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1、半双工调频无线对讲机的设计Half duplex Design of a FM Radio学 院：计算机与信息工程学院专 业：通信工程半双工调频无线对讲机的设计摘 要随着现在通信技术的日新月异，各种通信设备层出不穷如电话，手机， 对讲机等。半双工调频无线对讲机更是在日常生活中发挥着重要的作用，半双工对讲 机系统具有使用简单、不受网络限制、通话成本低、适用范围广等优点。它是在鉴频 混频等技术的基础上，利用无线电通信原理研发的一种通信方式本系统的功能在于实现呼叫和通话功能。无线对讲电话的特点是可供小型单位作 内部电话使用，此外由于采用成品无线模块，从而使制作变得很简单，成本也很低。对 讲电话实现了
2、内部的通话，为人们的日常生活带来了极大的方便，值得进一步推广， 有很好的发展前景。电子技术的研究才刚刚开始，随着这项技术的研究逐渐深入，涉 及的研究领域也将更广。希望这项技术的研究能为人们以后的生活、工作带来更大的 便利，为人们提供更为舒适、完美的生活方式。本论文最后对对讲机的现状及发展前 景进行分析。关键词对讲机;半双工;调频Half duplex design of a FM radioAbstract: Now with the advances in communication technology，all kinds of communications equipment emerg
3、e in endlessly, such as telephone, mobile phone, interphone, etc. A half duplex radio have use wireless call system simple, not affected by network restrictions, call low cost, wide application, etc. It is popularly used in frequency mixing technology, on the basis of using radio communication princ
4、iple of a kind of communication research. At present, people on the intercom research has from MoNiHua into digital.The function of this system is to realize call and call functions. The characteristics of wireless talkback telephone is available for small units for internal use, moreover due to the
5、 telephone finished product, thus make make wireless module becomes very simple, the cost is low. Talkback telephone calls, realized the internal for Peoples Daily life has brought great convenience and deserves further promotion, have very good prospects for development. Electronic technology resea
6、rch is just beginning, as the technology research, involving gradually goes deep research realm will be more widely. Hope this technology research for people later life, work bring greater convenience, to provide people with more comfortable and perfect way of life. This paper finally to intercom cu
7、rrent situation and development prospect were analyzed.Key words： Interphone; Half-duplex; Frequercy modulation目录1引言11.1半双工无线调频对讲机的目的和意义21.2半双工无线调频对讲机的应用31.2.1专业对讲机31.2.2民用对讲机31.2.3商用对讲机31.2.4业余对讲机42无线调频原理43系统总体概述及原理53.1工作原理图53.2工作原理54单元模块设计54.1混频64.2鉴频84.2.1乘积型鉴频器94.2.2锁相鉴频104.3集成选频放大器114.4锁相环的构成及工
8、作原理134.4.1锁相环路的基本组成134.4.2锁相环锁相原理144.4.3集成锁相环NE564的介绍154.5音频功率放大电路184.5.1单调谐放大器184.5.2双调谐放大器204.6低通带通滤波器204.7调频224.7. 1变容二极管工作原理225.对讲机的组装与调试255.1发射电路组装255.2接收电路组装265.3调频系统联调261引言古时候的通信方式有蜂火台、飞鸽传书、驿站等等，主要的目地在于传送军事情 报，其传输煤介主要是利用人力和物力来达成。直到“电”问世后，才开始寻找通过 使用电来通信的可能性。经过人们的发展，在这两百年内获得重大进步，尤其是配合电子元件的进步，使复
9、杂、 便利的通信系统得以实现，并成为日常生活中不可缺少的东西。在整个通信技术发展 过程中，有些科学家作出了重要的突破性贡献。例如1864年，马克斯威尔(Maxwell) 导出电磁波理论，证明电磁波的存在，而赫兹1887年经由实验证明电磁波存在，这 些进步使得无线通信变得可能也逐渐成真。另外，贝尔(Bell)于1875年发明电话，使 声音可以直接传递，结合史卓格(Strowger)在1897年发明的自动交换机，使得电话服 务得以顺利成长。由于真空管于1904年问世，促使阿姆斯壮于1918年发明超外差无 线电接收机，开启无线电广阔的应用大门。在1930年前的通信发展主要是属于类比通信的成长。在19
10、30年以后，随着数子通信、 电脑及人造卫星的产生，整体通信技术也朝向数子通信方向来发展，对人类生活的影 响也更为加深。当然，这些进步也都基于电子原件由真空管、电晶体、集成电路 (Integrated Circuit， IC)及超大型集成电路(Very Large Scale Integrated Circuit，VLSI)的长足进步，才能使通信系统更具方便性及操控性。随着电脑技术、 通信技术与娱乐的结合，大家都希望能够更随心所欲地使用科技，无线通信技术便逐 渐获得大家的青睐。大家都希望能够透过无线通信技术，使自己不再局限于有线传输 设备，进而摆脱掉上述的种种羁绊。无线通信技术主要就是利用无线电
11、波取代传统的 传输线路(例如：铜线，双绞线、光纤等，通过适当的技术，我们可以将低频的信息 加在高频的载波之上，这就是我们所谓的调制(Modulation)，而相反地，自高频的 载波中将信息取出的技术，我们把它称之为解调(Demodulation)，而这个可以用来发 射的高频载波，便称之为射频(简称RF)。通过改变载波的波长、振幅、频率，我们 就可以利用载波来表示信息。基本上，各种通信系统的资讯传送过程，以从甲地单向 地传到乙地为例，其流程大约如下：1. 在甲地将要传送的信息，以电的信号表现出来。2. 将此电信号放大、编码或调制后，依据各 种传输煤介特性，将信息传送到乙地。3. 在乙地将电信号收
12、集后，经解码或解调。4. 再依原传送信息性质还原回来，在透过喇叭转换使人能听到。对讲机的电路形式较多，从调制方式上可分为调幅式和调频式；从收/发功能上， 可分为单工式和双工式。单工式对讲机在同一时间内，只能工作在一种状态下，即接 收或者发送状态，而不能同时处于收发状态。单工对讲机工作时，要不停地切换开关 来控制收/发状态，所以使用起来不太方便。而双工式对讲机可以收/发电路并同时工作，使用起来如同普通电话机一样。因 此，应用起来比较方便，但由于双工对讲机电路复杂、造价高、耗电量大等缺点，所 以一般应用较少。而单工式对讲机则由于它造价低、体积小、耗电低等优点，而被大 量应用。目前，市面上常见到的对
13、讲机大多属于单工调频式。单工式对讲机的收/发状态是靠切换供电电源开关的方式来实现收/发转换的。虽然电 路中含有接收和发射电路，由于在同一时间内，只能工作在一种状态下，所以将这种 工作方式称为单工方式。目前，也有些对讲机电路采用半双工工作方式。它的工作原 理是，将话筒收到的音频微弱信号进行电压放大，并将放大后的交流电压经过检波电 压检波整流后，得到一个直流电平信号，用其控制电子开关去切换收发电路工作状态， 完成对讲机的收发转换过程。我们称其为半双工工作方式。半双工对讲机，从电路工 作形式上来讲，仍然属于单工工作方式。严格的讲，半双工对讲机应该属于变形单工 对讲机电路。而全双工对讲机在工作时，发射
14、电路和接收电路是同时工作的。由于发射电路和 接收电路共用一根天线，发射电路输出到 75Q天线上的高频载波电压可能达到 1030V以上。而接收对方发射的高频载波信号往往较为微弱，一般在75Q天线上仅 能感应到微伏级的信号。所以对讲机天线的工作状态，将直接关系到双工对讲机能否 正常工作。为了保证天线信号的正确分配，一般双工对讲机电路均设计有天线双工器。用双 工器来保证天线的分配任务，以保证收/发电路有序地工作。为了防止收/发电路之间的相互干扰，仅靠双工器是不够的，所以一般全双工对 讲机电路中均在接收电路的输入端和发射电路的输出端，分别设计有带通或带阻滤波 器，让所需要的频率顺利通过，并且将其他频率
15、滤除或者阻挡。由于采用了以上多种措施，所以使双工对讲机电路的接收和发射电路可以同时使 用一根天线，而不会产生不必要的干扰。1.1半双工无线调频对讲机的目的和意义对讲机的一系列优点使它广泛应用与团队成员间的联络和指挥调度，以提高沟通 效率和提高处理突发事件的快速反应能力。近来随着对讲机进入民用市场，人们外出 旅游、购物也开始越来越多地使用对讲机。这就要求开发适用于普通大众口味的对讲 机即大众对讲机。大众对讲机不断要求实用还要求适用。这就要求在设计时不但要考 虑对讲机的技术指标而且还要考虑其经济指标及其实用性。目前市场上的对讲机针对 不同的用户和不同的行业，一般可以分为专业无线电对讲机和业余无线电
16、对讲机。这 两种对讲机有不同的性能和参数，各自发挥着不同的功用，适用于不同的场合。专业 无线对讲机的使用者大都是在群体团队的专业业务中使用。因此，专业无线电对讲机 的特点是，功能简单实用。在设计是都留有多种通信接口供用户作二次开发。在长期 工作中，其稳定性、可靠性都较高，工作温度范围较宽，一般都在-30度到+60度。 专业机的工作频率VHP段一部分V高端(148-174MHZ)和V地段(136-160MHZ)。 另有一部分是全段(136-174MHZ)。但在UHF段，部分分U高段(450-470MHZ) 和U地段(400-430MHZ)。专业机的性能、可靠性、稳定性较业余机搞，其价格自 然比业
17、余机要高，有得甚至高出很多。业余机的主要特色是，体积要小巧、功能要齐全。其技术指标，设备稳定性、频 率稳定性、可靠性以及工作环境也相对专业无线电对讲机要差些。其直接结果是业余 机的成本也较低些，以适应个人购买的需要。基本上考虑到调频收音对讲机设计理念 和要求就出来了。1.2半双工无线调频对讲机的应用1.2. 1专业对讲机专业对讲机是在发射功率为4-5W，频率范围在136-174MHZ的对讲机，根据不 同的环境他们的通话距离一般较远可达到2至6公里的范围。操作简单(大多数只有 两个旋钮来控制信道数及电源与音量开关)。它的不足就是体积较大也相对较重，但 是他的防水、抗震、抗摔的性能较好，一般在建筑
18、工程、业务管理、工厂车间、应用 的较多。1.2.2民用对讲机民用对讲机是指发射功率为0.5W不大于1W，频率范围在409MHZ之间的对讲 机，民用对讲机通话距离一般较短。他的体积小巧、色彩多样、价格较低，比较适合 个人出差、旅游，酒楼使用。1.2.3商用对讲机商用对讲机是指发射功率为0.5-4W。频率范围在400-480MHZ的对讲机，这类 对讲机的通话距离在600米至8公里之间。他的外形比较轻巧、美观，通常把它夹在 皮带上系在腰间，戴上耳机就可以工作了。它的价格同专业对讲机一样相对较高，一 般用于商场、超级市场、零售业、工厂、制造业。1.2.4业余对讲机业余对讲机专为满足业余无线电爱好者使用
19、而设计、生产的无线对讲机。这种 对讲机又被称为“玩机”。针对这种业余的个人无线电业务，哥哥国家都开辟了专用 频段分配给业余无线电运动爱好者使用。我国开辟的频率段为144-146MHZ和430MHZ-440MHZ，世界各国一般也都是在这一频段。业余爱好者只需购得自己喜欢 的机型，申请地方电台入网许可证，就可以和其他人通话。2无线调频原理FM调频是将调制信号频谱作非线性变换，因此它被称为非线性调制。又因为 已调信号反映出载波矢量角度上的变化，所有又被称为角调。(1)(2)载波信号：七 （）C 中（）1其中，瞬时相位：65尸甲（这里已假设初始相位。0 = 0）瞬时相位偏移：中0 ）（相对于稳态相位变
20、化wt而言的）瞬时频率：w（t） = d6（t）/dt - w + d甲（t）/dtc瞬时频偏：Aw = d中（t）/dt如果调制信号和瞬时频偏成线性对应关系，即为频率调制（FM调制）:Aw = d中(t) / dt = K m(t)（Kf代表了调相器灵敏度）(4)此时：s (t) = Acosw t + f t K m(T )dT 仍为等幅波现在假设基带信号为：m（t） = cosw t，此时:(5)s (t) TAcosw t gGtK m)d T Acosw t gGt K coswd TAcos w t G sinw tFMcFcF mc w m调频指数（该信号的最大相位偏移）：mf=
21、 Kf /Wm调频的方法有直接调频法和间接调频法：直接调频法：m（t） T调频-匕肱间接调频法：m（t） T积分-调相-匕肱（间接调频仅适用于窄频调制）根据调制后载波瞬时相位偏移的大小，可将频率调制分为宽带调频（WBFM ）与 窄带调频（NBFM）。宽带与窄带调制的区分并无严格的界限，但通常认为由调频所引称为窄带调频。否则，起的最大瞬时相位偏移远小于30时 称为宽带调频。3系统总体概述及原理3.1工作原理图图13.2工作原理发信电路包括：话筒音频放大、调制、缓冲放大、选频、发射功放等部分。收信电路包括：高放、混频、中放，鉴频、低放等部分。发信时，话音经过话筒，将声音信号转换为电信号。然后经过音
22、频放大器将其放 大，再用其进行调频，使载波信号的频率按调制信号规律变化。之后已调信号经过缓 冲放大器，进入选频电路，选出所需要的谐波信号。最后经过高频放大器进行信号放 大后由天线发射出去。收信时，由天线接收所需信号，先经过高频放大，再进行混频，产生中频信号， 中频信号经过中频放大器后，送入鉴频器进行解调，解调出音频信号。音频信号经过 音频功率放大器放大后，获得所需的推动功率推动扬声器发出声响。4单元模块设计本电路既可以用分立元件实现，也可以采用集成电路芯片实现。由于集成电路技 术已经相当成熟，故本人采用集成电路实现本设计方案。本电路大体可分为三部分： 调频发信电路，调频接收电路与音频功率放大电
23、路。4.1混频混频电路又叫变频电路(Mixer,Convertor),是超外差式接收机的重要组成部分。它的作用是将载频为 f的己调信号V匕(t)。通常将vi (t)称为中频信号，(t)不失真地变换为载频为fi的己调信号相 应的f称为中频 频率(IntermediateFrequency,IF),简称中频。cosKt是由本地振荡器产生的本振电压，w广2 、称为本振角频率，它与fI、fc之间的关系为:(6)从频谱的观点来看，混频的作用就是将输入已调信号频谱不失真地从fc搬移到匕 的 位置上。因此，混频电路是一种典型的频谱搬移电路，可以用相乘器和带通滤波器来 实现这种频谱搬移。如图中就是利用乘法器实
24、现调频信号的混频功能的。在高频电子电路中，常常需要将信号自某一频率变成另一个频率。这样不仅能满 足各种无线电设备的需要，而且有利于提高设备的性能。对信号进行变频，是将信号 的各分量移至新的频域，各分量的频率间隔和相对幅度保持不变。进行这种频率变换 时，新频率等于信号原来的频率与某一参考频率之和或差。该参考频率通常称为本机 振荡频率。本机振荡频率可以是由单独的信号源供给，也可以由频率变换电路内部产 生。当本机振荡由单独的信号源供给时，这样的频率变换电路称为混频器。混频器常用的非线性器件有二极管、三极管、场效应管和乘法器。本振用于产生 一个等幅的高频信号vl，并与输入信号vs经混频器后所产生的差频
25、信号经带通滤 波器滤出。本实验采用集成模拟相乘器作混频电路实验。圈1因为模拟相乘器的输出频率包含有两个输入频率之差或和，故模拟相乘器加滤波 器，滤波器滤除不需要的分量，取和频或者差频二者之一，即构成混频器。柏乘混颇方惬圈 图2相对振幅本机撮蔑高频调幅诚10CUg-f3 LDs DJ 日+口CUlH四A相对振中调幅波幅01山屿-口 M 111+口4-2混频前后的频谱图图3图2所示为相乘混频器的方框图。设滤波器滤除和频，则输出差频信号。图3 为信号经混频前后的频谱图。我们设信号是：载波频率为fs的普通调幅波。本机振 荡频率为fL。设输入信号为Vs =V cos o t， 本机振荡信号为 v = V
26、 cos o t由相乘混频的框图可得输出电压1 “ “ ，/、（7）v =_K K VV cos(n -o )t02 F M L S L S=V cos(o o )t式中V。= 1 KFKMVVS定义混频增益Am为中频电压幅度V0与高频电压Vs之比，就有(8)图3为模拟乘法器混频电路，该电路由集成模拟乘法器MC1496完成。图4-3 MC1496构成的混频电路MC1496可以采用单电源供电，也可采用双电源供电。本实验电路中采用+ 12V, -8V供电。R12 (820Q)、R13 (820Q )组成平衡电路，F2为4.5MHz选频回路。本 实验中输入信号频率为fs =4.2MHz，本振频率、=
27、 8.7MHz。为了实现混频功能，混频器件必须工作在非线性状态，而作用在混频器上的除了 输入信号电压VS和本振电压VL外，不可避免地还存在干扰和噪声。它们之间任意两 者都有可能产生组合频率，这些组合信号频率如果等于或接近中频，将与输入信号一 起通过中频放大器、解调器，对输出级产生干涉，影响输入信号的接收。干扰是由于混频器不满足线性时变工作条件而形成的，因此不可避免地会产生干 扰，其中影响最大的是中频干扰和镜象干扰。4.2鉴频调频波的解调称为频率检波，简称鉴频(FM Detector,Discriminator)。其作用 是从己调波中检出反映在频率变化上的调制信号。在调频接收机中，当等幅调频信号
28、通过鉴频前各级电路时，因电路频率特性不均 匀而导致调频信号频谱结构的变化，从而造成调频信号的振幅发生变化。如果存在着 干扰，还会进一步加剧这种振幅的变化。鉴频器解调这种信号时，上述寄生调幅就会 反映在输出解调电压上，产生解调失真。因此，一般必须在鉴频前加一限幅器以消除 寄生调幅，保证加到鉴频器上的调频电压是等幅的。可见，限幅与鉴频一般是连用的，统称为限幅鉴频器。4.2.1乘积型鉴频器1.鉴频是调频的逆过程，广泛采用的鉴频电路是相位鉴频器。鉴频原理是：先 将调频波经过一个线性移相网络变换成调频调相波，然后再与原调频波一起加到一个 相位检波器进行鉴频。因此，实现鉴频的核心部件是相位检波器。相位检波
29、又分为叠加型相位检波和乘积型相位检波，利用模拟乘法器的相乘原理 可实现乘积型相位检波，其基本原理是：在乘法器的一个输入端输入调频波七， 设其表达式为：v (t) = V cosw + m sin Qt式中，m 为调频系数，m = Aw /Q或m = Af / f，其中Aw为调制信号产生的 频偏。另一输入端输入经线性移相网络移相后的调频调相波v(t)，设其表达式为v(t) = V cosw + m sin Qt + + (w)=V sinw + m sin Qt + 甲(w)式中，第一项为高频分量，可以被滤波器滤掉。第二项是所需要的频率分量，只 要线性移相网络的相频特性中(w)在调频波的频率变化
30、范围内是线性的，当I甲(w)| 0.4rad时，sin中(w) *(w)。因此鉴频器的输出电压v。(t)的变化规律与调频 波瞬时频率的变化规律相同，从而实现了相位鉴频。所以相位鉴频器的线性鉴频范围 受到移相网络相频特性的线性范围的限制。2鉴频特性相位鉴频器的输出电压V0与调频波瞬时 频率f的关系称为鉴频特性，其特性曲线(或称 S曲线)如图14-1所示。鉴频器的主要性能指标 是鉴频灵敏度Sd和线性鉴频范围2Afmax o Sd 定义为鉴频器输入调频波单位频率变化所引起 的输出电压的变化量，通常用鉴频特性曲线 v - f在中心频率f处的斜率来表示，即 Sd =匕/ Af , 2Afmax定义为鉴频
31、器不失真解调 调频波时所允许的最大频率线性变化范围， 2Afmax可在鉴频特性曲线上求出。3.乘积型相位鉴频器用MCl496构成的乘积型相位鉴频器实验电路如图5所示。其中C13与并联谐振 回路l1c18共同组成线性移相网络，将调频波的瞬时频率的变化转变成瞬时相位的变 化。分析表明，该网络的传输函数的相频特性中(w)的表达式为兀中(S ) = 一 - arctan-1)(9)当AW o1时，上式可近似表示为 VREF 时，则Q50导通，Q49截止，从而迫使Q54截止，Q55导通，于是16脚输出低电平。 当VdmV VREF时，Q49导通，Q50截止，从而迫使Q54导通Q55截止，16脚输出高电
32、平。通过15脚改变Q52的电流大小，可改变触发器上下翻转电平，上限电平与下限 电平之差也称为滞后电压VH。调节VH可消除因载波泄漏而造成的误触发而出现的 FSK解调输出，特别是在数据传输速率比较高的场合，并且此时14脚滤波电容不能 太大。ST的回差电压可通过10脚外接直流电压进行调整，以消除输出信号TTL0的相位抖动。4.5音频功率放大电路图1-1 (a)单调谐小信号放大R1 54.7KW4100KR2 315K图1-1 (b )双调谐小信号放大图164.5.1单调谐放大器小信号谐振放大器是通信机接收端的前端电路，主要用于高频小信号或微弱信号 的线性放大。其实验单元电路如图1-1(a)所示。该
33、电路由晶体管Q】、选频回路T1 二部分组成。它不仅对高频小信号进行放大，而且还有一定的选频作用。本实验中输 入信号的频率fS = 12MHz。基极偏置电阻W3、R22、R4和射极电阻R5决定晶体管的 静态工作点。可变电阻W3改变基极偏置电阻将改变晶体管的静态工作点，从而可以 改变放大器的增益。表征高频小信号调谐放大器的主要性能指标有谐振频率f0,谐振电压放大倍数 Av0,放大器的通频带BW及选择性(通常用矩形系数Kr0来表示)等。放大器各项性能指标及测量方法如下：1.谐振频率(12)放大器的调谐回路谐振时所对应的频率f0称为放大器的谐振频率，对于图1-1(a) 所示电路(也是以下各项指标所对应电路)，f0的表达式为。2氏耳式中，L为调谐回路电感线圈的电感量；C为调谐回路的总电容，c的表达式为C = C+P2C + 号 C(13)式中，Coe为晶体管的输出电容；Cie为晶体管的输入电容；P1为初级线圈抽头系数；P2为次级线圈抽头系数。
