1 前言
無線語音技術從早期的模擬無線語音到目前的數字無線語音技術，經歷了一個比較漫長的過程。隨著無線通信技術的發展，特別是無線射頻收發器成本的逐年下降，數字無線語音通信逐漸成為市場應用主流。最簡單的例子莫過于對講機，目前仍然廣泛使用的是模擬對講機，而高檔的數字對講機正在降低成本，逐漸蠶食模擬對講機的市場。
ZigBee原本定位于小數據量的通信，但是本身250 kb/s的通信速率也是足以滿足基本語音通信的，幾大射頻芯片廠商都有基于ZigBee的語音通信方案，本文將對ZigBee語音通信技術做一些探討。
2 ZigBee語音通信分析
ZigBee傳輸語音數據屬于數字傳輸，數字通信系統在本質上有著一些巨大的優勢：首先是抗干擾能力強。模擬信號在傳輸過程中很難與疊加的噪聲分離，噪聲會隨著信號被傳輸、放大，嚴重影響通信質量。數字通信中的信息是包含在脈沖的有無之中的，只要噪聲絕對值不超過某一門限值，接收端便可判別脈沖的有無，以保證通信的可靠性。其次是遠距離傳輸仍能保證質量。因為數字通信是采用再生中繼方式，能夠消除噪音，再生的數字信號和原來的數字信號一樣，可繼續傳輸下去，這樣通信質量便不受距離的影響，可高質量地進行遠距離通信。此外，它還具有適應各種通信業務要求(如電話、電報、圖像、數據等)，便于實現統一的綜合業務數字網，便于采用大規模集成電路，便于實現加密處理，便于實現通信網的計算機管理等優點。
標準的ZigBee傳輸數據率為250 kb/s，目前廠商支持的傳輸速率可以達到1 Mb/s，更高的傳輸速率意味著更低的接收靈敏度，也意味著更短的通信距離，因此在話音質量要求不高的場合，盡量使用最低可接受最差通話質量，即最低通信流量，以保證通話距離。
在250 kb/s的通信速率下，理論上有25 kB/s的傳輸流量，可以滿足電話質量，即ITU-TG·711標準，8 kHz取樣，8 bit量化，碼率 64 kb/s，而AM廣播采用ITU-TG·722標準，16 kHz取樣，14 bit量化，碼率224 kb/s，標準ZigBee 250 kb/s也是可以滿足的。
無線語音通信因為傳輸的數據量要盡量少，因此通常需要采用語音壓縮算法先將數據進行壓縮，然后再傳輸，接收方按照對應的解壓算法解壓后播放，常見的三種語音編碼解碼算法為：μ-law、a-law、ADPCM。
μ-law算法是一種壓擴算法（companding algorithm），主要用于北美和日本的數字通信系統。與其他壓擴算法一樣，其目的是減少音頻信號的動態范圍。在模擬域中，這可以提高發送過程中的信噪比(SNR)；在數字域中，則可以減少量化誤差（quantization error）（因而提高了信號-量子化噪聲比（SQNR））。反過來，SNR的這些改善又可以減少帶寬和等效SNR。
a-law算法也是一種標準的壓擴算法，被歐洲數字通信系統用來優化/修改數字化模擬信號的動態范圍。
a-law算法以更壞的小信號比例失真(proportional distortion)為代價，提供的動態范圍比μ-law稍微寬一點。
自適應差值脈沖編碼調制（ADPCM）是在差值（或增量）脈沖編碼調制（DPCM）基礎上發展起來的，它主要改變了量化級數，從而可以進一步減小某一特定信噪比所需的帶寬。DPCM將PCM值編碼成當前值和之前值的差。對于音頻，這種編碼方法可以將每次采樣的位數相對PCM減少25%左右。
3 系統構成
ZigBee語音通信系統由音頻ADC芯片采集語音數據，經由I2S總線傳輸到帶語音處理單元的單片機（如ZICM2410芯片）中，經過硬件編解碼單元，進行數據壓縮，可選μ-law、A-law和ADPCM等，然后進入MAC層的FIFO，最后通過PHY層調制成射頻信號發射出去。接收端的結構與發射端相同。
因為采用射頻數據打包的分組傳輸方式，因此可以實現數字全雙工通信，這也是普通模擬對講機不能實現的。系統數據流圖如圖1所示。
為保證語音數據的高速傳輸，語音芯片和CPU最好使用I2S總線，I2S(Inter—IC Sound)總線是飛利浦公司為數字音頻設備之間的音頻數據傳輸而制定的一種總線標準，該總線專責于音頻設備之間的數據傳輸，廣泛應用于各種多媒體系統。它采用了沿獨立的導線傳輸時鐘與數據信號的設計，通過將數據和時鐘信號分離，避免了因時差誘發的失真，為用戶節省了購買抵抗音頻抖動的專業設備的費用。CPU和音頻編解碼芯片的連接如圖2所示。
4 ZigBee語音路由分析
點對點的通信通常距離不遠，在語音通信中更是如此，因為數據量本身已經接近最大帶寬，又考慮到音頻圖像等的傳輸對于細節數據不太敏感，一般不做確認重發機制，所以通信距離甚至只能達到數據通信距離的一半。如果要增加通信距離，則必須增加中繼節點，隨之而來的是音質降低了一半。
以已經實現的一個無線語音中繼系統為例，ZICM2410模塊本身可以實現16 kHz采樣率，8 bit位采樣(單身道)，也就是每秒鐘可以傳輸16 KB的數據，但是為滿足中繼需要，只能降到8 kHz采樣率，時隙上的分析如下。
如圖3所示，16 kHz，8 bit采樣，每4 ms發送一次64 B的語音數據，8 kHz，8 bit采樣，每8 ms發送一次，增加中繼之后，源節點每8 ms發送一次（8 kHz，8 bit），而中繼節點收到數據后，會有一個存儲轉發的過程，大致4 ms，這時，如果通過ZigBee分析儀查看，依然會看到每4 ms一個無線數據包，和之前16 kHz采樣時的時間占用是一樣的。
這樣的時隙下，即使發送機、接收機和中繼器放在一起，也是不會有影響的，因為接收機接收時會有幀序號比對，收到中繼的重復數據包會立即丟掉，一旦離開源節點信號覆蓋范圍，接收節點就只能收到中繼節點的數據了。
如果位置選擇合適，則這種中繼可以延續下去；否則再加一級中繼，會打亂原先系統的時隙。
5 ZigBee語音應用
ZigBee語音傳輸比較合適的是導游解說系統。在同一處旅游景點，可能有不同的導游向不同的游客介紹景觀。如果使用一般的擴音系統，往往會出現導游之間互相比嗓子，或者搶游客的尷尬局面，在一些文化底蘊很濃的場合，這樣鬧哄哄的場面往往會破壞景點本身的意境。
使用ZigBee技術可以非常容易地解決這個問題，如圖1所示的點對點通信，只要發送端設置為廣播模式發送數據，即可在有效通信范圍內，配置不限數目的接聽節點(因為接收節點并不發數據，因此技術上不存在節點限制，只有空間上的體積限制)，而不同導游之間，采用不同的物理頻段(標準ZigBee總共16個)，彼此之間是不會干擾的。
6 小結
ZigBee語音通信目前還在應用的初級階段，在成本上還有些高，對于價格敏感的應用，還不太適用。較為便宜的類ZigBee通信方式(不使用O-QPSK等編碼方式)正在較大規模地應用，這些通信方式，抗干擾性不強(臨道抑制比差，抗WiFi干擾能力弱)，將來ZigBee價格和應用難度降下來之后，必然會取而代之。