無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計

引 言

目前，會場中廣泛使用無線話筒進(jìn)行通信。無線話筒是一種通過無線電波傳輸聲音的設(shè)備， 可將聲音調(diào)制到88 ～108MHz無線電波發(fā)射出去，距離可達(dá)到 30 ～50m， 用普通調(diào)頻收音機(jī)或者帶收音機(jī)功能的手機(jī)就可接收 [1]。為了滿足低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等需求， 常采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS）實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)制 [2-3]。DDS通常結(jié)合 DSP或 FPGA使用 [4]，因此成本較高，功耗也較大。針對上述問題，本文對無線調(diào)頻發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行研究，重點(diǎn)探討低功耗無線合成器 LMX2571的使用，設(shè)計一套低功耗無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)，用于會場擴(kuò)音。

1 發(fā)射部分硬件設(shè)計

無線發(fā)射部分的硬件包括供電單元、語音信號采集單元、STM32F103C8T6 主控單元、LMX2571 射頻合成器單元、掃頻單元、OLED 顯示單元及相關(guān)外圍電路。無線發(fā)射硬件原理如圖 1 所示。

1.1 主控接口設(shè)計

無線發(fā)射部分使用兩節(jié)普通干電池提供的3 V 電源供電。STM32F103C8T6 是發(fā)射部分的控制核心，LMX2571 用于FM 調(diào)制，兩者之間通過 Microwire 串行接口進(jìn)行通信。通過 Microwire 串行接口，STM32 控制 LMX2571 進(jìn)行初始化、設(shè)置載波頻率、設(shè)置頻偏等操作。

STM32 通過 I2C 總線接口與掃頻單元和 OLED 顯示單元進(jìn)行通信。聲音傳感器將輸出的模擬語音信號連接至 STM32 的模擬量輸入引腳，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

1.2 LMX2571原理

LMX2571 是一款低功耗、高性能的 RF 合成器，輸出頻率范圍為 10 ～ 1 344 MHz，可通過編程支持直接數(shù)字 FSK 調(diào)制 [5]。

LMX2571 可工作在合成器模式與鎖相環(huán)模式下，本文設(shè)計中其工作于合成器模式。LMX2571 內(nèi)部由 R 分頻器、乘法器、鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器、N 分頻器、輸出分頻器組成，其具體參數(shù)存儲于 LMX2571 內(nèi)部的寄存器中，并均可通過編程進(jìn)行設(shè)置。其中 R 分頻器與乘法器用于對輸入的晶振頻率進(jìn)行分頻與倍頻，控制輸入到 PLL 的頻率。鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器與 N 分頻器構(gòu)成鎖相環(huán)（PLL）。N 分頻器包括整數(shù)部分與分?jǐn)?shù)部分，程序通過改變 N 分頻器的值實(shí)現(xiàn) FSK 調(diào)制。PLL 輸出的頻率經(jīng)輸出分頻器分頻后，即可得到對應(yīng)的載波頻率。

確定晶振輸入頻率與 LMX2571 輸出頻率后，即可計算各個參數(shù)的取值。LMX2571 工作流程及其在輸出 88 MHz 載波時各參數(shù)的配置如圖 2 所示。

78物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019年 / 第5期

圖 2 工作流程及參數(shù)配置

其中，N 分頻的整數(shù)部分為 24，分子為 800 000，分母為 1 250 000。計算最大頻偏為 75 kHz 下的 FSK 數(shù)字基帶信號 [5-6]。

根據(jù)式（2），將檢測到的聲音信號幅值轉(zhuǎn)換為 FSK 數(shù)字基帶信號，從而改變輸出 LMX2571 的輸出頻率。通過實(shí)時檢測聲音信號并實(shí)時改變輸出頻率，即可實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制。

2 發(fā)射軟件設(shè)計

無線發(fā)射軟件部分包括 STM32 初始化、讀取信道占用情況、采集聲音信號電壓值、LMX2571 初始化、設(shè)置載波進(jìn)行混頻，然后選出差頻作為中頻輸出 [7]。

程序每隔 10 μs 采集一次聲音信號的幅值，根據(jù)聲音幅值與 FSK 數(shù)字基帶信號的函數(shù)關(guān)系，計算出當(dāng)前聲音信號對應(yīng)的 FSK 數(shù)字基帶信號，并將其寫入 LMX2571 寄存器中，完成頻偏設(shè)置。無線發(fā)射軟件設(shè)計流程如圖 3 所示。

3 接收機(jī)硬件設(shè)計

為了實(shí)現(xiàn)混音，需要兩套接收系統(tǒng)。其中一套接收系統(tǒng)包含解調(diào)單元與電源管理單元兩個部分 ；另一套接收系統(tǒng)則包括解調(diào)單元、加法器電路與電源管理單元三個部分。

3.1 解調(diào)原理

經(jīng)過調(diào)制的語音信號通過天線接收，調(diào)諧回路選出發(fā)射端的輸出信號，送到變頻器與本機(jī)振蕩電路送出的本振信號進(jìn)行混頻，然后選出差頻作為中頻輸出 [7]。中頻信號經(jīng)過檢波器檢波后輸出語音信號。解調(diào)出來的語音信號比較微弱，要驅(qū)動 8 Ω 揚(yáng)聲器負(fù)載還需經(jīng)過低頻放大與功率放大。

3.2 加法器電路設(shè)計

加法器電路的主要功能是將兩路語音信號加在一起后，經(jīng)過低頻放大與功率放大后通過揚(yáng)聲器播放出來，具體電路圖如圖 4 所示。

解調(diào)后的兩路語音信號經(jīng)過 UA741 運(yùn)算放大器組成的加法器實(shí)現(xiàn)兩路語音信號的相加，即進(jìn)行混音，其運(yùn)算關(guān)系為 ：

加法器具有 5 倍的低頻放大功能，相加后的信號進(jìn)入LM386 進(jìn)行功率放大。在 LM386 的 1 腳與 8 腳之間接一個 10 μF 電容，放大器的增益可以達(dá)到 200?；煲粜盘柦?jīng)過LM386 功率放大后驅(qū)動 8 Ω 揚(yáng)聲器播放混合的語音信號。當(dāng)不需要混音，直接接收的是一路語音信號時，就需將加法器的任一輸入端（P1 或 P2）通過跳線帽進(jìn)行短接，相當(dāng)于將一路輸入接地。

4 實(shí)驗(yàn)與測試

4.1 測試條件

本文主要使用 TSB110 型雙蹤示波器、MG4102 型函數(shù)發(fā)生器、VICIRVC97 萬用表及 TECSUM 收音機(jī)對本套設(shè)計進(jìn)行測試。

4.2 測試結(jié)果與分析

無線話筒及其收音機(jī)的通信距離測試

通信距離測試結(jié)果見表 1 所列。

測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的通信距離可以大于 21.5 m，滿足室內(nèi)無線擴(kuò)音話筒的需求。

4.2.2 音頻輸出功率測試

使用函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生帶寬為40 Hz ～15 kHz 的音頻信號， 將產(chǎn)生的正弦波信號加入到發(fā)射部分進(jìn)行模擬調(diào)頻與發(fā)射。在接收部分通過揚(yáng)聲器作為 8 ?負(fù)載，使用示波器測試不同基帶信號下的輸出波形情況及峰峰值大小，測試數(shù)據(jù)見表 2 所列。

5 結(jié) 語

本文針對會場無線擴(kuò)音進(jìn)行研究，設(shè)計了一種低功耗會場無線通信系統(tǒng)。語音信號采集單元將采集到的語音信號傳送至 STM32 單片機(jī)，同時掃頻單元將空氣中已占用信道信息傳遞至 STM32 單片機(jī)。STM32 單片機(jī)在 88 ～ 108 MHz 間選取一個未占用的頻率設(shè)置為載波頻率，將語音信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的數(shù)字基帶信號，并將其傳遞至 LMX2571 進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號經(jīng)過天線發(fā)射。無線接收單元將接收到的信號進(jìn)行解調(diào)，并經(jīng)過加法器電路實(shí)現(xiàn)混音，同時進(jìn)行低頻放大與功率放大，驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，最終實(shí)現(xiàn)混音擴(kuò)音。該系統(tǒng)基于無線通信原理進(jìn)行設(shè)計，適用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，同時能滿足無線話筒對低功耗的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景