频率调制的小型无线收发系统的设计与实现

东北大学 计算机科学与工程学院 国家级计算机实验教学示范中心 李松凯 张立立 鲍玉斌

在传统的FM无线通信实验中，作为其核心部件的发射机模块与接收机模块，通常采用分立元件进行设计。随着无线通信技术的快速发展，实验装置的高性能，小型化，便捷化便成为了新的挑战。此时采用分立元件设计发射机与接收机模块的缺点逐渐显露了出来：集成度低，不利于维护；分立元件模块间高度耦合，上手难度较大；装置体积大，便携程度低，不利于同学开展口袋实验等。为此，本文设计了一套基于STM32F103单片机的小型无线收发系统。在信号的前置放大，频率调制与解调，功率放大等部分均采用高集成度的模块化设计，充分涵盖了FM无线通信系统的主要原理。通过使用该系统进行实验，学生能够更加高效的学习其基本原理与基本概念，并且掌握集成模块化电路的设计与调试方法，为后续的相关课程打下基础。

1 系统整体方案分析

小型无线通信收发系统的总体设计如图1所示，主要分为发射部分与接收部分。其中发送部分由信号的前置放大模块，频率调制模块，以及功率放大模块组成；接收部分由功率放大模块，频率解调模块，低通滤波模块，低频功放模块组成；并且设计了一个以单片机最小系统为核心的人机交互控制模块，实现了信息的采集存储功能。

图1 小型无线通信收发机原理框图

本系统设计的无线通信装置所发送的信息主要为音频信号，因此其输入信号频段取为40Hz-15KHz。由于输入的音频信号由话筒等传感器采集而来，信号的幅度比较微弱，因此需要在输入端添加一个增益可调的放大器，在提高输入信号幅度的同时能够实现增益控制，与后级电路相匹配。频率调制是该系统发送部分的核心部件，该模块的作用是将携带信息的调制信号与载波信号进行合成，最终输出用于发射的已调信号。

经过频率调制之后的信号其具备了输入信号所携带的消息内容，但是由于其信号功率较小，无法直接通过天线传输，因此需要经过一级功率放大，使得信号能够通过天线发送出去。同理，接收端的天线也需要连接一个功率放大模块，方便信号的后续处理。

频率解调作为该系统接收部分的核心部件，其主要功能是将天线接收到的信号进行解调，并通过低通滤波器，从中解析出发射端输入信号的波形特征。最后滤波器输出的信号经过一个低频功放，将解调出的信号进行放大，得到一个幅度较为可观信号，并配合单片机最小系统，实现对信号的采集，存储，显示等功能。

2 系统硬件设计方案

通过上述对系统的整体描述，我们已经了解无线通信收发系统的基本结构，可以看出该系统的核心模块为信号的放大、调制与解调。本节内容将对这几部分进行具体分析，并给出较为合适的设计方案。

2.1 前置放大

由于输入的音频信号通常都比较微弱，因此需要一级前置放大对信号进行处理。相比于传统的分立元件放大电路，采用集成芯片设计的电路在稳定性，简便性上都具有一定的优势，因此本模块使用MAX9814来作为前置放大芯片。MAX9814集成了低噪声放大器，增益可控放大器（VGA），以及自动增益控制器（AGC），只需要外接少量元件即可工作，具体电路设计如图2所示。

图2 前置放大电路

图2中，输入信号通过前端麦克风采集经过隔直电容输入到放大器中，通过设置GAIN端的电平来控制电路的增益，TH端用于控制模块的自动增益控制（AGC），输出端即为放大后的信号。

2.2 频率调制

频率调制是该系统发射部分的核心功能。传统的频率调制电路采用分立LC结构，或者晶体振荡器结构。采用分立元件构建的高频电路其实验电路元件数量多，电路相对复杂，并且由于分布参数难以控制，导致实验操作繁琐，对于还处于学习原理阶段的同学们来说较难掌握。因此该部分采用集成芯片的频率调制方案。MAX2606是一款集成度较高的中高频压控振荡器（VCO），其内部集成了变容二极管，电压基准等模块，使得只需要少量外围元器件就能实现功能，具体电路设计如图3所示。

图3 频率调制电路

图3中，前级信号通过由22K的电阻与10K的滑动变阻器RP2组成的衰减网络，该网络的目的是防止前级的增益过大导致调制信号失真。通过在MAX2606的引脚1与引脚2之间设置一个电感就可以用来设置调制电路的中心频率。1K与100K的滑动变阻器用于调整变容二极管末端的偏置电压，从而实现对中心频率的微调。差分输出端通过两个上拉电阻将信号输出至后级电路，结构简单。

2.3 功率放大

在无线通信系统的发送端，为了提高天线的发射功率，需要在天线的前级进行一级功率放大；并且由于信号经过远距离传输，接收端天线所接收到的信号功率消耗较大，信号比较微弱，也需要进行信号放大。功率放大模块采用AD8353集成芯片，该芯片为固定增益块，只需少量的外围元件配合即可工作，并且在中高频频段线性度好，功率足够，是射频领域功率放大方案中较为通用的选择。其具体电路结构如图4所示。

图4 功率放大电路

图4中的功率放大电路为固定增益的20DB大小，采用5V电源供电。并且由于MAX2602的输出阻抗与AD8353的输入阻抗均为50Ω，因此该电路不需要额外的阻抗匹配模块即可使用。

2.4 频率解调

频率解调采用飞利浦公司的TEA5767，该芯片作为单片FM接收机解决方案，内部集成了低噪声射频放大器、混频器、低通滤波器。并且由于其内部集成了IIC总线控制器，使得单片机可以通过总线通信的方式实现频率解调的全部功能设置，简化了电路设计方案，提高了模块的集成度。TEA5767的接收频率范围为87.5MHz-108MHz，具备自动频率校准功能。在本系统中采用将TEA5767进行二次封装的方式进行开发，其最小系统电路图如图5所示。

图5 TEA5767频率解调电路

3 系统软件设计方案

无线通信系统的软件主要是位于系统的接收机部分，主要分为系统初始化、频率解调模块控制。系统上电复位之后，首先进行各个模块的初始化；通过单片机最小系统的按键来确定接收机是采用自动搜台模式还是手动收台模式，具体的控制方法通过IIC总线向TEA5767模块发送相应的控制字来实现；调整至目的频率后，进行信号的接收、解调、滤波等一系列过程，最终实现信号输出。

4 系统调试

系统调试的方法为将各个模块级联，保证每个模块单独工作正常，并通过观测输入输出信号的情况与质量来判断系统的传输质量。

调制信号频率设定为1K，首先将该信号连接至前置放大器，并将前置放大器模块，频率调制模块，功率放大模块依次相连，通过测量每一级模块的输出信号来对该级模块的性能进行测试。在信号输入端分别连接单一频率信号以及音频信号，观察输出信号波形情况与输出音频质量。其接收音频质量测试表如表1所示，可以看出该无线通信系统能够实现目标频段内的信息传输，通信质量良好，基本满足要求。

表1 无线通信系统接收音频情况

结束语：本文设计了一套基于STM32的小功率无线通信系统，并且经过测试最终完成了输入输出信号的还原。该系统在发送端与接收端均采用以集成芯片为核心的模块化设计，提高了系统的集成度与稳定性；在接收端通过单片机编写了相关的软件，并通过IIC总线接口进行控制。该系统可以用于通信电子相关专业的理论验证、实验教学、学生创新项目等，在提高学生的动手能力的同时节省学习时间，提高学习效率，同时为无线通信技术的集成化、小型化、数字化提供一定的参考与支持。