无线语音与数据传输系统

1 无线语音与数据传输系统 【摘要】：系统以 FM 及 FSK方式实现了无线语音与数据传输。整个系统由三部分 组成：发射，接收及数据控制部分。收发双方采用一定的进行跳频通信，有 利于无线传输系统中信息的保密。发射单元采用变容二极管调频，载波的产生使 用锁相频率合成技术，由单片机控制锁相环分频系数，从而实现以不同的频率发 射。接收部分采用 SONY 公司的大规模集成收音专用芯片 CXA1691BM。该芯片具 有混频，高放，调谐指示，中频放大，检波及音频功放等功能。控制部分进行数 据的处理，协议的以实现收发双方频率的同步等等。 【关键词】：FM FSK 协议 跳频 锁相频率合成 频率同步 【Abstract】：The system achieves wireless voice and data transmission by using the FM and FSK modulation method.The entire system consists of three components:transmitter ,receiver and the data controlling part.The trancessiver and receiver achieber frequentcy-hopping communication over a certain protocol,it’s a Confidentiality means to the information communicated wirelessly. The launch unit use Varactor frequency modulation method and have used the PLL frequency synthesizer technology to produce carrier,PLL frequency coefficient pm is controlled by microcomputer ,so that it can achieve the communication witn different frenquency.The receiving part used the Sony’s large-scale integrated chip CXA1691BM.This chip integrate with the mixing ,hing-level ,turning instructions,IF amplification and detection ,and audio power amplifier functions,erc.The third part data controlling system complete date processing and the provisions of the protocol to achieve the frequency synchronization between transmitter and receiver and so on. 【Key Words】:protocol phase-lock demodulator frequency synchronism 2 目 录 1. 设计和论证…………………………………………………………………..3 1.1 调制方式的选择与论证………………………………………………….3 1.2 接收芯片的选择…………………………………………………………..3 1.3 本振电路的选择…………………………………………………………..3 2. 理论分析和参数计算 2.1 总体电路设计…………………………………………………………….4 2.2 锁相频率合成器分频系数的计算………………………………………..5 2.3 环路滤波器的设计……………………………………………………….6 3. 系统测试和结果分析 3.1 测试仪器…………………………………………………………………..7 3.2 测试条件………………………………………………………………….7 3.3 测试方法和结果………………………………………………………….7 3.3.1 发射机频率稳定度测量………………………………………….7 3.3.2 接收机解调出的波形（未经整形放大之前的） ……………..7 3.3.3 接收机解调出的经整形放大后的波形…………………………8 3.3.4 接收端本振能调节的频率范围………………………………….8 4. 分析和总结……………………………………………………………………..8 5. 参考资料………………………………………………………………………..8 6. 附件………………………………………………………………………………9 3 一 、方案设计和论证 1、调制方式的选择与论证 方案一： 采用 AM 调制方式。 AM 调制方式是用调制信号去控制载波的幅度，也就是说信号的特征反映在 幅度上。由于干扰和噪声一般都反映在信号的幅值上，因而 AM 调制的一个最 大的缺点就是抗干扰能力差，噪声大，恢复出的信号失真大。 方案二： 采用 FSK 调制方式。 频移键控（Frequency Shift Keying, FSK），也叫频率调制（Frequency Modulation , FM），它给数字 0 和 1 分别分配一个模拟信号频率。即用数字信号 去调制载波的频率。电路中键控的开与关决定被控状态采用二进制编码（0 或 1）， 因而采用数字调制 FSK 调制十分方便。同时 FSK 调制方式实现起来较容易，抗 噪声与抗衰减的性能较好在中低速数据传输中性能良好。 鉴于以上几点，我们采用了 FSK 调制方式。 2.接收芯片的选择 方案一：采用 MC3361 解调器。 MC3361 是美国 MOTOROLA 公司生产的单片窄带调频接收电路，主要应用 于语音通讯的无线接收机。片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴 频器、滤波器、抑制器、扫描控制器及静噪开关电路。MC3361 的外围电路较简 单，但其灵敏度不够高。 方案二：采用高频模拟锁相环 NE564 实现 FSK 信号解调。 此电路具有外围电路少的优点，但实现频率的锁定较难，且解调效果不 佳。 方案三：采用MC3362接收芯片 MC3362是低功耗双变频FM接收芯片，芯片内部集成有振荡器、混频器、正 交检波器、表头驱动电路、载波检测电路以及第一、第二本地振荡器缓冲输出 和一个用于FSK检波的比较器电路。MC3362最大的好处就是采用了两级混频， 比起单级混频来，电路具有了更好的镜像抑制比。但是由于MC3362的带宽仅为 3KHz，对于语音的接收会产生很大的失真。 方案四：采用索尼公司的 CXA1691 收音芯片，CXA1691 为超大规模 AM/FM 立 体声收音集成芯片，集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体。外围电 路比较简单，而且其带宽大于 75KHz，因而收音效果较佳。 通过比较，选用 CXA1691 接收方式。 3.本振电路的选择 方案一：采用常见的 LC 振荡或晶体振荡器。晶体振荡器稳定度很高，但由于输 入频率变化时改变本振频率需更换晶振，因而不便于应用于多点频率的测量。 LC 振荡虽然可以通过改变电感或电容的值来改变频率，但由于其稳定度低，调 节困难，因而也不宜采用。 方案二：用 D/A 转换或数字电位器产生一定的电压改变晶体管或变容二极管的 结电容，从而改变选频回路和本振的振荡频率。采用这种方案可以实现程控搜索 等功能，但由于 D/A 转换器和数字电位器的位数一般较低，所以难以得到精细 4 的控制电压，再加上变容二极管的非线性，使得控制电位与谐振频率之间一般是 非线性关系，从而使控制电压的产生和载频确定都很困难，同时稳定度较差。 方案三：采用直接数字频率合成器 DDS。DDS 能够产生稳定度很高的振荡信号， 而且可以通过软件进行步进，实现频率的精确跟踪。但是由于 DDS 产生的高频 信号纹波较大，波形很糟，需加滤波器虑除杂波，而滤波器的性能不易做到很好。 方案四:锁相环频率合成方式。采用该方案的优点四频率的稳定度高，与晶体振 荡器的稳定度相当。当压控振荡器参数发生变化时，可自动跟踪捕捉，使频率重 新稳定。通过对可编程分频系数进行预置和步进，可以实现电台的程控搜索，并 且可以准确知道本振或载频的频率。如果采用小数分频，则可在好的环路性能下 实现微小的频率步进。 综合上述比较可知，选用锁相环频率合成法较好。 二、理论分析和参数计算 1.总体电路设计 电路的无线发射部分采用的是锁相频率合成法，通过将频差转换成与其相对 应的直流电平来改变变容二极管的偏压实现频率的改变。锁相环，压控振荡器， 环路滤波器及前置分频器构成一个闭合环路，使输出频率稳定在预期的值上。调 频输出经射极跟随器和功率放大电路后经天线发送出去。 图（1）发射部分系统框图 接收电路采用 CXA1691，本振和输入振荡回路频率相差 10.7MHz，通过 改变变容二极管 BB910 两端的偏压进行频率的微调，调节范围有 6MHz。 拨码控制 单片机控制 数据处理 液晶显示 VD5026 串/并行编码 晶振 参考分频 10KHz 鉴 相 可编程分频 10KHz 集成锁相环 MC145152 误差信号 环路滤波器 压控振荡器 35MHz 匹配网络 反馈 高速分频器 MC12020 5 图（2）接收部分系统框图 2.锁相频率合成器分频系数的计算： 锁相频率合成器是由锁相环 MC145152，压控振荡器 MC1648，环路滤波器及 前置分频器构成的。MC145152 和压控振荡器 MC1648 构成闭环锁相环电路，当 压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等 因素的影响而产生不稳定时，不稳定的信号由 VCO 输出端反馈给 MC145152， 由 MC145152 鉴相后经过环路滤波器产生误差信号输给 VCO，这样经过不断的 反馈，比较，逐渐使频率稳定。 锁相频率合成器分频系数由前置分频器分频系数 P，可编程分频系数 A 和 N 决定。 电路的基准频率为 10.245MHz的晶振，参考分频由 RA2,RA1,RA0三个端控制， 每个端有两种状态，共 8 种状态，如下图所示： RA2(脚 6) 0 0 0 0 1 1 1 1 RA1(脚 5) 0 0 1 1 0 0 1 1 RA0(脚 4) 0 1 0 1 0 1 0 1 R(分频率) 8 64 128 256 512 1024 1160 2048 表（1）MC145152参考分频比 电路中设定 RA2 RA1 RAO =101,即为 1024分频，fr=10.245MHz/1024 = 10.004883KHz 为实现锁相，必须有 fo/（ PN+A）= fr。反过来，由于 fo＝fr×（PN+A），改 变 N 和 A 的值，也能改变 fo，这就是输出频率数字化控制的原理。 ÷A 计数器为 8 位，因此 A 值最大为 63，MC12022 的 P 值为 64。 例如对于 35MHz 的信号，分频比的计算如下： 参考分频 fr=10.245MHz/1024 = 10.004883KHz 匹配网络 收音芯片 CXA1691 FM 高放谐 振回路 FM 本地振 荡回路 FM 中频功 放回路 FM 鉴频回 路 整形放大 VD5027 并/ 串行解码 单片机控 制 相应收/发 切换 数据处理 液晶显示 变容管 电压 6 所需输出频率为 fo ＝ 35MHz fo＝fr×（PN+A） 取 P=64 N + A/P= fo / P*fr = 35MHz / 64*10.004883KHz ≈54.661 故 N=54=（110110） A=（fo/fr）- PN =42=(101010) R=1024 即 RA2 RA1 RAO =101 对 MC12022 来讲，P=64 故 SW=H MC=H 3.环路滤波器的设计 环路滤波采用的是一级有源滤波和一级无源滤波器组合成的滤波电路，环路 滤波器的性能好坏直接影响到整个电路的性能。MC145152 中鉴相器输出的两个 误差信号分别是一个与参考频率同频的方波信号和一个固定电平。有源积分网络 是将方波信号转化为直流，此直流中含有较多交流成分，再用一级无源低通网络 虑除交流分量后加到 VCO 上，由该直流电平作为 VCO 中变容二极管上的偏压， 从而达到控制频率的目的。 同时，调制信号的频谱要处于低通滤波器同频带之外，并且调频指数不能太 大。这样，调制信号不能通过低通滤波器，因而在锁相环路那不能形成交流反馈， 业就是说调制频率对锁相环路无影响。 图（3）环路滤波器 滤波器参数的确定是本滤波器的核心，其中自然谐振角频率 nW ,阻尼系数  是环路滤波器的主要参数。 10/2 2/ )/(2 )( 2 2 1 rn DDd n nd fW VK CWR CNWKKrR      vcovco VfKr  /2 其中 vcovco Vf  / 为单位偏置电压变容管所产生的频率偏移，N 为总分频系 7 数， DDV 为供电电压。 通常取 1 ，设计中取 C＝1uF，则可算出 1R ， 2R 的阻值。 三、系统测试和结果分析 1. 测试仪器： （1）信号源：YB1620P，QF1055A （2）数字示波器：Tektronix TDS1002 （3）高频信号发生器 （4）频率计 （5）高频毫伏表 2. 测试条件： （1）时间：2007 年 8 月 1 日 （2）温度：27。C 3. 测试方法和结果： （1）使用数字示波器测量发射机的频率稳定性及发射波形的失真情况。 观察示波器上的波形，所测频率 rf ： 次数 1 2 3 4 5 6 7 频率 34.99901 34.99721 34.99700 34.99731 34.99608 34.99970 34.99608 表（2） 频率稳定度为：  [（35－34.99901）＋（35－34.99721）＋（35－34.99700）＋（35 －34.99731）＋（35－34.99608）＋（35－34.99970）＋（35－34.99608）] / 7 ≈7.2 510 输出幅值测量： 次数 1 2 3 4 5 6 幅值/mv 746 749 750 748 752 756 表（3） （2）接收机解调出的波形（未经整形放大之前的）： 8 图（4） 输入为正弦波时的信号 图（5） 输入为方波时的信号 图（6） 解调出的声音信号 （3）接收机解调出的经整形放大后的波形： 9 图（7） （4） 接收端本振能调节的频率范围：16MHz~22MHz 因而所能接收到的频率范围为 5.3MHz~11.3MHz 和 26.7MHz~32.7MHz 这两个频段，对应上混频和下混频 四、分析和总结 经过测试，各项指标基本达到要求。 在电路的调试中，一开始尝试了采用了 MC3362 作为接收芯片，用 35MHz 的发射频率作为测试，初始接收时噪声很大，且收到的是 2 次谐波，即 70M 信 号，本振振荡为 59.4M，幅度为 122mv。为接收 35MHz 的信号，必须将本振的 频率降到 24M 活 46M 左右，所以在本地 LC 回路并联了一个电容。第二次并联 一个 24P 的电容，调谐到 46M，噪声仍很大，且奇怪的是必须将示波器的探头 放到 3362 的 VCO 缓冲输出端 17 脚才收到，还有就是在 45.7－35＝10.7M 的点 收不到任何噪声也无任何信号输出。 改并联一个 50P 的电容，总（50＋18＝68P） 不行，频率仍降不下去。而且所收到的音频信号的质量非常不好，这是由 MC3362 的带宽局限性所决定的。 由于上述原因，就淘汰了 MC3362，而改用 CXA1691 做为接收，但由于 1691 仅有一次混频，这必然导致镜相抑制性能变差。 发射部分对频率准确度产生影响还可能是选取的晶振理论值为 10.24MHz，晶 振的分频系数为 1024 倍，而实际上晶振的实际值为 10.245MHz，与理论值还是 存在一定的差距，所以必然对频率的稳定度和准确度有影响。 为了尽量减小干扰，在发射部分采用了敷铜硬制电路板，采用大面积接地的 方法，实验证明这种方法对频率稳定度和抗干扰都有一定作用。 系统实现了良好的语音通信，语音失真度较小，对于数据传输来讲，由于在 传输过程中各种干扰的影响，因而存在一定的失真，为了减小这种由失真带来的 数据传输误码率，在设计中增加了整形放大电路。在使用该电路时应注意，输入 信号的幅度应小于 2V，大于 2V 时波形开始出现失真，且当大于 2.28V 时频率 开始出现翻倍现象。同时也应注意占空比问题，即只有当信号幅度接近 1V 及其 以上的时候才是的占空比为 1：1 的方波，否则占空比不为 1：1，则会对串 口通信产生严重的影响。 10 设计最大的特点就是实现了跳频发射，与现代通信系统靠近，由于通信双方 规定了一系列跳频传输协议，因而具有较强的通信保密性，有很强的实用性。 五、参考资料： 《电子线路设计.实验.测试》 谢自美 主编 华中科技大学出版社 《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程－高频电子线路设计》 高吉祥 主编 电子工业出版社 《高频电路原理与分析》 曾兴雯 刘乃安 陈健 主编 西安电子科技大学出版社 www.21ic.com www.baidu.com www.google.com 附件： Fin 1 GND 2 VCC 3 RA0 4 RA1 5 RA2 6 #R 7 #V 8 MC 9 A5 10 N0 11 N1 12 N2 13 N3 14 N4 15 N5 16 N6 17 N7 18 N8 19 N9 20 A1 21 A2 22 A0 23 A3 24 A4 25 OSCout 26 OSCin 27 LD 28 U4 MC145152 VCC 1 NC 2 OUT 3 NC 4 AGC 5 NC 6 VEE 7 VEE 8 NC 9 BIAS 10 NC 11 TANK 12 NC 13 VCC 14 U2 MC1648 IN 1 VCC 2 WS 3 OUT 4 GND 5 MC 6 NC 7 IN 8 U1 MC12022 Y1 10.245M C6 20P C5 20P R2 270 D1 LED C13 103 VCC R8 3.6K R9 3.6K 3 2 1 8 4 U3A LM358 12V C11 1uF R6 450 R7 450 R5 10K R4 10K R3 50K C10 104 C9 104 C3 103 D2 V149 D3 V149 C7 20P L1 LC8 104 C12 1uF VCCC2 103 VCC C1 103 R1 2K C4 102 R10 50K 12V C14 104 R11 20K C15 104 C16 104 1 J1 CON1 VCC 1 J3 RF VCC VCC VCC VCC VCC 1 2 3 J2 CON3 12V C18 4.7uF C18 101 VCC VCC VCC VCC VCC 11 图（8） 锁相频率合成电路 图（9） 发射部分 PCB 图 12 图（10） 发射部分后级电路 图（11） 发射部分 PCB 图 13 1 2 3 4 A B C D 4321 D C B A Title Number Rev isionSize B Date: 2 -Aug-2007 Sheet o f File: C:\Documen ts and Sett ings \Ivan Lee\桌面\1691new1\1691 .ddbDrawn By: 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9 1 0 1 0 1 1 1 1 1 2 1 2 1 3 1 3 1 4 1 4 CXA1691BM BAND AM FM NC METER GND AGC OUT AF IN RIPPLE Vcc AF OUT GNDSELECT IF IN IF IN IF AFC AGC AFC DET 1 5 1 5 1 6 1 6 1 7 1 7 1 8 1 8 1 9 1 9 2 0 2 0 2 1 2 1 2 2 2 2 2 3 2 3 2 4 2 4 2 5 2 5 2 6 2 6 2 7 2 7 2 8 2 8 AM/FM IF OUT FE GND FM RF IN NC AM RF FM RF REG OUT FM OSC AFC AM OSC VOL NF DISCRI MUTE U1 CXA1691BM C21 220uF C20 0 .1uF C18 470uF C17 10uF C15 1 .0uF C16 0 .022uF C14 10uF C13 4 .7uF C12 10uF CF2 C F 2 RR1 1K C10 0 .01uF L3 电感 L2 电感 C3 0 .1uF C2 0 .1uF C5 10uF C6 0 .01uF C22 0 .1uF CF1 CF1 R3 150 C8 4 .7uF RV2 10K RV1 50K C7 1P R1 100K R6 1K D1 D1 C19 0 .1uF J2 扬声器 CC1 33P VCC 图（12） 接收机电路图 14 图（13） 接收机 PCB 图