【正文】 無(wú)線對(duì)講機(jī)設(shè)計(jì)（基帶信號(hào)處理單元）[摘要] 本文闡述無(wú)線對(duì)講機(jī)基帶信號(hào)處理單元的設(shè)計(jì)。主要設(shè)計(jì)工作包括：發(fā)射端的麥克風(fēng)語(yǔ)音信號(hào)放大電路，采樣和量化，以及接收端的數(shù)字信號(hào)接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑濾波和功率放大，從而支持語(yǔ)音信號(hào)的基帶傳輸。電路設(shè)計(jì)中主要使用運(yùn)算放大器和單片機(jī)，分別處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。完成了硬件制作和軟件編程。測(cè)試結(jié)果表明，麥克風(fēng)語(yǔ)音信號(hào)放大電路、采樣量化、數(shù)字信號(hào)接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑濾波和語(yǔ)音功率放大均達(dá)到了預(yù)期指標(biāo)。[關(guān)鍵詞] 無(wú)線對(duì)講機(jī) 基帶信號(hào) 運(yùn)算放大器 單片機(jī)Design of the One Way Radio (Base Band Signal Process Unit )Abstract This paper mainly expounds the design method of the one way radio in base band signal unit. The main work can be divided into two parts:sending and receiving The former involves the amplification of the input voice siganl from the microphone, sampling, and the arrival of the signal,the next procedures are as follows: the digital signal receiving,D/A conversion, smoothing filtering and power the above steps are finished, the base band signal transmission are implemented,The main ponents used in the design of circuit are operational amplifiers and microcontrollers, respectively processing analogue and digital I use the software for circuit simulation and the results reach the expected indicators,I put it into practice and make plates for the circuit. The final work is to test the plates and make adjustments so as to meet the requirements wanted.Key words One way radio Base band signal Operational amplifier Microcontroller目　　錄引言 1第1章　無(wú)線對(duì)講機(jī)系統(tǒng) 2　無(wú)線對(duì)講機(jī)基帶信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu) 2　基帶傳輸系統(tǒng) 2　基帶發(fā)送部分的構(gòu)成 2　基帶接收部分的構(gòu)成 3第2章　基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4　基帶發(fā)送部分的設(shè)計(jì) 4　前置放大電路的設(shè)計(jì) 4　抗混疊濾波器的設(shè)計(jì) 9　 A/D轉(zhuǎn)換和基帶串行發(fā)送的設(shè)計(jì) 13　基帶接收部分的設(shè)計(jì) 14　基帶串行接收的設(shè)計(jì) 14　D/A轉(zhuǎn)換電路和平滑濾波器的設(shè)計(jì) 15　功率放大器的設(shè)計(jì) 17第3章　軟件仿真和調(diào)試 21　基帶發(fā)送部分的仿真和調(diào)試 21　前置放大電路的仿真和調(diào)試 21　抗混疊濾波器的仿真和調(diào)試 22　 A/D轉(zhuǎn)換電路的仿真和調(diào)試 23　基帶串行發(fā)送設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試 25　基帶接收部分的仿真和調(diào)試 27　基帶串行接收的仿真和調(diào)試 27　D/A轉(zhuǎn)換電路的仿真和調(diào)試 29　平滑濾波器的仿真和調(diào)試 31　功率放大器的仿真和調(diào)試 31　基帶系統(tǒng)整體仿真和調(diào)試 32第4章　實(shí)驗(yàn)測(cè)試和結(jié)果 36　基帶發(fā)送部分的測(cè)試和結(jié)果 36　前置放大電路的測(cè)試和結(jié)果 36　抗混疊濾波器的測(cè)試和結(jié)果 38　 A/D轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試和結(jié)果 42 基帶串行發(fā)送的測(cè)試和結(jié)果 47　基帶接收部分的測(cè)試和結(jié)果 49 基帶串行接收的測(cè)試和結(jié)果 49　D/A轉(zhuǎn)換電路的測(cè)試和結(jié)果 54　 平滑濾波器的測(cè)試和結(jié)果 57　功率放大器的測(cè)試和結(jié)果 57結(jié)論 59參考文獻(xiàn) 61附錄 62引言對(duì)講機(jī)與手機(jī)相比有許多獨(dú)特的地方。首先對(duì)講機(jī)不受網(wǎng)絡(luò)限制，在無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)未覆蓋到的地方，對(duì)講機(jī)可以讓使用者相互溝通。其次是對(duì)講機(jī)提供一對(duì)一，一對(duì)多的通話方式，一按就說(shuō)，操作簡(jiǎn)單，令溝通更自由，尤其在緊急調(diào)度和集體協(xié)作工作的情況下，這些特點(diǎn)是非常重要的。第三是通話成本低，除了購(gòu)機(jī)費(fèi)用和電池耗電外，沒(méi)有其他成本，相比而言，手機(jī)還有通話費(fèi)，月租費(fèi)等。 對(duì)講機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域很廣，主要應(yīng)用在公安、民航、運(yùn)輸、水利、鐵路、制造、建筑、服務(wù)等行業(yè)，用于團(tuán)體成員間的聯(lián)絡(luò)和指揮調(diào)度，以提高溝通效率和提高處理突發(fā)事件的快速反應(yīng)能力。隨著對(duì)講機(jī)進(jìn)入民用市場(chǎng)，人們外出旅游、購(gòu)物也開(kāi)始越來(lái)越多地使用對(duì)講機(jī)。從通信工作方式上，對(duì)講機(jī)分為單工通信工作的單工機(jī)和雙工通信工作的雙工機(jī)。本文主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)單工機(jī)的基帶信號(hào)處理單元。主要設(shè)計(jì)工作包括：發(fā)射端的麥克風(fēng)語(yǔ)音信號(hào)放大電路，采樣和量化，以及接收端的數(shù)字信號(hào)接收、數(shù)模轉(zhuǎn)換、平滑濾波和功率放大，從而支持語(yǔ)音信號(hào)的基帶傳輸。在設(shè)計(jì)中以英國(guó)Labcenter electronics公司出版的EDA工具軟件 PROTEUS和美國(guó)Microchip公司出版的單片機(jī)集成開(kāi)發(fā)軟件MPLAB為設(shè)計(jì)平臺(tái)，另外使用MATLAB軟件作輔助理論分析，還使用PROTEL 99SE軟件制作印刷電路板。本文是這樣安排的，第1章描述總體的基帶傳輸系統(tǒng)架構(gòu)，作為整個(gè)設(shè)計(jì)的提綱，第2章開(kāi)始論證具體的實(shí)現(xiàn)方案，第3章對(duì)第2章提出的方案按模塊一一用軟件仿真，第4章是實(shí)際電路的制作和測(cè)試。最后作一個(gè)總結(jié)，說(shuō)明設(shè)計(jì)完成的情況。本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)包括：語(yǔ)音失真度小于5%,頻帶范圍 300hz～3400hz，麥克風(fēng)電路靈敏度 10mv，揚(yáng)聲器功放功率。在具體電路設(shè)計(jì)中主要使用運(yùn)算放大器和單片機(jī)，分別處理模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。第1章　無(wú)線對(duì)講機(jī)系統(tǒng)　無(wú)線對(duì)講機(jī)基帶信號(hào)處理單元結(jié)構(gòu)如圖11所示為單工無(wú)線對(duì)講機(jī)總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它包括基帶信號(hào)處理單元和射頻信號(hào)處理單元兩部分。射頻部分可由專用芯片完成，本文只闡述基帶信號(hào)的數(shù)字傳輸設(shè)計(jì)，包括為射頻芯片發(fā)射部分提供語(yǔ)音數(shù)字輸入，從射頻芯片接收部分接收數(shù)字輸出并還原出語(yǔ)音信號(hào)。由于采用單工方式通信，在同一時(shí)刻只能單方向傳送信息。當(dāng)A方按下發(fā)送按鍵時(shí)，發(fā)信機(jī)與天線相連接而處于發(fā)送狀態(tài)，B方則應(yīng)使天線與收信機(jī)相連接而處于接收狀態(tài)，構(gòu)成由A 到B的單向通信鏈路。要使信息反向傳送，則需要雙方改變?cè)瓉?lái)的收發(fā)狀態(tài)?？紤]到A，B雙方的收發(fā)機(jī)完全相同，而本文不涉及射頻部分，為減少工作量，只設(shè)計(jì)一對(duì)收發(fā)機(jī)進(jìn)行基帶通信，簡(jiǎn)化后總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖12所示?！D11　單工無(wú)線對(duì)講機(jī)總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖12　單工無(wú)線對(duì)講機(jī)基帶傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　基帶傳輸系統(tǒng)　基帶發(fā)送部分的構(gòu)成基帶發(fā)送部分由語(yǔ)音前置放大、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換和基帶串行發(fā)送四部分組成。如圖13所示。語(yǔ)音前置放大抗混疊濾波A/D轉(zhuǎn)換基帶串行發(fā)送圖13　基帶發(fā)送部分的構(gòu)成　基帶接收部分的構(gòu)成基帶接收部分由基帶串行接收、D/A轉(zhuǎn)換、平滑濾波和功率放大四部分組成。如圖14所示?；鶐Т薪邮誅/A轉(zhuǎn)換平滑濾波功率放大圖13　基帶接收部分的構(gòu)成第2章　基帶傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案　基帶發(fā)送部分的設(shè)計(jì)基帶發(fā)送部分的設(shè)計(jì)包括前置放大、抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換和基帶串行發(fā)送四部分的設(shè)計(jì)?！∏爸梅糯箅娐返脑O(shè)計(jì)（1）小信號(hào)放大器要求[1]前置放大電路屬小信號(hào)放大，一般不考慮輸出功率，只要求在小信號(hào)激勵(lì)下a不失真地放大信號(hào)，b具有足夠大的增益，c寬的通頻帶，d合適的輸入、輸出阻抗，e放大后的小信號(hào)電壓足夠被A/D轉(zhuǎn)化，f當(dāng)然還要有一定驅(qū)動(dòng)能力。（2）分析a話筒的輸出信號(hào)一般只有5mV左右，輸出阻抗可達(dá)到20 k? （亦有低愉出阻抗的話筒如20?，20O ? 等），最常用的駐極體話筒輸出阻抗一般小于2K?，所以麥克風(fēng)電路的作用是不失真地放大聲音信號(hào)（最高頻率達(dá)到10kH），其輸入阻抗應(yīng)遠(yuǎn)大于話筒的輸出阻抗。b 根據(jù)任務(wù)書(shū)要求，麥克風(fēng)電路靈敏度小于10mV，假設(shè)實(shí)際輸入信號(hào)最小約為10mV,放大后最大設(shè)定為5V，則最大增益約為54dB。c 語(yǔ)音信號(hào)的通頻帶為3003400Hz。（3）電路設(shè)計(jì)[2]為簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，采用集成運(yùn)算放大器，這樣只要設(shè)計(jì)必要的外圍電路即可。接下來(lái)的任務(wù)是綜合上述幾點(diǎn)，選用合適的集成運(yùn)放芯片。常用的有普通運(yùn)放和高性能運(yùn)放，比較典型的是UA741和NE5532，將它們的性能作一對(duì)比，如表21和表22所示。表21　μA741的性能參數(shù)電源電壓+Vcc VEE+3V～+18V，典型值+15V3V～18V，典型值15V工作頻率10kHz輸入失調(diào)電壓VID2mV單位增益帶寬BW1MHz輸入失調(diào)電流IIO20nA轉(zhuǎn)換速率SR開(kāi)環(huán)電壓增益AVG106dB共模抑制比KCMR（接下頁(yè)）90dB輸入電阻1M?功率消耗PD500mW輸出電阻75?輸入電壓范圍177。13V表22　NE5532的性能參數(shù)電源電壓+Vcc VEE+3V～+20V3V～20V工作頻率140kHz輸入失調(diào)電壓VID單位增益帶寬BW10MHz輸入失調(diào)電流IIO10nA轉(zhuǎn)換速率SR9V/μs開(kāi)環(huán)電壓增益AVG94dB共模抑制比KCMR100dB輸入電阻1M?功率消耗PD780mW輸出電阻75?輸入電壓范圍177。電源電壓比較發(fā)現(xiàn)NE5532雖然功耗較大，但在轉(zhuǎn)換速率和單位增益帶寬增益上都優(yōu)于μA741。別外對(duì)二者的開(kāi)環(huán)頻率特性作一比較，如圖21和圖22所示。圖21　μA741差模輸入開(kāi)環(huán)增益頻率特性圖22　NE5532差模輸入開(kāi)環(huán)增益頻率特性觀察發(fā)現(xiàn)μA741開(kāi)環(huán)時(shí)的通頻帶約為10Hz，而NE5532開(kāi)環(huán)時(shí)的通頻帶約為1kHz，更適合語(yǔ)音頻段3003400Hz的放大。（4）設(shè)計(jì)過(guò)程[3]結(jié)合上述分析決定使用NE5532作為前置放大電路的芯片，考慮到NE5532在閉環(huán)時(shí)增益可達(dá)到40dB（見(jiàn)圖23），很接近設(shè)計(jì)要求的54dB，所以不采用級(jí)聯(lián)放大。另外希望對(duì)低于20Hz部分的信號(hào)有衰減作用，也就是設(shè)計(jì)成一個(gè)低頻語(yǔ)音前置放大器。如圖24所示。圖23　NE5532差模輸入閉環(huán)增益頻率特性圖24 　用NE5532構(gòu)建的低頻語(yǔ)音前置放大器圖24中，CC2用來(lái)隔直流。其系統(tǒng)函數(shù)H（S）=Uo/Ui=　 （21）由于其幅頻特性不好描述，常用軟件進(jìn)行刻畫(huà)，考慮到該式中含有多個(gè)變量，需根據(jù)設(shè)計(jì)要求大致確定各變量的取值才能進(jìn)行畫(huà)出圖形，以便評(píng)估。該電路預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)包括：閉環(huán)放大倍數(shù)101，通帶頻率202000Hz，輸入信號(hào)Ui=10mV80mV（有效值）。具體確定參數(shù)范圍需用到以下幾個(gè)關(guān)系式：基本關(guān)系式1f=GB/KF （22）其中f為主極點(diǎn)頻率，KF為閉環(huán)放大倍數(shù)，GB為閉環(huán)單位增益頻率。基本關(guān)系式2 （23）其中fL1是由C2決定的下限頻率（幅頻特性中3dB對(duì)應(yīng)的頻率）?；娟P(guān)系式3 （24）其中fL2是由C1決定的下限頻率，fL1fL2,通常取fL1= fL2/10?；娟P(guān)系式4KF=1+RF/Rf （25）其中KF為閉環(huán)放大倍數(shù)，通常取R1=Rf?；娟P(guān)系式5 （26）其中RID為差模輸入電阻，Ro為輸出電阻。有了以上關(guān)系式可以初步確定電路參數(shù)。具體分為以下幾步：a 確定電源電壓NE5532的GB=10MHz，輸入電阻RID=1MΩ，輸出電阻RO=75Ω，閉環(huán)放大倍數(shù)KF=101，則主極點(diǎn)頻率f可由式（22）確定，求得f=99KHz2KHz，滿足上限頻率的要求。由于Uo最大值為（101）=（幅值），取177。15V。b選擇RF、Rf、R1NE5532的輸入電阻RID=1MΩ，輸出電阻RO=75Ω，則RF可由式（26）確定，求得RF=,取62KΩ。由式（25）求得Rf=620Ω，則R1=Rf=620Ω。c確定CC2根據(jù)要求fL2=20Hz，由式（24）求得C1=，取C1=10uF。fL1=fL2/10=2Hz，由式（23）求得C2=128uF，取C2=100uF。經(jīng)過(guò)上述步驟就確定了電路中的所有參