無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小琴 魏東梅 朱波 方和平

摘 要：針對(duì)會(huì)場(chǎng)對(duì)低功耗無線擴(kuò)音的需求，設(shè)計(jì)一套低功耗無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為無線發(fā)射與無線接收兩部分，無線發(fā)射部分使用STM32F103C8T6單片機(jī)和LMX2571射頻合成器等構(gòu)成無線發(fā)射裝置，使用兩節(jié)1.5 V干電池供電，將語音信號(hào)調(diào)制到88～108 MHz頻帶內(nèi)并發(fā)射出去。無線接收部分包括解調(diào)電路和加法器電路，對(duì)兩路調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行解調(diào)并相加，通過放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作，實(shí)現(xiàn)混音擴(kuò)音。測(cè)試結(jié)果表明，無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)21.5 m范圍內(nèi)無失真混音擴(kuò)音。

關(guān)鍵詞：無線通信;直接數(shù)字頻率合成;STM32;LMX2571;解調(diào);加法器

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

目前，會(huì)場(chǎng)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88～108 MHz無線電波發(fā)射出去，距離可達(dá)到30～50 m，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(shí)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(duì)上述問題，本文對(duì)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(jì)一套低功耗無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)，用于會(huì)場(chǎng)擴(kuò)音。

1 發(fā)射部分硬件設(shè)計(jì)

無線發(fā)射部分的硬件包括供電單元、語音信號(hào)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(jì)

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(hào)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(jì)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(chǔ)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(duì)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(duì)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(jì)算各個(gè)參數(shù)的取值。LMX2571工作流程及其在輸出88 MHz載波時(shí)各參數(shù)的配置如圖2所示。

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(jì)算最大頻偏為75 kHz下的FSK數(shù)字基帶

信號(hào)[5-6]。得到最大的FSK數(shù)字基帶信號(hào)為26250。ADC采集值范圍為0～4 095，所以ADC采集值到FSK數(shù)字基帶信號(hào)的轉(zhuǎn)換公式為：

根據(jù)式（2），將檢測(cè)到的聲音信號(hào)幅值轉(zhuǎn)換為FSK數(shù)字基帶信號(hào)，從而改變輸出LMX2571的輸出頻率。通過實(shí)時(shí)檢測(cè)聲音信號(hào)并實(shí)時(shí)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(jì)

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(hào)電壓值、LMX2571初始化、設(shè)置載波頻率、設(shè)置頻偏等操作。系統(tǒng)上電后，STM32首先進(jìn)行初始化，然后通過I2C接口讀取掃頻單元檢測(cè)的信道占用情況，并根據(jù)信道占用情況在88～108 MHz頻率范圍內(nèi)選取一個(gè)未被占用的頻率，計(jì)算出LMX2571相關(guān)寄存器的預(yù)設(shè)值，將這些預(yù)設(shè)值寫入LMX2571并使能LMX2571的信號(hào)輸出。

程序每隔10 μs采集一次聲音信號(hào)的幅值，根據(jù)聲音幅值與FSK數(shù)字基帶信號(hào)的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前聲音信號(hào)對(duì)應(yīng)的FSK數(shù)字基帶信號(hào)，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(jì)流程如圖3所示。

3 接收機(jī)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)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(gè)部分。

3.1 解調(diào)原理

經(jīng)過調(diào)制的語音信號(hào)通過天線接收，調(diào)諧回路選出發(fā)射端的輸出信號(hào)，送到變頻器與本機(jī)振蕩電路送出的本振信號(hào)進(jìn)行混頻，然后選出差頻作為中頻輸出[7]。中頻信號(hào)經(jīng)過檢波器檢波后輸出語音信號(hào)。解調(diào)出來的語音信號(hào)比較微弱，要驅(qū)動(dòng)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(jì)

加法器電路的主要功能是將兩路語音信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)入LM386進(jìn)行功率放大。在LM386的1腳與8腳之間接一個(gè)10 μF電容，放大器的增益可以達(dá)到200。混音信號(hào)經(jīng)過LM386功率放大后驅(qū)動(dòng)8 Ω揚(yáng)聲器播放混合的語音信號(hào)。當(dāng)不需要混音，直接接收的是一路語音信號(hào)時(shí)，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(cè)試

4.1 測(cè)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(duì)本套設(shè)計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

4.2 測(cè)試結(jié)果與分析

4.2.1 無線話筒及其收音機(jī)的通信距離測(cè)試

通信距離測(cè)試結(jié)果見表1所列。

測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)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(cè)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(hào)，將產(chǎn)生的正弦波信號(hào)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(cè)試不同基帶信號(hào)下的輸出波形情況及峰峰值大小，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2所列。

測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)能夠檢測(cè)40 Hz～15 kHz的音頻信號(hào)。根據(jù)公式，要使輸出功率為0.5 W，測(cè)得的最小峰峰值應(yīng)約為5.6 V。本文設(shè)計(jì)在不失真的情況下，最大峰峰值為9.4 V，其功率約為1.38 W。

5 結(jié) 語

本文針對(duì)會(huì)場(chǎng)無線擴(kuò)音進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種低功耗會(huì)場(chǎng)無線通信系統(tǒng)。語音信號(hào)采集單元將采集到的語音信號(hào)傳送至STM32單片機(jī)，同時(shí)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(gè)未占用的頻率設(shè)置為載波頻率，將語音信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的數(shù)字基帶信號(hào)，并將其傳遞至LMX2571進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過天線發(fā)射。無線接收單元將接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并經(jīng)過加法器電路實(shí)現(xiàn)混音，同時(shí)進(jìn)行低頻放大與功率放大，驅(qū)動(dòng)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(jì)，適用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)也能滿足無線話筒對(duì)低功耗的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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