二次变频接收的无线语音传输系统设计

欧阳明星

（广东松山职业技术学院电气工程系，广东韶关 512126）

无线模拟语音传输方式具有频域宽、频响好、成本低的特点，在实际应用中占据主流地位，根据其计方案不同有工作于FM广播频段、VHF频段和UHF频段的产品。UHF 900M的ISM频段工业干扰少，使用效果好，但900M的甚高频对模拟电路系统设计是个挑战，系统组成复杂，电路调试困难，产品批量生产时尤为突出。本文介绍一种UHF无线语音传输系统设计方案，采用PLL锁频技术和大规模集成电路实现，电路简单，调试方便，工作可靠。接收机采用二次变频技术，选频性能好，干扰小，应用效果好。

1 方案设计

无线语音传输可以分为模拟传输和数字传输两种方法。工作于VHF频段的模拟无线语音传输系统工业干扰严重，UHF频段工作频率高，故设计、生产周期长。近来数字语音传输技术有所应用[1～2]，使用NRF2401内核的SOC芯片可以在2．4G频段中完成语音信号的数字化传输，文献 [1]介绍的使用8K采样率，8bit量化，指标低，效果不尽人意，难以满足高要求的无线语音传输场合。文献 [2]使用NRF24Z1无线数字耳机专用芯片实现，该芯片为双声道16bit量化，最高采样率为48K，工作时的数据传输率高达1.5Mbps。经实测该方案传输效果可以与CD音质媲美，但过高的波特率影响通信距离，且该芯片输出功率仅为0dbm(1mW)，在无PA（功率放大）、天线匹配正常的前提下，静止通信距离不超过30米，移动通信距离不超过15米，遇障碍物时会发生断话以及“呼呼”的噪声。经过反复论证和实践，本文设计一种基于UHF频段的模拟调频无线语音传输方案，采用频分多址方式（FDMA）组网技术，适用于移动使用的无线话筒，或静止收发的乐器拾音器等装置。发射机采用PLL锁相技术的单芯片实现，工作可靠，接收机采用全集成电路二次变频接收技术，调试简单，工作可靠。系统主要设计指标如表1所示。

表1 系统主要设计指标

2 发射机设计

发射机组成如图1所示，主要由PLL、PA、话筒放大、CPU控制及显示、供电电路等组成。由PLL锁相环提供一个稳定度与精度极高的载波信号，该载波信号被音频信号调制以后输入PA功率放大器进行放大，经天线发射出去。CPU控制PLL设定一个载波频道，可通过键盘切换频道，并在LCD显示器中显示，CPU适时监考系统电池在LCD中显示其剩余电量。

图1 发射端结构图

2.1 单芯片发射机原理

发射机产生发射频带范围所需的载频信号，要求其稳定、精度高，且频率可编程。此外，在低于900M范围内时应避开已知干扰信道。采用PLL锁相环配合VCO振荡器可以产生精度高、稳定性好的载频。由于PLL采用石英晶振作为参考频率，故频率精度高，通过PLL的锁频跟踪功能，载波频率稳定不漂移。

MCD2008是一颗UHF频段的低功耗FM发射芯片组，包含TX和RX芯片各一片，本设计仅用TX发射芯片。MCD2008TX内部集成VCO、64/68预分频器、分频器、参考晶体振荡器、MCU控制串行接口等电路，内置RF功率放大器，在50欧姆的负载下的典型功率为6dBm（4mW），外接电感、变容二极管、低通滤波器即可组成一个完整单芯片调频发射器，工作频率为300MHz-1GHz，通过内部固化的ROM可设定247个固定频道，也可以通过MCU编程设定任意频率数，工作电压为3.9V至4.5V[3]。如图2所示，语音基带调制信号从Audio in输入到VCO的LC槽路，通过变容二极管实现对载频FM调制。外接MCU通过EN、CLK、DAT引脚对MCD2008编程，完成载波频道设置，具体设置详见文献 [3]。

2.2 拾音放大

无论是动圈式话筒还是驻极体话筒，其输出音频信号幅度较微弱，直接进行FM调频会降低系统信噪比，故需将话筒输出的音频信号进行放大。对发射端而言，增加额外电路意味着增大发射电路的消耗电流，缩短电池持续时间，故该放大电路应选择低功耗、低噪声、单低压电源工作的轨到轨运放，如TA75S01F、LMV921M5等。本设计选用MAX9812实现拾音放大。MAX9812是话筒专用放大电路，具有500Khz的频宽，20db的固定增益，低压低功耗，能2.7V-5V之间工作，典型工作电流为 0．23mA，具有 0．015%的极低总谐波失真（THD），并带偏置输出，可直接接驻极体话筒，SO7-6超小体积封装，外接元件少，使用方便，如图3所示[4]。

图2 MCD2008TX原理图

图3 话筒拾音放大

2．3 供电电路

发射器采用2节AA电池供电，其输出电压范围在 1．6V～3．2V。MCD2008 工作电压范围为 3．9～4．3V，典型值为4V[3]，该电压值不适合电压直接供电。设计一个boost DC-DC变换器，

将AA电池输出电压升压并恒定在4V，以同时满足MCD2008、MAX9812以及CPU的供电需求。由于恒压供电，工作中不影响发射器的通信质量与通信距离。要求DC-DC变换器结构简单、调试方便，最为重要的是变换效率要尽可能高。

KX3001是一款同步升压型DC-DC转换器，能在 0．6V～4．4V 的输入电压范围内工作，1．4MHz的恒定开关频率，所需电感、电容体积小，输出电压可在2．5V～5V之间调节，无需外接肖特基二极管，转换效率高达96%，可由单节AA电池（260mA）或 2 节 AA 电池（600mA）供电[5]，如图 4 所示。

图4 高效率DC-DC变换电路

3 二次变频接收设计

3．1 二次变频接收原理

超外差接收是一种理想的接收解调方式[6]，同频干扰、邻频干扰以及像频干扰是超外差接收需要注意的问题，同频干扰几乎无法消除，采用频分多址为每一信道分频固定载波频率，以避免同频干扰，通过设置合理的频道带宽及频道间隔以避免邻频干扰，在毫米波和微波接收中，通常使用双变频消除像频干扰[6]。在图5a所示的一次超外差接收中，B=fh-fl，为输入回路信号带宽，fc本振频率，fs为载频，fm为像频，若该中频选择很低则fm很容易混入输入回路的通频带内，对接收信号形成干扰。如果fm处无信号则只增加白噪声，降低信道信噪比，若该频道被使用则会与接收信号差拍形成啸叫。

图5 二次接收混频消除镜频干扰

在图4b所示的二次变频接收中，只要第一中频IF1选取得足够高，第一像频fm1便远离接收信号fs1，不会落入输入通频带B内。二次变频还将产生第二像频fm2，但由于第二中频IF2由第一中频IF1差频获得，两者均较低，fm2远远低于fL，更不会落入输入频带B内。由于与第二中频混频的是一窄带固定频率，通过低通滤波器或陷波器也能轻松将其滤除。可见，二次变频具有较高的像频干扰抑制能力。此外，二次变频后的第二中频较低，对音频低通滤波电路要求较低[7～8]。

3．2 组成框图

二次变频接收组成原理如图6所示[9]，RF射频信号进入BPF带通滤波，滤除870M～916M以外的干扰信号，经LAN高放后送入第一级混频电路,与第一本振信号混出第一中频。第一本振信号VCO1由可编程PLL锁相环产生，MCU对其编程可以改变本振频率以实现调谐。第一中频在第二混频电路与第二本振信号混频出第二中频。因第一中频频率固定，故第二本振由石英晶振产生高精度和高稳定度的窄带频率，以提高选频特性和接收效果。第二中频输入后面的解调电路解调出音频信号。

图6 二次变频接收机组成图

3．3 硬件电路设计

考虑二次变频接收的复杂程度,为降低接收机设计的复杂度，减少调试工作量,提高调试成功率，应尽量避免使用分立元件。图7所示的接收机主要由SA620、MB1502、SA615等三个芯片完成信号放大、调谐、一次变频、二次变频以及FM鉴相，接收机出来音频信号可以直接驱动扬声器。由SA620芯片实现LAN高频小信号放大、一次混频功能。接收的RF信号从SA620第3脚输入，在其内部经过11．5db放大之后从16脚送入内部混频器。混频器的另一输入信号来自SA620的压控振荡器(VCO)，二者混频后从13脚输出45M一中频信号,SA620与MB1502锁相环（PLL）一起完成选频调谐。外部MCU通过MB1502的9、10、11引脚配置SA620的VCO频率，并实现对频率的跟踪，使之稳定的锁定在目标频道,频道频率按公式(1)进行设置。

其中fr=fosc/R，各参数详见文献[10]。

图7 接收机原理图

SA615内含混频、中频放大、限幅、鉴相等电路，输入中频信号，输出已去解调的音频信号。一中频信号输入SA615芯片的1、2脚，与4脚输入的第二本振信号进行二次变频。第二本振信号由石英晶振产生的稳定且固定的频率，免调试，稳定、效果好。混频后的二中频从18脚输入并进行中频放大，再从14脚输入SA615内部进行限幅和鉴相，9脚输出音频信号。7脚输出RSSI（Received Signal Strength Indicator）信号，用以指示接收信号强度[11]。

4 软件设计

发射机和接收机均选用ATmega48作为主控CPU。ATmega48为RSIC指令集的高性能处理器，工作电压范围宽 （2．7V～5V），功耗低，内部集成128K的陶瓷晶振。发射端CPU完成MCD2008TX编程，设定一个发射载波频率即可，接收机CPU按公式 （1）对MB1502进行编程，设定一个比接收载波高45M的本振以实现选台调谐，如图8所示。需要注意的是，为了节约电量和降低噪声干扰，发射端CPU工作频率不能设置太高，推荐使用内置128K的晶振，且采用间歇休眠工作方式。接收端的CPU应远离解调电路，并做好接地和屏蔽。

图8 软件流程

5 结论

本文介绍的UHF频段无线语音传输系统设计方案，发送端采用单芯片完成调频处理功能，接收端采用二次变频接收技术，由3片集成电路完成全部接收解调工作，整个系统结构简单，电路可靠，分部参数影响小，调试容易，工作可靠。由于采用了PLL锁频技术，且使用石英晶振做二本振，选频特性好，干扰小。接收机带RSSI输出，适用于分集接收的复杂应用场合。本文所介绍的UFH收发方案可用于无线话筒、无线乐器拾音装置，或嵌入到其他应用场合。

[1]马帅，熊建设，徐洪梅，等．基于nRF24E1的无线同声传译系统的设计与实现 [J]．微计算机信息，2007，3（Z）：279-281．

[2]刘成安，孙涛，王银玲．基于nRF24Z1的短距离无线音频传输系统设计[J]．通信技术，2008,41(11)：50-53．

[4]DALLAS semiconductor,MAX9812’datasheet[EB/OL]．http://pdf1．alldatasheet．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]舒适．56M～806M 宽频带Double-Conversion混频器设计[D]．上海：复旦大学，2004．3-6．

[7]吴世杰．二次变频通信系统中的频率配置设计[J]．无线电通信技术，1999，25(6)：7-10．

[8] 二 次 变 频 收 音 机 [EB/OL]．http://baike．baidu．com/view/1097509．htm．

[9]陈兴华，蔡竟业，任 威．单本振二次变频方案浅析[J]．电视技术，2007，47(2)：127-130．

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

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