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1、长沙通信职业技术学院学报Journal of Changsha Telecommunications第 11 卷第 3 期 2012 年 9 月Vol11 No3and Technology Vocational College Sept2012 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）【摘 要】900M ISM 频段工业干扰小，应用广泛，但模拟收发电路设计与调试困难，尤其是接收装置，二次变频接收可以提高接收灵敏度，减少像频干扰，改善接收效果，使用 PLL 技术获得稳定接收效果，全集成收发设计方案，结构简单，产品可嵌入到无线 话筒、乐
2、器拾音器等设备，电路结构简单，调试方便，应用前景广泛。【关键词】UHF；二次变频；像频；锁相环【doi：10.3969/j.issn.1671-9581.2012.03.007】【中图分类号】TN925.91【文献标识码】A【文章编号】1671-9581(2012)03-0028-06Design of dual conversion receiving wireless voicetransmission systemOUYANG Ming-xing（Electrical Engineering Department, Guangdong Songshan Polytechnic Colle
3、ge, Shaoguan, Guangdong, China 512126）Abstract:The 900M ISM band has little industrial interference and been used widely, but the analog transceiver circuit design anddebugging are difficult, especially in the receiving device. Dual conversion receiver can improve the receiver sensitivity, reduce th
4、e mirror frequency interference and better reception. Using PLL technology can get stable reception with fully integrated transceiver design scheme, simple structure, embedding into the wireless microphone, musical pickup and other equipment, convenient debugging and it has wide application prospect
5、.Keywords: UHF; dual conversion; mirror frequency; PLL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
6、，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12，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，文献介绍的使1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，工作时收稿日期2012-07-11作者简介欧阳明星（1980-），男
7、，湖南郴州人，讲师，研究方向：数字信号处理与智能仪器。2850O第 3 期二次变频接收的无线语音传输系统设计的数据传输率高达 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 P
8、LL 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。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
9、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 编表 1系统主要设计指标程设定任意频率数，工作电压为 3.9V 至 4.5V3。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
10、 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，
11、低压低功耗，能 2.7V-5V 之间工作，典型工作电流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。29调制方式FM 调频频带宽度870M916M调频频偏50k频道间隔200k模拟带宽30hz20K接收灵敏度-115db发射功率6dbm第一接收中频45M第
12、二接收中频455k发射器工作电压1V3.6V频道数150LCD=?K eyA A ba tt ryCPURef.Fr eLPFVCO50jstr ipA MPPoweA mplifier长沙通信职业技术学院学报第 11 卷为 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 0.6V4.4V 的输入电压范围内工作，1.4MHz
13、 的恒定开关频率，所需电感、电容体积小，输出电 压可在 2.5V5V 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。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 4V3，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
14、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、调图 4 高效率 DC-DC 变换电路30( a) ? ? ? ? ? ?( b) ? ? ? ? ? ?第 3 期二次变频接收的无线语音传输系统设计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
15、啸叫。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fL fsfcf mfH( ) f c2 fm2 f Lf s1fc1 f H fm1fs 2( ) Z 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
16、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 870M916M 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
17、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。低，对音频低通滤波电路要求较低3.2 组成框图78。IF 1IF2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31A udioDemodul
18、at ionLP F2CPUVCO1Mixer2VCO 2LPF1Mixer1RFBLP L ANIF1IF2IF2IF1IFIF50 O长沙通信职业技术学院学报第 11 卷 功能。接收的 RF 信号从 SA620 第 3 脚输入，在其内谐。外部 MCU 通过 MB1502 的 9、10、11 引脚配置部经过 11.5db 放大之后从 16 脚送入内部混频器。SA620 的 VCO 频率，并实现对频率的跟踪，使之稳混频器的另一输入信号来自 SA620 的压控振荡器定的锁定在目标频道,频道频率按公式(1)进行设置。(VCO)，二者混频后从 13 脚输出 45M 一中频信号,（1）fc1=(PN+
19、A)fr SA620 与 MB1502 锁相环 （ PLL） 一起完成选频调其中 fr=fosc/R，各参数详见文献10。50 ustripxer1901PDAMP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CPU。 ATmega48 为 RSIC 指令集的高性能处理器，工作电压范围宽（2.7V5V） ， 功耗低，
20、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扰， 发射端 CPU 工作频率不能设置太高，推荐使Strength Indicator）信号，用以指示接收信号强度11。用内置 128K 的晶振， 且采用间歇休眠工作方式 。软件设
21、计发 射机和接收机均选用 ATmega48 作 为 主 控接收端的 CPU 应远离解调电路，蔽。并做好接地和屏4（a） 发射端软件流程图 8（b） 接收机软件流程软件流程32LM38616 SA620/NE62018LANMiVCO11fc1fs313109BFPI F1/45MLPF115MB15028455K1 Crystal14SA615IF2455K1812016Limiter10LC2RSSIMixer294 fc27MPU interfa cer第 3 期二次变频接收的无线语音传输系统设计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，
22、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。3 MC Devices R 美芯集成电路(深圳)有限公司. MCD2008TX/RX UHF FM 接收发射芯片组 300MHz 1GHz 产品规格书V1.5Z. 20104 DALLAS semiconductor,MAX9812data
23、sheetEB/OL. http:/ DALLAS/ MAX9812.html.5 Synchronous Boost DC / DC Regulator KX3001 EB / OL . 6 舒适 56M806M 宽频带 Double-Conversion 混频器设计D. 上海：复旦大学，2004. 3-67 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)：7-108 二 次 变 频 收 音 机 EB/OL. 1097509.htm9 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)：127-13010 Fujitsu Instruments Inc. MB1502datasheet EB/OL. http:/pdf1. TSU/ MB1502.html.11 NXP semiconductor, SA615datasheetEB/OL. http:/pdf1.5.html.【参考文献】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）：279-2812 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)：50-5333
