無(wú)線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

目前，會(huì)場(chǎng)中廣泛使用無(wú)線話筒進(jìn)行通信。無(wú)線話筒是一種通過(guò)無(wú)線電波傳輸聲音的設(shè)備， 可將聲音調(diào)制到88 ～108MHz無(wú)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(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(wèn)題，本文對(duì)無(wú)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(wú)線合成器 LMX2571的使用，設(shè)計(jì)一套低功耗無(wú)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(wú)線發(fā)射部分的硬件包括供電單元、語(yǔ)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(wú)線發(fā)射硬件原理如圖 1 所示。

1.1 主控接口設(shè)計(jì)

無(wú)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(guò) Microwire 串行接口進(jìn)行通信。通過(guò) 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(guò) 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(yǔ)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(guò)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(guò)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(guò)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。

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(jì)算最大頻偏為 75 kHz 下的 FSK 數(shù)字基帶信號(hào) [5-6]。

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(guò)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(wú)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(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(xiě)入 LMX2571 寄存器中，完成頻偏設(shè)置。無(wú)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(guò)調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)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(guò)檢波器檢波后輸出語(yǔ)音信號(hào)。解調(diào)出來(lái)的語(yǔ)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(guò)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(yǔ)音信號(hào)加在一起后，經(jīng)過(guò)低頻放大與功率放大后通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)，具體電路圖如圖 4 所示。

解調(diào)后的兩路語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò) UA741 運(yùn)算放大器組成的加法器實(shí)現(xiàn)兩路語(yǔ)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?；煲粜盘?hào)經(jīng)過(guò)LM386 功率放大后驅(qū)動(dòng) 8 Ω 揚(yáng)聲器播放混合的語(yǔ)音信號(hào)。當(dāng)不需要混音，直接接收的是一路語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，就需將加法器的任一輸入端（P1 或 P2）通過(guò)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(wàn)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

無(wú)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(jiàn)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(wú)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(guò)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(jiàn)表 2 所列。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)會(huì)場(chǎng)無(wú)線擴(kuò)音進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種低功耗會(huì)場(chǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)。語(yǔ)音信號(hào)采集單元將采集到的語(yǔ)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(yǔ)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(guò)天線發(fā)射。無(wú)線接收單元將接收到的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，并經(jīng)過(guò)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(wú)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)能滿足無(wú)線話筒對(duì)低功耗的要求，具有廣闊的應(yīng)用前景