1、单工无线发射接收系统摘 要: 利用无线通信信道的远距离语音传输业务，是近年来发展很快的一门技术。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息。设计中采用了分立元件构成音频无线发射电路。接收机采用第三代立体声放收音机电路 CXA1238 组成的单片收音机，外围元件极少。它在片内完成了混频、中放、鉴频及立体声解码等功能，接收机采用电容分压式滤波器，即可提高镜像抑制比，又可使天线达到最佳匹配，具有动态范围大，调整方便的特点。本设计使用模拟调频技术，在 32MHz 的频段上，实现了线路输入语音信号的小功率远距离单工发送和接收。系统发射功率大约20mW，发射距离大于 5m，本系统可实现无明显失真的
2、语音传输。关键词：单工无线 调频 语音传输 CXA1238 Simplex wireless emissive and Receiving systemAbstract： The remote audio transmission service code through wireless communication channels is a fast developing technology in recent years. As the audio service code is not sensitive to the mistaken code, the frequency mod
3、ulation can be used to send information. The separate components was adopted to consist audio-frequency wireless emissive circuit in the design. The third generation stereo radio circuit CXA1238 which constitutes the single chip radio was used in the receiver, so the peripheral components are very f
4、ew. The function such as frequency mixing, supersonic amplification, frequency discrimination and stereo decoding can be achieved in the chip. The electric filter which was based on the capacitance potentiometer was adopted in the receiver . This kind of filter can both raise the mirror-image repres
5、sion ratio and make the antenna attain its best match. The two characteristics of it are large dynamic and convenient adjustment. The simulating frequency modulation technique was adopted in the design .In the frequency interval of 32MHz,the audio signals can be sent out and received with the small
6、power in a long distance .The emissive power of the system is about 20mW and the emissive distance is more than 5m.There is no obvious distortion in the audio transmission.Keywords: simplex wireless frequency modulation audio transmission CXA123811 绪论随着无线电技术的发展，通讯方式也从传统的有线通讯逐渐转向无线通讯。由于传统的有线传输系统有配线的问
7、题，较不便利，而无线通讯具有成本廉价、建设工程周期短、适应性好、扩展性好、设备维护容易实现等特点，故未来通讯方式将向无线传输系统方向发展。同时，实现系统运行的最小功耗是现代电子系统的普遍取向，也是绿色电子的基本要求。因而，如何通信才能使系统稳定、高效、节能的运行，成为系统开发过程中必须加以考虑的主要内容。传统的无线发射接收系统，存在着电路复杂、灵敏度低、噪声大、不易调谐等缺点。本设计采用载波的瞬时频率随传播信号的变化规律而变化的调制方法，即调频方法。调频要求工作波长极短，但由于它不怕余波干扰，不串台，所以具有极好的接收性能，而且还能播送和接收立体声信号。此外，语音信号采用调频方式与调幅相比，有
8、利于改善输出音频信号的信噪比，以保证语音业务的可靠传输。本设计中采用调频立体声接收机集成芯片优化电路，使得接收灵敏度大为改善，外围元件极少。同时采用锁相环技术，增强锁定频率信号准确度。接收机采用电容分压式滤波器，具有动态范围大，调整方便的特点。2 无线通讯通常，人的说话声、音乐声等各种声音的传播距离是很短的，当人大声喊叫时，能在三十米外听清楚已是不容易了。低频率的电信号实际上不可能以电磁波的形式从天线有效地辐射到空间去，只有当馈送到天线的电流频率足够高，及波长足够短，短到能与天线的尺寸相比拟，才会有足够的电磁能辐射出去。因此，要想不用导线传送信号，只能借助于高频电磁波，由它将低频信号“携带”到
9、空间去。将声频电信号寄载在高频正弦波上（称为调制）利用天线发射成无线电波，用无线电波来载低频电信号，就可以不用导线在空间传播很远。将声频电信号寄载在高频正弦波上，是用声频电信号去控制等幅高频正弦波的某一参数（振幅、频率或初相位）来达到的，即使该参数按声频电信号的规律去变化。当控制的是高频正弦波的幅度时，这种调制称为幅度调制或简称调幅。同样，当被控制的是高频正弦波的频率或初相位时，则分别成为频率调制或相位调制，简称调频或调相。经过调制的高频正弦波称为已调波，或称为无线电信号。由此可见，等幅的高频正弦波实际上起着运载声频信号的运输工具的作用，所以在无线电技术中常称它为载波。载波的频率一般从几百赫兹
10、到几千兆赫兹。一个导体如果载有高频电流，就有电磁能向空间辐射。电磁能是以波的形式向外传播的，称为电磁波。高频率的电流称为载波电流或简称为载波。这种频率称为载波频率或射频。载有载波电流，使电磁能以电磁波形式向空间发射的导体，称为2发射天线。如果我们设法用电报或电话信号控制载波电流，则电磁能中就含有所要发送的电报或电话信息，这就是无线电信号发送的过程。在接收端，首先由接收天线将收到的电磁波还原为与发送端相似的高频电流。然后经过检波，取出原来的电报或电话信号，就完成了无线电通信。对于无线电通信来说传输媒质为自由空间。如果传输媒质为电缆或光纤，就组成了有线载波通信系统，其中传输媒质为光纤的通信系统又称
11、为光纤通信。2.1 无线电的发送从上面的简略叙述可知，要完成无线电通信，首先必须产生高频率的载波电流，然后设法将电报或电话信号“加到”这载波上去。在无线电技术中采用振荡器来产生高频电流。振荡器是无线电发送设备的基本单元。为了发送电报信号，可以加一个电键来控制供给振荡器的直流电源，即得到如图 2-1 所示的无线电报发射机方框图。电源接通时，振荡器发生高频电流 i；电源断开时，振荡器没有高频电流送出。高频电流送至发射天线，转变为电磁波（包含了所要传送的电报信号）发射出去 1。发射i 天线电键 时间（a）方框图 （b）发射电流波形图 2-1 无线电报发射机的基本原理图2.2 无线电的接收无线电信号的
12、接收过程正好和发送过程相反。在接收处，先用接收天线将收到的电磁波转变为已调波电流，然后从已调波中检出原始信号。这一过程正好和发送相反，称为解调（接收调幅信号时，也叫检波。接收角度调制信号时，也叫鉴频或鉴相） 。最后再用听筒或者扬声器（喇叭）将检波取出的音频电流变为声能，人就听到了发射机处发送的语言、音乐等信号。因此，最简单的接收机就是一个检波器。但是，接收天线所收到的电磁波很微弱。为了提高接收机的灵敏度，可在检波器之前加一级至几级高频小信号放大器，然后再检波。检波之后，再经过适当的低振荡器直 流电 源3频放大，最后送到扬声器或耳机中转变为声音。这样就得到如图 2-2 所示的接收机方框图。图 2
13、-2 直接放大式接收机方框图2.3 无线通信距离的计算这里给出自由空间传播时的无线通信距离的计算方法。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。 通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关。下面用公式说明在自由空间下电波传播的损耗。)(lg20)(lg204.3MHzfKmdLos（2.1）是传播损耗，单位为LosdB是距离，单位是dKm是工作频率，单位是f MHz由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率 和传播距f离 有关，当 或 增大一倍时， 将分别增加 6 。dfdL
14、osdB下面举例说明一个工作频率为 433.92 ，发射功率为10 ，接Hzd)10(mW收灵敏度为-105 的系统在自由空间的传播距离。 Bm由发射功率+10 ，接收灵敏度为-105 可得：ddBm= 115 。Los由 、 可计算得出：f4=30.974 公里 。d这是理想状况下的传输距离，实际的应用中可能低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径传播等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为 25 ，可以计算得出通信距离为： dB=1.742 公里 。d2.4 无线电传输优点无线通讯方式与有线通讯相比主
15、要有如下优点： 成本廉价有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而用无线电台建立无线语音传输方式则无须架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下用无线电建立语音传输通道，节省了人力物力，投资是相当节省的。当然在一些近距离的语音通讯系统中，无线的通讯方式并不比有线的方式成本低，但是有时候实际的现场环境难以布线，客户根据现场环境的需要还是会选用无线的方式来实现通讯。 建设工程周期短当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数
16、个月的时间，而用无线发射接收系统建立无线语音传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。 适应性好有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线发射接收系统建立无线语音传输方式将不受这些限制，所以说用无线发射接收系统建立专用无线语音传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。 扩展性好在用户组建好一个通讯网络后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果采用
17、有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线电台建立无线语音传输方式，只需将新增设备与无线电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。 设备维护上更容易实现5有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线发射接收系统建设，则没有线路维护的困难。 2.5 调频波频率调制又称调频（FM） ，是使高频振荡信号的频率按调制信号的规律变化，而振幅保持恒定的一种调制方式。调频波用英文字母 FM 表示。调频信号的解调称为鉴频或频率检波。设调制信号为tUtmcos)(（2.2）载波信号为ttCmCcos)(（2.3）调
18、频时，载波电压振幅度 Ucm 不变，而载波瞬时间频率则随调制信号规律变化，即为)()()( ttKtcfc（2.4）式中 c为载波角频率，又称为调频波中心频率；为比例常数表示载波频率变化随调制信号变化的程度大小。f其值由调频电路决定，单位是弧度/秒伏（rad/sv） ；为瞬时角频率相对于中心频率的频率偏移，简称频偏。最大频)()(tUKtf偏与调制信号的振幅成正比，而与调制信号的频率无关。这是调频波的基本特征。调频后载波瞬时相位也会产生变化，其瞬时相位为 )()()(00 ttdtktdtt cfc（2.5）式中， ct 为未调频时载波相位；dtUKf)(0为调频后，瞬时相位相对于 的相位偏移
19、。tc调频波的数字表示式为)(cos0dttttfFM6（2.6）根据(2.6)式可画出调频波的波形图，如图 2-3 所示。调制信号 载波 调频波图 2-3 调频波的形成由调频波的形成过程及调频波的波形可见调频波（调频信号）的特点是：其频率随调制信号振幅的变化而变化，而它的幅度却始终保持不变。当调制信号的幅度为零时，调频波的频率称为中心频率 0。当用一完整的调制信号（即调制信号的幅度作正负变化）对高频载波进行调频时，调频波的频率就围绕着 0而随调制电压线性地改变。当调制信号向正的方向增大时，调频波的频率就高于中心频率；反之，当调制信号向着负的方向变化时，调频波的频率就低于中心频率。可见，调制信
20、号的幅度越大，频率的偏移也越大，调频波以其频率的变化代表着调制信号的特征 2。3 系统设计3.1 总体设计方案设计要求为：设计一个单工无线发射接收系统,实现无线发射机至接收机间的单工语音传输业务。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息，设计中采用了分立元件构成音频无线发射电路。接收机采用第三代立体声放收音机电路CXA1238 组成单片收音机。CXA1238 是性能优良的收音集成电路，内部有 AM、FM 的高放、混频、中放、检波、鉴频以及 FM 立体声解码、自动频率控制电路等功能，外围元件较少。接收机采用电容分压式滤波器，即可提高镜像抑制比，又可使天线达到最佳匹配，具有动态范围大、调
21、整方便的特点。语音信号采用调频方式与调幅相比，有利于改善输出音频信号的信噪比，以保证语音业务的可靠传输，下表是调幅和调频的优缺点比较。表 3-1 调幅和调频优缺点比较调幅（AM） 调频（FM）优点1.传播距离远，覆盖面大2.电路相对简单1.传送音频频带较宽（100Hz5KHz）适宜于高保真音乐广播2.抗干扰性强，内设限幅器除去幅度干扰3.应用范围广，用于多种信息传递74.可实现立体声广播缺点1.传送音频频带窄（200Hz2500Hz） ，高音缺乏 2.传播中易受干扰，噪声大传播衰减大，覆盖范围小设计要求： 设计发射频率在 32MHz 左右，无线发射机传送信号的输入采用线路输入方式，采用了分立元
22、件构成音频无线发射电路。 设计采用一个接收频率与无线发射机相对应的接收机，接收机采用第三代立体声放收音机电路 CXA1238 组成的单片收音机，用扬声器收听语音信号。 送信号正弦波在 300Hz3400Hz 时，系统发射功率 20mW 左右。 线发射接收机室内通信距离（两设备间的最近距离）不小于 5 米。 线发射接收机收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于 1 米。 系统可实现无明显失真的语音传输。3.2 方案论证与比较3.2.1 音频无线发射电路设计方案论证与选择方案 1：采用单片调频发射集成电路组成芯片 MC2833。它可构成发射高频率信号的功率放大器。电路由音频放大器、可变电抗器、射频
23、振荡器、输出缓冲器以及放大电路构成。由集成芯片 MC2833 组成的调频发射机，先将语音通过话筒变成音频电压信号送给音频放大器进行音频电压放大，此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗的输入端脚 3 去控制可变电抗，而由可变电抗以及电感、晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生调频波经缓冲送给两级二倍频放大器。电路实现基本框图如图 3-1 所示。但由于该芯片涉及到的谐振回路较多，不易统调，因而频率不易控制，导致信号不稳定，容易跑台，实现较为困难。前置放大可变电抗振荡电路缓冲放大二倍频电路放大电路音频输入射频输出图 3-1 MC2833 电路基本框图方案 2：采用集成芯片 BA1404 及相关电路构成
24、。它主要由前置音频放大器，立体声调制器，FM 调制器及射频放大器组成。利用内部参考电压改变变容二极管的电8容值，可实现发射频率的调整。图 3-2 所示为电路框图。此电路可实现立体声调频发射，典型调频频段为 75-108MHz，振荡频率不易调整，尤其是低端频率实现困难，难以实现要求频段的调整。图 3-2 BA1404 电路基本框图方案 3：采用分立元件构成音频无线发射电路。图 3-3 所示为分立元件调频电路框图。利用三极管构成高频振荡器，调节相应的电感和电容的大小，可产生稳定的中心频率，在音频信号的作用下，可产生相应的调频波，再经过缓冲放大和末级功率放大，得到需要的调频信号。相对前两种电路，不仅
25、电路简单，而且调试控制非常灵活，可靠性好，抗干扰能力强，容易实现调频的要求。振荡调制电路音频输入调谐放大功率放大射频输出图 3-3 分立元件调频电路框图综上所述，本设计选择方案 3，即利用分立元件构成音频无线发射电路。3.2.2 音频无线接收电路设计方案论证与比较方案 1：采用芯片 MC3362 。该芯片是美国 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和数据传输的无线接收机。调频接收电路框图如图3-4 所示。MC3362 片内包含振荡电路、混频电路、限幅放大器、积分鉴频器、场强指示驱动及载频检波电路等电路。具有低供电电压、低功耗、灵敏度高等特点，主要应用于语音和数字
26、通讯的接收设备。但是该电路较多用于调频广播接收，在要求的频段内进行调试相对困难。图 3-4 MC3362 调频接收电路框图方案 2：采用集成芯片 CXA1019S。该芯片内部电路包括了 AM/FM 收音机从天线输入经调频高放、本振、混频在由中放、检波、直至调频功放的整个环节。调频接收电路，将调幅输入端 IC 对变频信号公共端短路，拉杆天线经耦合电容到带通滤波器，该滤波器的作用是抑制调频波段以外的信号的干扰。CXA1019S 虽然把调频头电高放FAF本振 1中放 1 中放 2本振 2鉴频 低放右声道输入左声道输入调频电路放大电路射频输出9路集成进去，提高了集成度，但是相对 CXA1238S 增益
27、较低，因而接收灵敏度较低。调频接收电路框图如图 3-5 所示。图 3-5 CXA1019S 调频接收电路框图方案 3：采用集成芯片 CXA1238S。它在片内完成了混频、中放、鉴频及立体声解码等功能，该芯片内部包含 FM 前置放大、立体声解调放大、FM 中频放大及鉴频等环节，尤其是芯片内采用了锁相技术，由于芯片高度的集成化，因而接收机电路外围元件极少、中心稳定，调谐简单、抗干扰性强、电路稳定，调整方便等优点。综上所述，本设计选择方案 3，即采用 CXA1238S 构成的 FM 解调电路。4 单元电路设计4.1 音频无线发射电路的设计本设计中的声音调频发射部分采用常用分立元件构成电路。下面分别从
28、 LC 电路的基本工作原理、正弦波振荡电路的振荡条件和考毕兹振荡器的模型及在设计电路中的应用方面入手对发射单元电路进行分析。4.1.1 LC 电路的基本工作原理 构成一个 LC 振荡器必须具备下列三个条件： 一套振荡回路，包含两个（或两个以上）储能元件。在这两个元件中，当一个释放能量时，另一个就接收能量。释放与接收能量可以往返进行，其频率决定于元件的数值。 一个能量来源，可以补充由振荡回路电阻所产生的能量的损失。在晶体管振荡器中，这能源就是直流电源 Vcc。 一个控制设备，可以使电源功率在正确的时刻补充电路的能量损失，以维持等幅振荡。这是由有源器件（电子管、晶体管或集成块等）和正反馈电路完成的 3。 LC 振荡器起振条件 相位平衡条件： 和 必需为同性质的电抗， 必需为异性质的电抗，且它ceXb cbX们之间满足下列关系：即)(cebXc高放FAF中放本振鉴频 低放 +
