現(xiàn)有有效載荷，語音數(shù)據(jù)包發(fā)送20個(gè)字節(jié)。

　　因此，在16 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每10 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，而在8 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每20 ms發(fā)送4個(gè)數(shù)據(jù)包，結(jié)果傳輸帶寬分別是64 kbps和32 kbps。發(fā)送器的邊信息發(fā)送頻率較低，每160 ms發(fā)送一個(gè)6字節(jié)的附加包，對應(yīng)16個(gè)或8個(gè)連接間隔。圖5描述了低能耗藍(lán)牙協(xié)議棧上的數(shù)據(jù)分組總體策略。通過音頻特征，每10ms或20 ms連接間隔，發(fā)送4個(gè)語音數(shù)據(jù)包（每包20字節(jié)），而發(fā)送器邊信息的發(fā)送是，通過同步特征，每160ms間隔發(fā)送一個(gè)附加數(shù)據(jù)包。

　　圖5：BlueVoice數(shù)據(jù)分組機(jī)制

　　C. 在實(shí)際硬件上實(shí)現(xiàn)應(yīng)用

　　為了在支持低能耗藍(lán)牙通信的不是十分復(fù)雜的實(shí)際硬件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺上評估BlueVoice的可行性，我們在實(shí)際硬件設(shè)備上實(shí)現(xiàn)了第三章B部分所描述的應(yīng)用軟件的全部功能。所選硬件平臺是意法半導(dǎo)體的STM32 Nucleo L476開發(fā)板［5］，這是一個(gè)基于STM32L476 80 MHz 32位ARM Cortex-M4微控制器的開放式開發(fā)平臺。我們選擇STM32 Nucleo開發(fā)板的原因是，板載微控制器的性能高于普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，同時(shí)還具備很高的靈活性和多功能性。該開發(fā)板配備很多接口和擴(kuò)展排針，插接專用擴(kuò)展板擴(kuò)大板子功能簡單容易，方便設(shè)計(jì)人員研究、開發(fā)和驗(yàn)證新創(chuàng)意。特別值得一提的是，STM32L4微控制器具有市場領(lǐng)先的低功耗特性，其內(nèi)置數(shù)字濾波器配合Sigma-Delta調(diào)制器（DFSDM）外設(shè)，可實(shí)現(xiàn)圖4的PDM至PCM的格式轉(zhuǎn)換，這些特性使其特別適合BlueVoice應(yīng)用。通過在STM32Nucleo開發(fā)板上接插一塊低能耗藍(lán)牙連接板和一塊麥克風(fēng)擴(kuò)展板，BlueVoice中央模塊和周邊模塊可以組成一個(gè)基于 STM32Nucleo的對稱硬件配置，展示一個(gè)半雙工通信通道。低能耗藍(lán)牙連接板基于意法半導(dǎo)體的BlueNRG ［6］，BlueNRG是一個(gè)超低功耗的低能耗藍(lán)牙單模網(wǎng)絡(luò)處理器，兼容藍(lán)牙規(guī)范4.0版，可設(shè)為主設(shè)備和從設(shè)備模式，當(dāng)?shù)湍芎乃{(lán)牙協(xié)議棧啟動時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸最大電流8.2 mA，可降至1.7 uA。附加的麥克風(fēng)擴(kuò)展板用于采集語音信號，基于意法半導(dǎo)體的MP34DT01 ［7］數(shù)字萬向MEMS 麥克風(fēng)，聲學(xué)過載點(diǎn)120 dBSPL， 信噪比63 dB，靈敏度-26 dBFS。MP34DT01采用一個(gè)容式傳感器和一個(gè)內(nèi)置sigma-delta調(diào)制器和噪聲修整機(jī)制的集成電路，提供1-3.25 MHz的PDM輸出。

　　圖6是實(shí)際硬件設(shè)備的框圖：STM32微控制器通過與外設(shè)模塊DMA相連的DFSDM模塊采集麥克風(fēng)的PDM采樣輸出，同時(shí)通過一套專用應(yīng)用程序界面 （API）和串行外設(shè)接口（SPI）與BlueNRG模塊通信，對于中央模塊和周邊模塊，模塊化架構(gòu)是對稱的。框圖中還有一個(gè)USB音頻接口，用于向PC 機(jī)提供重構(gòu)的音頻信號。圖7是硬件設(shè)備的實(shí)際原型。