短距離無線話筒擴音系統(tǒng)

李香宇，張晨亮，畢敬騰

（海軍航空大學航空基礎學院，山東煙臺 264001）

文中設計了一款小功率語音調(diào)頻廣播，其發(fā)射載波頻率在88～98 MHz 之間步進可調(diào)，發(fā)射功率不到1 W，在20 m 范圍內(nèi)能清晰地接收發(fā)射內(nèi)容，抗干擾能力強[1-3]。該發(fā)射電路可用于教室內(nèi)語音的輔助教學，還可以結(jié)合現(xiàn)有的多媒體教學系統(tǒng)，取得更好的教學效果[4-6]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設計方案

該系統(tǒng)主要由單片機、音頻發(fā)射機、音頻接收機、干擾檢測機、鍵盤、顯示器等模塊組成。系統(tǒng)總體設計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)上電，首先通過RDA5807 模塊進行干擾檢測，同時將干擾頻率存儲到單片機中；然后通過鍵盤設置合適的載波頻率，經(jīng)單片機進行控制，并在LCD1602 顯示器上顯示，此時語音信號經(jīng)QN8027 模塊和天線發(fā)射出去，當天線接收后發(fā)送給QN8025 模塊，然后，接單個話筒可以實現(xiàn)擴音。SPEC061A 單片機通過I2C 總線實現(xiàn)發(fā)射和干擾檢測模塊之間的通信。

2 主要模塊設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)SPEC061A

SPCE061A 是凌陽公司生產(chǎn)的一種體積小、易擴展、集成度高、可靠性高、低功耗、中斷處理能力強的16位微處理器[4]，內(nèi)嵌了32 K 字節(jié)的FLASH 閃存、2 K字節(jié)的SRAM 存儲器，并具有內(nèi)置自動增益控制功能的麥克風輸入方式及雙通道10 位DAC 方式的音頻輸出功能，具有較高的處理速度[7-8]。

圖2 無線話筒的電路圖

SPCE061A 通過I2C 協(xié)議控制基于RDA5807M 芯片構(gòu)成的干擾探測接收機。在主控制器的控制下從88～108 MHz 開始向上搜臺，把有干擾的電臺頻率儲存在SPEC061A 單片機內(nèi)。發(fā)射機在單片機的控制下，可在88～108 MHz 頻率范圍內(nèi)任意設定發(fā)射頻率，并可以根據(jù)單片機內(nèi)部的存儲電腦有效地規(guī)避干擾信號。LCD1602 顯示器可以顯示發(fā)射機與接收機的頻率，以及關鍵參數(shù)。鍵盤用于設置發(fā)射機與接收機的工作頻率，以及電源的參數(shù)功能。

2.2 發(fā)射模塊QN8027

QN8027 是一顆高性能、低功耗、FM 調(diào)頻發(fā)射芯片，使用先進的數(shù)字音頻信號處理技術(shù)和FM 鎖相環(huán)調(diào)制技術(shù)，使音質(zhì)更逼真，性能更穩(wěn)定，具有掉電時自動記憶斷電前的頻率和音量大小功能，支持串口AT 命令控制，音頻頻響范圍為50 Hz～18 kHz，發(fā)射頻率為76.0～108.0 MHz，發(fā)射功率為100 mW，標準FM 調(diào)頻調(diào)制模式，單聲道音頻輸入，3.0～5.0 V 工作電壓，主要適用于便攜式音頻和視頻播放器、汽車配件、手機及GPS 個人導航設備等[9-12]。其功能框圖如圖3 所示。發(fā)射機接收麥克風傳送的聲音信號，經(jīng)天線將信號發(fā)送給接收機，同時通過單片機控制信號的傳輸。

圖3 發(fā)射機電路圖

2.3 接收模塊QN8025

QN8025 是一個單芯片、高性能、低功耗的FM 接收芯片，具有較寬的接收頻率，可以接收頻率62～108 MHz 的FM 信號，接收靈敏度為1.5 μVEMF。其工作原理為：先放大接收的FM信號，再變頻、濾波后通過A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后采用DSP 處理技術(shù)解調(diào)、去加重，最后將數(shù)字信號D/A 轉(zhuǎn)換為模擬音頻信號后再放大輸出，其解調(diào)輸出音質(zhì)好，失真小[13]。當輸出音頻信號S/N 達到63 dB 時失真度低至0.03%。外圍僅需供電和振蕩信號即可，無需調(diào)整，簡單且性能高。其控制總線是I2C，供電電壓為2.7～5 V。

圖4 接收機電路圖

2.4 干擾探測模塊RDA5807

采用RDA Microelectronics 的RDA5807（或RDA 5802NM）作為干擾探測模塊，是一款簡單易用且具極高性價比的單芯片F(xiàn)M 立體聲收音模組。中頻選擇性好、通用I2C 總線控制，該電路外圍元件少、噪聲系數(shù)極小、使用極其簡單，具有體積小、功耗低、應用簡單、使用范圍廣等優(yōu)點。工作頻段在50～115 MHz 內(nèi)，與全球FM 頻段兼容，可以高功率32 Ω負載音頻輸出，并且內(nèi)置噪聲消除、軟靜音、低靜音增強電路等優(yōu)化設計[14]。

基于RDA5807 構(gòu)成的干擾檢測模塊，可以有效規(guī)避儲存的電臺頻率。RDA5807 是以I2C 協(xié)議為通信方式的芯片，通過CLK 時鐘總線和SDA 數(shù)據(jù)總線與單片機相連，如圖5 所示。

圖5 RAD5807與單片機接口

3 軟件程序?qū)崿F(xiàn)

系統(tǒng)上電時，電路開始初始化[15-16]，發(fā)射機QN8027、干擾探測模塊RDA5807，以及LCD1602 均進行初始化。之后開始頻率掃描，從頻率88 MHz 開始向上掃描到108 MHz，找出占有頻率并存儲記憶，然后發(fā)射機和接收機開始正常工作。系統(tǒng)總體軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)總體軟件流程

3.1 發(fā)射機的軟件實現(xiàn)

電路上電時，首先發(fā)射機QN8207 進行初始化，選擇晶振頻率、時鐘輸入類型，并根據(jù)要求調(diào)整芯片的內(nèi)部參數(shù)，初始化流程如圖7 所示。之后發(fā)射機經(jīng)天線發(fā)射頻率。

圖7 發(fā)射機QN8027初始化流程圖

3.2 干擾探測模塊的軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)上電時，干擾探測模塊RDA5807 初始化，之后掃描干擾頻率，并儲存干擾頻率，使單片機在掃描到干擾信號或其他電臺干擾時，能規(guī)避干擾信號。

圖8 干擾探測軟件流程圖

4 測試方案與結(jié)果

4.1 檢測信道占用情況及規(guī)避干擾響應時間

無線話筒開機后自動檢測信道中存在的電臺以及其他干擾頻率[17]。重復多次實驗，檢測到的干擾信號頻率如表1 所示。

表1 干擾信號頻率記錄表

由表1 可得，該無線話筒系統(tǒng)可以實現(xiàn)對信道中干擾頻率的自動掃描。在規(guī)避干擾信號時響應時間約為0.5 s，符合要求。

4.2 檢測系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況

實測話筒與收音機距離15 m，根據(jù)下列不同情況檢測無線話筒擴音系統(tǒng)，實現(xiàn)如下功能：

1）同時關閉話筒A 和話筒B，收音機沒有接收到語音信號。

2）打開話筒A，在頻率范圍內(nèi)話筒發(fā)射92.0 MHz載波頻率，收音機接收到的信號清晰，無明顯失真，且接收頻率與發(fā)射頻率一致。

3）打開話筒B，在頻率范圍內(nèi)話筒發(fā)射100.0 MHz載波頻率，收音機接收到的信號清晰，無明顯失真，且接收頻率與發(fā)射頻率一致。

4）同時打開話筒A和話筒B，話筒A發(fā)射92.0 MHz載波頻率,話筒B 發(fā)射100.0 MHz 載波頻率，收音機接收到的信號清晰，無明顯失真，且與2）、3）情況相比明顯為兩個信號混聲。

5）經(jīng)測試，系統(tǒng)功耗約為0.4 W。

5 結(jié)論

該系統(tǒng)以SPEC061A 單片機為核心控制，利用QN8027 和QN8025 模塊完成了語音信號的發(fā)射和接收，同時通過RDA5807 實現(xiàn)了干擾頻率的檢測并完成了干擾規(guī)避，通過混聲電路完成了兩個話筒的混聲。經(jīng)測試，滿足系統(tǒng)的設計要求。