单工无线呼叫系统 刘利子概述.docx
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单工无线呼叫系统刘利子概述
单工无线呼叫系统
方阁谭潇雄刘利子
摘要:
本系统基于FSK和FM调制解调原理,以89C51单片机和FPGA(EP1C6Q240C8)构成的最小系统及超低功耗单片机MSP430F449为控制核心,设计制作了一个单工无线呼叫系统,实现了一个主站到八个从站的单工语音及短信数据传输业务。
主站发射部分对短信数据进行串行编码后,先经过数字FSK调制,再与A/D采样得到的语音信号量化值叠加后进行FM调制,通过控制AD9851来完成,从而实现语音和短信的同时传输,其载波频率为30MHz。
从站接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1691组成的FM解调电路解调,再经过窄带滤波器分离出语音信号和短信数据。
系统发射功率≤20mW时,语音传输距离为40米,短信传输距离不小于15米。
系统功能齐全,功耗低,操作简单,界面友好。
关键词:
AT89C51;MSP430F449;二进制频率调制;频率调制;异步串口通信
一、方案论证与选择
1、题目任务要求与相关指标分析
设计任务要求制作一个主站至从站的单工语音及英文短信传输系统,当发射峰值功率不大于20mW时,主、从站室内通信距离不小于5米,并尽可能的加大通信距离,另外,当传送信号为300-3400Hz正弦信号时,接收端波形无明显失真,使得本题的难点在于发射效率和接收灵敏度的提高,及系统输出信号失真度的减小。
此外,本系统既有中频信号,又有高频信号;既有模拟信号,又有数字信号,它们相互交调会形成频谱很窄的内部干扰信号,不仅影响音频信号的传输质量,还会影响主站的呼叫和英文短信的传输质量,因此抗干扰措施必须做好,以保证音频信号的高质量传输和短信的无误传送。
2、方案论证与比较
(1)载波产生方式的比较与选择
方案一:
采用晶体振荡器产生基准频率,再用选频网络与放大器选出它的谐波实现倍频,具体方框图如图1.1所示。
该方案产生的载波信号稳定度高,但满足要求的晶体谐振器难以获得,选频网络调节复杂。
图1.1晶振电路产生载波方框图
方案二:
锁相环(PLL)频率合成技术。
数字锁相频率合成器基本原理方框图如下:
图1.2锁相环频率合成原理图
通过改变程序分频器的分频比,可改变压控振荡器的频率
,从而获得满足要求的频率稳定度等同于参考频率的信号。
基于锁相环的窄带跟踪特性,可以很好地选择所需频率信号,抑制杂散分量。
方案三:
采用直接数字频率合成器(DirectDigitalFrequencySynthesis)。
DDS技术以Nyquist时域采样定理为基础,在时域中进行频率合成。
DDS的基本原理方框图如下:
图1.3DDS原理图
DDS基于相位累加合成技术,在时域中实现频率合成,可以输出高精度和高纯度的频率信号,其相位、频率和幅度都可以实现程控。
其优点是理论上只要累加器的位数足够多,可以实现任意小的频率步进,故频率分辨率很高,离散输出已十分接近连续变化,不足之处在于ROM的容量限制带来相位截断噪声。
载波信号发生器是主站发射部分的重要组成部分,应能产生高频等幅的正弦信号,信号频率稳定度高。
DDS与锁相环方案均能产生高稳定度的正弦信号,且精度高,实现容易。
相比而言,使用DDS直接合成技术产生的载波信号抗干扰能力强,实现方式简单。
故设计时采用方案三,并使用DDS专用芯片AD9851,能简便地控制正弦波的频率。
(2)语音调制方式的比较与选择
方案一:
采用调幅(AM)体制。
调幅原理是使高频载波信号的幅度按调制信号(音频信号)的幅度规律变化,即将音频信号经放大后与载波信号在AM调制器中实现,使用二极管包络检波方法或专用芯片可回复出原始音频信号,调制解调电路简单。
方案二:
采用调频(FM)体制。
调频原理是使高频载波信号的瞬时频率按调制信号(音频信号)的幅度规律变化,即利用音频信号控制载波信号的瞬时频率来实现,通过鉴频器可将音频信号解调出来,解调电路比较复杂。
AM调制与FM调制相比,FM调制体制的抗干扰能力强,抗衰落能力强,为实现语音信号的高质量传输,语音信号传输采用FM调制方式实现。
(3)短信调制方式的比较与选择
方案一:
采用一次调制以ASK调制方式实现。
采用ASK调制体系,即利用载波的幅度变化来传递数字信息,而其频率和初始相位保持不变。
此调制方式可由模拟调制法和键控法实现,调制解调电路简单,但抗干扰性差,且无法实现语音信号与短信数据的同时传输。
方案二:
采用二次调制以FSK和FM调制方式实现。
采用FSK和FM调制体系,即先利用FSK载频的不同来反映编码数据,再根据FM载波的频率变化来传递数字信息。
此调制方式抗噪声和衰落性较好,且能实现语音信号与短信数据的同时传输,但增加了软件设计部分的复杂度,解调电路较复杂。
为了实现短信数据与语音信号的同时传输,短信数据的调制以二次调制方式实现。
短信数据进行第一次调制时可采用ASK、FAK、PSK调制方式,但考虑到使用ASK调制时会增大误码率,PSK调制的解调电路相对复杂,增加了系统的复杂性,FSK调制的抗干扰性较好,其解调电路相比PSK调制容易,因此设计时其传输先经FSK调制后再与语音信号共同进行FM调制。
(4)FM解调方式的比较与选择
方案一:
采用MC3363/MC3363等窄带调频接收专用芯片,该系列芯片接收信号的频偏典型值为3KHz,具有供电电压低、功耗低、输入频带宽、信噪比高、镜像抑制能力强等优点,但是解调后的音质不如调频广播的音质好。
方案二:
采用常规的调频广播收音机接收芯片CXA1691/1238等,该系列芯片集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体,其电源电压适应范围宽,具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能,接收信号的典型频偏为75KHz,音质动态范围好。
为了实现语音信号的无失真传输,采用解调FM信号后音质较好的CXA1691进行FM解调,将其与锁相环频率合成器MB1504组合使用,以提高解调的灵敏度。
(5)FSK解调方式的比较与选择
方案一:
包络解调法。
其实现框图如图所示,用两个窄带的分路滤波器分别滤出频率为
和
的高频脉冲,经包络检波后分别取出,再把两路输出同时送到抽样判决器进行比较,从而判决输出基带数字信号。
此种方案要求滤波器的频带选择适当,对元件参数的稳定度要求较高,加大了设计难度。
图1.4包络解调法实现框图
方案二:
PLL锁相鉴频。
其实现框图如图所示,当PLL的环路带宽设计得足够宽时,能使VCO精确地跟踪FSK信号的反映调制信号规律的瞬时频率变化。
只要VCO的频率控制特性是线性的,环路滤波器的输出就是所需的不失真解调输出信号。
采用专用FSK解调芯片时,能极大地简化电路。
图1.5PLL鉴频电路框图
综合比较得,采用方案二实现FSK调制语音信号的解调。
二、系统整体框图
整个系统由发射端和接收端组成,发射端主要包括语音信号前级处理模块、A/D采样模块、FSK调制模块、FM调制模块及功率放大模块,接收端主要包括FM解调模块、滤波器模块、音频功放模块及FSK解调模块。
语音信号的传输以FM调制方式实现,基于FM调制原理,将语音信号采样、量化并编码后用其控制载波信号发生器的频率控制字,最终实现了以DDS为核心的数字式频率调制信号。
短信的传输以二次调制方式实现,编码信号先经FSK调制后,再进行FM调制。
其中,FSK及FM调制的载波信号频率控制字均由FPGA产生。
调频信号再经功率放大后送至发射天线。
接收端以收音机芯片CXA1691组成的FM解调电路解调出语音与短信信号,经过带通滤波器将两路信号分开。
语音信号经放大后送至耳机,短信信号经FSK解调后送至LCD显示。
整体系统框图如下:
图2.1(a)发射端组成框图
图2.1(b)接收端组成框图
三、理论分析
(1)天线相关理论的分析与计算
为了实现50Ω假负载上发射功率≤20mW时,通信距离不小于5米并尽量增大距离,必须提高天线发射效率,要求功放的输出阻抗与天线的阻抗匹配。
拉杆天线在不同的频率下表现的阻抗特性不同,当拉杆天线的长度小于发射信号的四分之一波长时,其阻抗表现为电阻和电容特性。
工程上,电阻值
常用以下近似公式计算:
,当天线垂直放置时,电阻值
的大小可以用下式来近似估计:
,其中,
为天线离地面的距离,单位为cm,
位天线的半径,单位为cm,
的单位为pF。
为了消除拉杆天线的容性造成的影响,使天线呈现纯阻抗,通常与天线串联一电感以消除容性。
(2)A/D采样精度的分析
A/D采样的精度直接影响了后级语音的量化误差,因此,对于A/D的采样速率与位数有较高的要求。
采样速率由信号的带宽决定,而位数必须满足一定的动态范围要求及数字部分处理精度的要求。
以远大于Nyquist采样率进行采样时,可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计要求,减轻了因前级滤波器在截止频率附近阻带衰减不够所产生的混叠效应,因而减小了恢复后信号的失真。
设计时选用了14位的LTC1414作为采样A/D,其最高转换速率可达2.2Msps,实际中将采样率设为200KHz。
(3)FM调制的分析
频率调制是使载波信号的频率按调制信号的规律变化的一种调制方式。
设载波信号的表达式为
,调制信号的表达式为
,则调频信号的表
表达式为
其中,
为起始相角;
为调频指数,
;
称为最大角频偏,其值与调制信号振幅
成正比,
,转换成频率的形式为
(4)AD9851控制原理
AD9851是AD公司推出的采用先进CMOS技术生产的具有高集成度的直接数字合成器,内置32位频率累加器、10bit高速DAC、高速比较器和可用软件选通的时钟6倍频电路。
外接参考频率源时,AD9851可以产生频谱纯净、频率和相位都可控且稳定度非常高的正弦波,可以直接作为信号源,或通过其内部的高速比较器转换为方波输出,作为灵敏的时钟产生器。
AD9851内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字,相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度,经过内部D/A转换器后,所得到的就是最终的数字合成信号。
AD9851的可编程功能主要是通过对内部的5个输入数据寄存器写入40位的控制字来实现的。
控制字的写入有并行和串行两种方式,并行方式通过数据总线D0~D7来完成,串行方式把D7上的数据按位串行移入到输入寄存器。
两种方式都由W_CLK引脚接入的控制字写时钟来触发写入的。
控制字写完后,在FQ_UD信号的上升沿作用下,控制字被写入频率/相位数据寄存器,更新DDS的输出频率和相位。
采用AD9851作为信号源的核心部件,能够实现高稳定度、高精度、高分辨率的宽带信号输出,同时又具有即时的频率转换、控制灵活、体积小、成本低等优点。
如果相位累加器的位数为N,相位控制字的值为
,频率控制字的位数为M,频率控制字的值为
,则最终合成信号的频率和相位可由下式来决定:
(1)
(2)
由
(1)式可决定输出信号的频率,
(2)可确定信号的初始相位。
当
=120MHz时,
既在120M时钟频率下输出信号的频率精度可达0.03Hz。
四、主要功能模块设计
1、发送端主要模块设计
(1)语音放大模块
语音信号的幅度在几百mv左右,鉴于AD转换器采样信号幅度范围为±2.5V,为了提高信号的量化精度,需要对信号进行前级放大处理。
设计时采用两级放大,前级采用精密型集成运算放大器OP07,其输入失调电压为150uV,共模抑制比为94dB,极大地抑制了共模噪声。
后级采用仪表放大器AD620,以电位器来调整其增益。
具体电路图如下:
图4.1语音信号放大电路
(2)抗混叠滤波器模块
图4.2300-3400Hz抗混叠滤波器电路
为了减小语音信号量化时的混叠效应,在A/D采样电路前设计了一个300-3400Hz的抗混叠滤波器,采用美信公司生产的滤波器专用芯片MAX275实现,具体电路如图4.2。
(3)A/D采样模块
根据A/D采样精度的分析,采用凌力尔特公司生产的一款14位的AD转换器LTC1414,其最高采样率为2.2Msps,输入信号幅度范围为±2.5V,参考电压由基准源芯片REF5025提供。
具体电路图如下:
图4.3A/D采样电路
(4)AD9851及椭圆滤波器模块
图4.4AD9851连接图
设计时为简化电路,减小并口数据相互间的干扰,使用AD9851的串口工作方式,并在W_CLK引脚处接一100pF的接容到地,减小高频信号干扰。
根据AD9851的控制字方式,在其复位后,由单片机给出合适的W_CLK和FQ_UD信号,并将具有不同功能的控制字写入到芯片内部以实现频率/相位调节。
其电路连接如图4.4。
AD9851输出的30MHz正弦信号存在谐波,为了抑制谐波干扰需要进行滤波。
有源滤波器由于受到运放的带宽限制,难以满足宽频带内滤波的要求,故通常采用无源滤波器。
由于椭圆函数滤波器比全极点型滤波器(巴特沃兹滤波器、切贝雪夫滤波器等)更能做到对理想低通的近似,且在同等技术指标下所需阶数最低,因而采用椭圆函数滤波器实现。
实际设计时,考虑到发射信号为单一载频,因此采用一级LC滤波器,电路图如下:
图4.5滤波器电路
(5)功率放大模块
设计要求在
假负载上发射功率
时,尽量增大通信距离,因此应提高天线上的发射效率。
为了避免丙类功放带来的失真,实际设计时采用电流输出型运放THS3001作为功率放大器,其对容性负载的驱动能力较大。
拉杆天线用LCR测试仪测得的等效阻抗为
,为了使天线呈纯阻抗特性,在功放的输出端串联一个0.106uH的电感。
调试时发现,去掉电感时的效果与在
假负载上测得的信号功率一样。
具体电路如图所示:
图4.6功率放大电路
(6)FPGA控制模块
FPGA内部集成A/D采样控制模块、短信数据编码模块、FSK调制模块和FM调制模块。
(a)A/D采样控制模块
根据AD转换器的控制时序,FPGA内部生成的语音信号量化控制模块如下:
图4.7A/D采样控制框图
(b)短信数据编码模块
基于串口通信原理,在FPGA内部模拟串口功能,将编码后的短信数据进行并串转换再输出,其波特率由直接数字频率合成器(DDS)产生。
图4.8短信数据编码框图
(c)FSK调制模块
根据DDS原理,FPGA内部预先置入频率控制字1和频率控制字2,数据选择器在基带序列码的作用下根据基带码的高低电平依次选择其中一个频率控制字进行相位累加,再在波形存储器中寻址可得到量化的FSK调制信号,以实现短信数据的FSK调制。
图4.9FSK调制框图
(d)FM控制模块
根据FM调制原理,在时钟控制作用下,依次将语音信号量化值及短信FSK调制量化值累加,并转换为相应的频偏控制字,再与AD9851载波信号的频率控制字进行计算以得到调制信号的频率控制字。
写时序控制字在时钟的作用下将生成的频率控制字写到DDS芯片AD9851,从而产生一个频率与调制信号幅度成正比的调频信号。
图4.10AD9851控制模块
2、接收端
(1)FM解调模块
FM解调部分由收音机专用芯片CXA1691及锁相环芯片MB1504组成。
解调时采用超外差解调方式,提高接收端的灵敏度与选择性。
其中频频率
选择符合标准的10.7MHz,即本振频率比接收信号的频率高10.7MHz,所以本振信号频率(
)、中频信号频率(
)、接收信号频率(
)之间的关系为
,而接收信号的频率
为30.000MHz,
因此本振信号频率
为40.7MHz。
解调电路如图4.11所示,主要电路部分为本振VCO与谐振VCO。
其中,D1、L1、C1和C2构成本振压控振荡回路,D2、L2、C4、C5和C6构成谐振选频回路。
压控振荡器回路由变容二极管BB910和自制电感组成。
根据BB910的电压与电容关系曲线,对于30MHz和40.7MHz的振荡频率,电感值为200nH左右。
图4.11(a)FM解调电路
对于超外差解调方式而言,本振信号频率的稳定度极大地影响解调的灵敏度,因此本振信号由锁相环频率合成器实现。
锁相环采用具有吞咽脉冲计数功能的单片串行输入数据的集成锁相频率合成器芯片MB1504,是一种片内带有520MHz的高速双模前置分频器,工作电源电压低,功耗低,操作简单。
图4.11(b)锁相环频率合成电路
(2)3400Hz低通滤波器模块
为分离出语音信号与短信数据,在FM解调输出端加入截止频率为3400Hz的低通滤波器模块,以减小短信数据对音质的影响。
滤波器采用带外衰减迅速的切比雪夫滤波器实现。
具体电路图如下:
图4.123400Hz带通滤波器电路
(3)5.5-7.5K带通滤波器模块
图4.13(a)5.5K-7.5K带通滤波器仿真图
针对短信数据部分,要将语音信号滤除,减小短信传输的误码率,设计时采用了具有较好滤波特性的开关电容滤波器设计芯片LTC1068,利用FilterCAD仿真软件可得其幅频特性如图4.13(a)所示:
具体连接电路为:
图4.13(b)5.5-7.5K带通滤波器电路
(4)音频功放模块
恢复的语音信号经过一级功放后送至耳机,音频功放采用低噪精密仪表运放INA129实现,保证语音的高质量输出。
通过控制电位器的值来改变其增益,以调节音量。
具体电路如下:
图4.14音频功放电路
(5)FSK解调模块
图4.15XR2211解调电路
XR2211是专为数字通信设计的一款单片PLL锁相环系统单片集成芯片,尤其适合FSK数字解调。
它采用锁相鉴频技术,最小识别电压为mV级,可在0.01Hz-300KHz的宽频带范围内工作并具有迟滞特性,其解调的连接图如图4.15所示。
其中,R7、C8决定了内部VCO中心频率
,R5、C9为环路滤波器,C7、R8构成单级点检测滤波器,R6为内部比较器的正反馈电阻。
五、系统软件设计
本系统软件设计部分分为发射部分和接收部分,分别基于FPGA和MSP430单片机平台,以异步串口通信方式实现一个主站与八个从站的通信。
发射部分程序主要分为按键处理模块、液晶显示模块和数据处理模块。
接收部分程序主要完成按键处理、站号转换和液晶显示功能。
主要程序流程图如下:
图5.1(a)发射端软件流程图图5.1(b)接收端软件流程图
六、数据测试与分析
1、发射信号频率与发射功率的测量
测量方法:
在功率放大器的输出端接入
假负载,用示波器测量发射信号的中心频率与有效值,并计算发射功率。
所测得的数据如表6.1所示:
表6.1发射信号频率与功率测量数据
测量次数
1
2
3
4
5
中心频率(MHz)
30.001
30.011
30.003
30.001
30.002
有效值(V)
0.99
0.10
0.98
0.99
0.99
发射功率(mW)
19.6
20.0
19.2
19.6
19.6
2、接收端波形的测量
测量方法:
去掉收、发天线,用一个功率衰减20dB左右的功率衰减器连接主从天线端子,通过示波器观察从站耳机两端的接收信号波形。
测量仪器连接图如下:
图6.1测试仪器连接图
测量结果:
当发送信号为300-3400Hz的正弦波时,从示波器上观察到得接收波形无明显失真。
3、通信距离测试
测试方法:
当50Ω假负载上发射功率≤20mW时,在无障碍物遮挡的室外测量主、从站间最大通信距离以能正确收到短信和语音输出不被噪声湮没为准。
测试结果:
测得语音最大传输距离为40米,短信最大传输距离不低于15米。
4、拨号选呼和群呼功能测试
测试方法:
实际制作了一个从站,用改变该从站地址的方法模拟一点对八点的呼叫。
测试结果:
从站的地址可设定为1-8,说明主站具有拨号选呼和群呼功能。
5、语音与短信的同时传输功能测试
测试方法:
主站向从站发送语音信号兵发送短信,从站在正确接收到短信数据时并能正常收听到语音。
七、总结
根据测试结果,本系统完全实现了基本部分和发挥部分,将主从站间语音传输距离扩展为40米,短信传输距离扩展为15米以上,并实现了语音信号与短信数据的同时传输。
但是系统在以下几个方面仍需改进:
1、短信数据传输时采用二次调制方式,先进行FSK调制后再进行FM调制,在接收端解调FSK信号时采用专用解调芯片XR2211。
但是,实际中发现XR2211解调FSK信号时不稳定,解调输出信号易受外界环境影响,以致影响了短信数据的传输距离。
FSK信号的专用解调芯片还有NE564、MSM7512B等,可以尝试用用其他的解调芯片。
另外,系统设计时,对于短信数据的编解码采用单片机串口通信方式实现,可以尝试使用专用的编解码芯片PT2262/2272。
2、接收端为了将短信数据从语音信号中分离,减小噪声干扰,需要一个带外衰减迅速的带通滤波器,实际设计时,发现制作的截止频率为3400Hz的低通滤波器的幅频特性更理想,但是这样导致收听语音信号时,有240Hz码元速率的信号干扰。
3、在FM解调部分,对于CXA1691电路中的本振VCO和谐振VCO,开始设计时均采用电位器来控制变容二极管,使其分别产生谐振信号
和
,但是本振信号频率稳定度直接影响了解调的效果,因此,后来采用锁相环频率合成器产生本振信号,提高其稳定度。
4、系统中使用了串口通信方式,应采取相应的数据编码方式,增加系统的校验和纠错能力,以减小数据传输的误码率。
5、使用锁相环频率合成器时,因为MB1504的输入信号幅度要求较高,对于本振信号,需要将其放大后再输入至MB1504来进行分频,设计中使用了双电源运放OPA690,并且使用双电源供电,但从功耗方面和系统供电方式考虑,应采用单电源供电方式。
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