二次變頻接收的無線語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計

歐陽明星

（廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，廣東韶關(guān) 512126）

無線模擬語音傳輸方式具有頻域?qū)?、頻響好、成本低的特點，在實際應(yīng)用中占據(jù)主流地位，根據(jù)其計方案不同有工作于FM廣播頻段、VHF頻段和UHF頻段的產(chǎn)品。UHF 900M的ISM頻段工業(yè)干擾少，使用效果好，但900M的甚高頻對模擬電路系統(tǒng)設(shè)計是個挑戰(zhàn)，系統(tǒng)組成復(fù)雜，電路調(diào)試困難，產(chǎn)品批量生產(chǎn)時尤為突出。本文介紹一種UHF無線語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，采用PLL鎖頻技術(shù)和大規(guī)模集成電路實現(xiàn)，電路簡單，調(diào)試方便，工作可靠。接收機采用二次變頻技術(shù)，選頻性能好，干擾小，應(yīng)用效果好。

1 方案設(shè)計

無線語音傳輸可以分為模擬傳輸和數(shù)字傳輸兩種方法。工作于VHF頻段的模擬無線語音傳輸系統(tǒng)工業(yè)干擾嚴重，UHF頻段工作頻率高，故設(shè)計、生產(chǎn)周期長。近來數(shù)字語音傳輸技術(shù)有所應(yīng)用[1～2]，使用NRF2401內(nèi)核的SOC芯片可以在2．4G頻段中完成語音信號的數(shù)字化傳輸，文獻 [1]介紹的使用8K采樣率，8bit量化，指標(biāo)低，效果不盡人意，難以滿足高要求的無線語音傳輸場合。文獻 [2]使用NRF24Z1無線數(shù)字耳機專用芯片實現(xiàn)，該芯片為雙聲道16bit量化，最高采樣率為48K，工作時的數(shù)據(jù)傳輸率高達1.5Mbps。經(jīng)實測該方案傳輸效果可以與CD音質(zhì)媲美，但過高的波特率影響通信距離，且該芯片輸出功率僅為0dbm(1mW)，在無PA（功率放大）、天線匹配正常的前提下，靜止通信距離不超過30米，移動通信距離不超過15米，遇障礙物時會發(fā)生斷話以及“呼呼”的噪聲。經(jīng)過反復(fù)論證和實踐，本文設(shè)計一種基于UHF頻段的模擬調(diào)頻無線語音傳輸方案，采用頻分多址方式（FDMA）組網(wǎng)技術(shù)，適用于移動使用的無線話筒，或靜止收發(fā)的樂器拾音器等裝置。發(fā)射機采用PLL鎖相技術(shù)的單芯片實現(xiàn)，工作可靠，接收機采用全集成電路二次變頻接收技術(shù)，調(diào)試簡單，工作可靠。系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)計指標(biāo)

2 發(fā)射機設(shè)計

發(fā)射機組成如圖1所示，主要由PLL、PA、話筒放大、CPU控制及顯示、供電電路等組成。由PLL鎖相環(huán)提供一個穩(wěn)定度與精度極高的載波信號，該載波信號被音頻信號調(diào)制以后輸入PA功率放大器進行放大，經(jīng)天線發(fā)射出去。CPU控制PLL設(shè)定一個載波頻道，可通過鍵盤切換頻道，并在LCD顯示器中顯示，CPU適時監(jiān)考系統(tǒng)電池在LCD中顯示其剩余電量。

圖1 發(fā)射端結(jié)構(gòu)圖

2.1 單芯片發(fā)射機原理

發(fā)射機產(chǎn)生發(fā)射頻帶范圍所需的載頻信號，要求其穩(wěn)定、精度高，且頻率可編程。此外，在低于900M范圍內(nèi)時應(yīng)避開已知干擾信道。采用PLL鎖相環(huán)配合VCO振蕩器可以產(chǎn)生精度高、穩(wěn)定性好的載頻。由于PLL采用石英晶振作為參考頻率，故頻率精度高，通過PLL的鎖頻跟蹤功能，載波頻率穩(wěn)定不漂移。

MCD2008是一顆UHF頻段的低功耗FM發(fā)射芯片組，包含TX和RX芯片各一片，本設(shè)計僅用TX發(fā)射芯片。MCD2008TX內(nèi)部集成VCO、64/68預(yù)分頻器、分頻器、參考晶體振蕩器、MCU控制串行接口等電路，內(nèi)置RF功率放大器，在50歐姆的負載下的典型功率為6dBm（4mW），外接電感、變?nèi)荻O管、低通濾波器即可組成一個完整單芯片調(diào)頻發(fā)射器，工作頻率為300MHz-1GHz，通過內(nèi)部固化的ROM可設(shè)定247個固定頻道，也可以通過MCU編程設(shè)定任意頻率數(shù)，工作電壓為3.9V至4.5V[3]。如圖2所示，語音基帶調(diào)制信號從Audio in輸入到VCO的LC槽路，通過變?nèi)荻O管實現(xiàn)對載頻FM調(diào)制。外接MCU通過EN、CLK、DAT引腳對MCD2008編程，完成載波頻道設(shè)置，具體設(shè)置詳見文獻 [3]。

2.2 拾音放大

無論是動圈式話筒還是駐極體話筒，其輸出音頻信號幅度較微弱，直接進行FM調(diào)頻會降低系統(tǒng)信噪比，故需將話筒輸出的音頻信號進行放大。對發(fā)射端而言，增加額外電路意味著增大發(fā)射電路的消耗電流，縮短電池持續(xù)時間，故該放大電路應(yīng)選擇低功耗、低噪聲、單低壓電源工作的軌到軌運放，如TA75S01F、LMV921M5等。本設(shè)計選用MAX9812實現(xiàn)拾音放大。MAX9812是話筒專用放大電路，具有500Khz的頻寬，20db的固定增益，低壓低功耗，能2.7V-5V之間工作，典型工作電流為 0．23mA，具有 0．015%的極低總諧波失真（THD），并帶偏置輸出，可直接接駐極體話筒，SO7-6超小體積封裝，外接元件少，使用方便，如圖3所示[4]。

圖2 MCD2008TX原理圖

圖3 話筒拾音放大

2．3 供電電路

發(fā)射器采用2節(jié)AA電池供電，其輸出電壓范圍在 1．6V～3．2V。MCD2008 工作電壓范圍為 3．9～4．3V，典型值為4V[3]，該電壓值不適合電壓直接供電。設(shè)計一個boost DC-DC變換器，

將AA電池輸出電壓升壓并恒定在4V，以同時滿足MCD2008、MAX9812以及CPU的供電需求。由于恒壓供電，工作中不影響發(fā)射器的通信質(zhì)量與通信距離。要求DC-DC變換器結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便，最為重要的是變換效率要盡可能高。

KX3001是一款同步升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器，能在 0．6V～4．4V 的輸入電壓范圍內(nèi)工作，1．4MHz的恒定開關(guān)頻率，所需電感、電容體積小，輸出電壓可在2．5V～5V之間調(diào)節(jié)，無需外接肖特基二極管，轉(zhuǎn)換效率高達96%，可由單節(jié)AA電池（260mA）或 2 節(jié) AA 電池（600mA）供電[5]，如圖 4 所示。

圖4 高效率DC-DC變換電路

3 二次變頻接收設(shè)計

3．1 二次變頻接收原理

超外差接收是一種理想的接收解調(diào)方式[6]，同頻干擾、鄰頻干擾以及像頻干擾是超外差接收需要注意的問題，同頻干擾幾乎無法消除，采用頻分多址為每一信道分頻固定載波頻率，以避免同頻干擾，通過設(shè)置合理的頻道帶寬及頻道間隔以避免鄰頻干擾，在毫米波和微波接收中，通常使用雙變頻消除像頻干擾[6]。在圖5a所示的一次超外差接收中，B=fh-fl，為輸入回路信號帶寬，fc本振頻率，fs為載頻，fm為像頻，若該中頻選擇很低則fm很容易混入輸入回路的通頻帶內(nèi)，對接收信號形成干擾。如果fm處無信號則只增加白噪聲，降低信道信噪比，若該頻道被使用則會與接收信號差拍形成嘯叫。

圖5 二次接收混頻消除鏡頻干擾

在圖4b所示的二次變頻接收中，只要第一中頻IF1選取得足夠高，第一像頻fm1便遠離接收信號fs1，不會落入輸入通頻帶B內(nèi)。二次變頻還將產(chǎn)生第二像頻fm2，但由于第二中頻IF2由第一中頻IF1差頻獲得，兩者均較低，fm2遠遠低于fL，更不會落入輸入頻帶B內(nèi)。由于與第二中頻混頻的是一窄帶固定頻率，通過低通濾波器或陷波器也能輕松將其濾除。可見，二次變頻具有較高的像頻干擾抑制能力。此外，二次變頻后的第二中頻較低，對音頻低通濾波電路要求較低[7～8]。

3．2 組成框圖

二次變頻接收組成原理如圖6所示[9]，RF射頻信號進入BPF帶通濾波，濾除870M～916M以外的干擾信號，經(jīng)LAN高放后送入第一級混頻電路,與第一本振信號混出第一中頻。第一本振信號VCO1由可編程PLL鎖相環(huán)產(chǎn)生，MCU對其編程可以改變本振頻率以實現(xiàn)調(diào)諧。第一中頻在第二混頻電路與第二本振信號混頻出第二中頻。因第一中頻頻率固定，故第二本振由石英晶振產(chǎn)生高精度和高穩(wěn)定度的窄帶頻率，以提高選頻特性和接收效果。第二中頻輸入后面的解調(diào)電路解調(diào)出音頻信號。

圖6 二次變頻接收機組成圖

3．3 硬件電路設(shè)計

考慮二次變頻接收的復(fù)雜程度,為降低接收機設(shè)計的復(fù)雜度，減少調(diào)試工作量,提高調(diào)試成功率，應(yīng)盡量避免使用分立元件。圖7所示的接收機主要由SA620、MB1502、SA615等三個芯片完成信號放大、調(diào)諧、一次變頻、二次變頻以及FM鑒相，接收機出來音頻信號可以直接驅(qū)動揚聲器。由SA620芯片實現(xiàn)LAN高頻小信號放大、一次混頻功能。接收的RF信號從SA620第3腳輸入，在其內(nèi)部經(jīng)過11．5db放大之后從16腳送入內(nèi)部混頻器?；祛l器的另一輸入信號來自SA620的壓控振蕩器(VCO)，二者混頻后從13腳輸出45M一中頻信號,SA620與MB1502鎖相環(huán)（PLL）一起完成選頻調(diào)諧。外部MCU通過MB1502的9、10、11引腳配置SA620的VCO頻率，并實現(xiàn)對頻率的跟蹤，使之穩(wěn)定的鎖定在目標(biāo)頻道,頻道頻率按公式(1)進行設(shè)置。

其中fr=fosc/R，各參數(shù)詳見文獻[10]。

圖7 接收機原理圖

SA615內(nèi)含混頻、中頻放大、限幅、鑒相等電路，輸入中頻信號，輸出已去解調(diào)的音頻信號。一中頻信號輸入SA615芯片的1、2腳，與4腳輸入的第二本振信號進行二次變頻。第二本振信號由石英晶振產(chǎn)生的穩(wěn)定且固定的頻率，免調(diào)試，穩(wěn)定、效果好?；祛l后的二中頻從18腳輸入并進行中頻放大，再從14腳輸入SA615內(nèi)部進行限幅和鑒相，9腳輸出音頻信號。7腳輸出RSSI（Received Signal Strength Indicator）信號，用以指示接收信號強度[11]。

4 軟件設(shè)計

發(fā)射機和接收機均選用ATmega48作為主控CPU。ATmega48為RSIC指令集的高性能處理器，工作電壓范圍寬 （2．7V～5V），功耗低，內(nèi)部集成128K的陶瓷晶振。發(fā)射端CPU完成MCD2008TX編程，設(shè)定一個發(fā)射載波頻率即可，接收機CPU按公式 （1）對MB1502進行編程，設(shè)定一個比接收載波高45M的本振以實現(xiàn)選臺調(diào)諧，如圖8所示。需要注意的是，為了節(jié)約電量和降低噪聲干擾，發(fā)射端CPU工作頻率不能設(shè)置太高，推薦使用內(nèi)置128K的晶振，且采用間歇休眠工作方式。接收端的CPU應(yīng)遠離解調(diào)電路，并做好接地和屏蔽。

圖8 軟件流程

5 結(jié)論

本文介紹的UHF頻段無線語音傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案，發(fā)送端采用單芯片完成調(diào)頻處理功能，接收端采用二次變頻接收技術(shù)，由3片集成電路完成全部接收解調(diào)工作，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，電路可靠，分部參數(shù)影響小，調(diào)試容易，工作可靠。由于采用了PLL鎖頻技術(shù)，且使用石英晶振做二本振，選頻特性好，干擾小。接收機帶RSSI輸出，適用于分集接收的復(fù)雜應(yīng)用場合。本文所介紹的UFH收發(fā)方案可用于無線話筒、無線樂器拾音裝置，或嵌入到其他應(yīng)用場合。

[1]馬帥，熊建設(shè)，徐洪梅，等．基于nRF24E1的無線同聲傳譯系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) [J]．微計算機信息，2007，3（Z）：279-281．

[2]劉成安，孫濤，王銀玲．基于nRF24Z1的短距離無線音頻傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J]．通信技術(shù)，2008,41(11)：50-53．

[4]DALLAS semiconductor,MAX9812’datasheet[EB/OL]．http://pdf1．a(chǎn)lldatasheet．com/datasheet-pdf/view/83855/DALLAS/MAX9812．html．

[5]Synchronous Boost DC/DC Regulator KX3001[EB/OL]．http://wenku．baidu．com/view/8f74d7aedd3383c4bb4cd213．html．

[6]舒適．56M～806M 寬頻帶Double-Conversion混頻器設(shè)計[D]．上海：復(fù)旦大學(xué)，2004．3-6．

[7]吳世杰．二次變頻通信系統(tǒng)中的頻率配置設(shè)計[J]．無線電通信技術(shù)，1999，25(6)：7-10．

[8] 二 次 變 頻 收 音 機 [EB/OL]．http://baike．baidu．com/view/1097509．htm．

[9]陳興華，蔡竟業(yè)，任 威．單本振二次變頻方案淺析[J]．電視技術(shù)，2007，47(2)：127-130．

[10]Fujitsu Instruments Inc．MB1502’datasheet[EB/OL]．http://pdf1．a(chǎn)lldatasheet．com/datasheet-pdf/view/61537/FUJI TSU/MB1502．html．

[11]NXP semiconductor,SA615’datasheet[EB/OL]．http://pdf1．a(chǎn)lldatasheet．com/datasheet-pdf/view/18896/PHILIPS/SA61 5．html．