单工无线呼叫系统报告.doc

单工无线呼叫系统摘要：本系统包括发射和接收两部分。发射部分采用锁相环式频率合成技术，使载波频率稳定在35MHZ。利用变容二极管V149及压控震荡器MC1648构成发送信号的调频电路，发射信号经过功率放大后通过拉杆天线输出。接受部分采用超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1238S，结合外围震荡电路对接收信号进行解调，出来的信号经过音频功放后驱动扬声器还原出语音信号。整个系统实现了语音传输的功能，信号稳定度较高，最长传输距离可达0.3m。关键词：锁相环、压控震荡器、CXA1238SAbstract：The system includes two transmitting and receiving. The transmitter, the PLL frequency synthesizer technology, carrier frequency stability in 35MHZ. V149 and use Varactor Voltage Controlled Oscillator constitute the FM signal transmission circuits After firing signal after amplification by antenna power output. Accept part of both AM and FM stereo radio using ultra-large-scale integration chip CXA1238S. combination of external shocks on the receiving signal demodulation circuits. The audio power amplifier signal after driving through loudspeakers Reduction out voice signal. The entire system is a voice transmission function, high signal stability and the longest transmission distance of up to 0.3m. 目录1.系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求1.1.2发挥部分1.1.3说明1.2总体设计方案1.2.1设计思路1.2.2方案论证与比较1.2.3系统组成2.单元电路设计2.1发射部分的电路设计2.1.1压控震荡器的设计2.1.2锁相环电路的设计2.1.3功率放大电路的设计2.1.4话筒输入电路的设计2.2接收部分的电路设计3.软件设计4.系统测试5.结论参考文献附录1.系统设计1.1设计要求1.1.1基本要求（1）设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30MHz40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW(50W假负载电阻上测定)，射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；（2）设计并制作一个从站，其接收频率与主站相对应，从站必须采用电池组供电，用耳机收听语音信号； （3）当传送信号为300Hz3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；（4）主、从站室内通信距离不小于5米，题目中的通信距离是指主、从站两设备(含天线)间的最近距离；（5）主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于1米。1.1.2发挥部分（1）从站数量扩展至8个(实际制作1个从站)，构成一点对多点的单工无线呼叫系统。要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能；（2）增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；（3）当发射峰值功率不大于20mW时，尽可能地加大主、从站间的通信距离。（4）其他。1.1.3说明1、主站需留出末级功率放大器发射功率的测量端，用于接入50W假负载电阻，以测试发射功率；2、为测试方便，作品中使用的衰减器（可以自制），应与作品一起封装上交。1.2总体设计方案1.2.1设计思路题目要求设计一个单工无线呼叫系统，实现主站到从站的单工语音及数据传输业务。本系统分为发射和接收两大模块。发射部分采用变容二极管及压控震荡器实现对载波频率的调频机制，通过由高速分频器、可编程分频器、鉴相器及环路滤波器组成的数字锁相环可使输出频率达到同参考晶震频率相同的稳定度。接收部分采用集成收音芯片CXA1238S，通过调节震荡器的震荡频率，使接收频率与发射频率相对应。最后通过音频功放驱动语音信号的输出。1.2.2方案论证与比较（1）调制方式的方案论证与选择方案一：调幅方式。一般调幅发射机的组成框图如下：一路是载波震荡器产生的载波信号与放大整形后的基带信号在AM调制器中进行幅度调制，一路是语音信号与载波信号在调制器中进行幅度调制。两路信号均为调幅波，通过功率激励及功率放大发射出去。方案二：调频方式。该方式的核心部分是频率合成器，其作用是产生稳定度较高的高频载波。调制信号经过放大、阻抗变换等处理后加在压控震荡器的变容二极管上，从而调节载波频率，最终得到调频信号发射出去。方案选择：方案一和方案二都可以对传输信号进行调制，但相比而言，调频方式下信号的平均功率不随时间变化，故其对能量的利用率较高，且调频方式具有较高的抗干扰能力，故本系统采用方案二。（2）频率合成的方案论证与选择方案一：采用LC振荡电路。比如西勒振荡电路，具体电路图如下图所示。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。电路的振荡频率为 式中但其调试比较复杂。方案二：采用倍频合成方案。利用晶体振荡器产生基准频率，再用选频网络加放大器选出它的谐波实现倍频。该方案稳定度较高，但存在35MHz的1/N频率的晶体谐振器难以获得、N太大和选频网络调节较为麻烦等缺点。具体方框图如下所示：方案三：采用PLL（锁相环）合成方案。该方案由压控震荡器MC1648产生35MHZ的高频信号，高速分频器MC12022、鉴相器MC1045152及环路滤波器组成的锁相闭合回路用来稳定输出信号。其原理框图如下：方案选择：相比而言，方案三的电路实现较为容易，且输出信号的稳定度较高，失真度较小。故本系统采用此方案。（3）接受模块的方案论证与选择方案一：采用CXA1019接收芯片为核心。CXA1019是日本索尼公司研制的单片大规模接收机电路，它包含了AM/FM收音机从天线输入、高频放大、混频、本振到中频放大、检波直至低频（音频）功率放大的所有功能。除此之外，还具有调谐指示，电子音量控制等一些辅助功能。方案二：采用CXA1238接收芯片为核心。CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。它的电源电压适应范围宽：210V范围内电路均能正常工作，且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。方案选择：上述两种方案实现的功能基本相同，但CXA1238具有耗电小、调整简单等优点；且它的宽电压适应范围和立体声指示及静噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故选用方案二。（4）数据传输的方案论证与选择方案一：采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。ASK有乘法器实现法和键控法两种实现方法，乘法器实现法的原理方框图如图1.2.6所示，其数字信号与载频为fc的余弦信号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法，同步解调方框原理如图1.2.7所示。图中uASK(t)信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用2cos2fct。方案二：采用微控制器和PT2262/2272组成的编码/解码电路。PT2262/2272是一对CMOS工艺制造的低功耗低价位带地址、数据编码/解码功能，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别和数据传输最常用的芯片之一。PT2262/2272发射接收电路原理框图分别如图1.2.8和图1.2.9所示。在发射端，微控制器对PT2262的地址位进行预置（即设定台号的代码），同时输入短信内容，通过微控制器进行短信编码后产生相应的数据去预置PT2262的数据位后，再调制发射出去；接收端，把接收到的信号进行解调放大后，送至PT2272，解码后在数据位产生对应的数据，通过微控制器进行短信解码后在液晶上显示所发送的短信内容。方案选择：上述两种方案都可以发送并且接收数字信号，但它们的原理不同，方案一是采用数字调制，而本设计发射部分的主体是频率合成技术，数字调制则无法把数字信号调制发射出去；方案二采用常用的PT2262/2272编码/解码电路，可靠性高，且与系统兼容；综上所述，本设计采用方案二。（5）自动控制部分的方案论证与选择方案一：采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，特别是结合了EDA，可以达到很高的效率。系统的多个部件如频率测量电路，键盘控制电路，显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性。方案二：基于单片机技术的控制方案。相对于FPGA的并行处理方式，单片机是通过对程序语句的顺序执行来建立与外部设备的通信和完成其内部运算处理，从而实现对信号的采集、处理和输出控制。它最主要的特点是其串行处理特性。方案选择：上述两种控制方式除了在处理方式和处理能力(速度)上的差异外，在实现的效果以及复杂程度等方面也有显著的区别。FPGA将器件功能在一块芯片上，相对于单片机外围电路较少，集成度高。而单片机技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。鉴于本设计中，仅单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现；因此本设计的控制方案模块拟选用上述基于单片机技术的方案二。单片机采用Atmel公司生产的AT89S51，实现对收发模块的控制。1.2.3系统组成整个系统由发射和接收两个部分组成。具体框图如下： 发射部分组成框图 接收部分组成框图2.单元电路设计2.1发射部分的电路设计2.1.1压控震荡器的设计压控震荡器电路由MC1648及外围谐振电路构成。通过调节加在变容二极管上的电压大小可以使输出频率稳定在35MHZ。下面为该部分电路的原理图：压控振荡电路由芯片内部的VT8、VT5、VT4、VT1、VT7和VT6，10脚和12脚外接LC谐振回路（含V149）组成正反馈（反相720）的正弦振荡电路。其振荡频率由下式计算。 其中 ， 即VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大后输出。该芯片的5脚是自动增益控制电路（AGC）的反馈端。将功率放大器输出的电压Vout1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定，由于本设计的频率固定在35MHz，且其反馈幅度不大，因此5脚直接接地。VCO产生的振荡频率范围和变容二极管的压容特性有关。CVD的大小受所加偏置电压U控制，它们之间的关系可由图2.1.3所示电路测出。方法为：从扫频仪输入0300MHz的扫频信号，同时用扫频仪检测该电路的谐振频率。调节电位器Rp3使变容二极管的偏压以0.5V为间隔从1V10V变化，从扫频仪观测电路的谐振点频率并记录下来。由于Cj是全部接入谐振回路，为减少波形非线性失真，取变容二极管电容变化指数r=2。根据式2.1.1，利用Matlab计算出频率与容量的关系，进而得到偏置电压与容量关系曲线，如下图所示。Rp3从CVD/U曲线上易见，偏置电压取值3.5V7.5V时，CVD的变化近似线性，从25 pF18 pF。又fc为35MHz，有：取CVD=20pF，fc=35MHz，得L=1.04H。因此，取L=1.04H可满足要求。2.1.2锁相环电路的设计压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。因此可以加入自动相位控制环节，即锁相环，来稳定发射频率。发射频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，发射频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。锁相环电路MC145152是大规模集成锁相环，集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于一体，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制，其内部框图如下图所示。MC145152内部框图（1）参考分频参考晶振从OSCin、OSCout接入，芯片内部的R参考分频器提供8种不同的分频系数，对参考信号进行分频。R值由RA0，RA1，RA2设定，如表2.1.1所示。本设计中，参考晶振为10.24MHz，所以取RA0RA1RA2101时，即R1024，对晶振频率进行1024分频。表2.1.1 MC145152参考分频器分频系数选择表RA200001111RA100110011RA001010101R864128256512102411602048（2）可编程分频由于发射部分的频率高达35MHz，MC145152的电路无法对其直接分频，必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的A减法计数器，N减法计数器构成。如图2.1.6所示。单片机 吞咽脉冲计数器原理图MC12022有64和65两种分频系数。M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。M为高电平时，MC12022以P165为分频系数，M为低电平时则以P64为分频系数。N 和A是可预置数的减法计数器，由并行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。PD为数字鉴相器。fo为压控振荡的输出频率（即发射频率）。吞咽脉冲计数器开始计数时，M的初值为1，A和N两个计数器被置入预置数并同时计数，当计到A（P+1）个输入脉冲（fo）时，A计数器计完A个预置数，M变为0；此时A计数器被控制信号关闭，停止计数；而N计数器中还有NA个数，它继续计（NA）P个输入脉冲后，输出一个脉冲到鉴相器PD。此时一个工作周期结束，和N值被重新写入两个减法计数器，M又变为1，接着重复以上过程。整个过程中输入的脉冲数共有QA（P1）+(N-A)P=PN+A，也就是说，该吞咽脉冲计数器的总分频系数为PN+A。可见，采用吞咽脉冲计数方式，只要适当选取N值与A值，就能得到任意的分频比。为实现锁相，必须有fo/（ PN+A）= fr。反过来，由于fofr（PN+A），改变N和A的值，也能改变fo，这就是输出频率数字化控制的原理。A计数器为8位，因此A值最大为63，MC12022的P值为64。如果参考频率fr10kHz，则输出频率fo（PNA）fr（64NA）10kHz。本设计中，要使发射频率为35MHz。先令A0， 则N(fo/ frA）/P=（35106/10103）/64=54.69。取N 54110110B，进而A(fo/ fr)PN=（35106/10103）645444101100B。由此可得，即给MC145152的N9N0和A5A0口预置相应的数值，这就实现了对发射频率的控制。（3）鉴相模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较，一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的，另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的，这两个信号通过鉴相器，也就是经过一个模拟乘法器后得到一个相位误差信号。设两个输入信号分别为：其中 将两信号相乘得到再经过一个低通滤波器，取出其中的误差信号，滤去其高频成分，将其直流成分用来调整压控振的输出频率。本设计采用的鉴相器集成在MC145152中，它是一种新型数字式鉴频/鉴相集成电路，具有鉴频和鉴相功能，不需要辅助捕捉电路就能实现宽带捕捉和保持。2.1.3功率放大电路的设计电路如下图所示。功放管为9018，采用感性负载，输出幅度较大。丙类功放的基极电压-VEE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号t为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C2的选频作用获得输出基波电压c1、电流ic1。集电极基波电压式中，Ic1m为集电极基波电流的振幅；RC为集电极负载阻抗。集电极输出功率 直流电源VCC供给的直流功率 集电极的效率 2SC1970 考虑到效率和功率，选择导通角为经验值70。 当功放工作在临界状态时对应的等效负载电阻 功率激励电路2.1.4话筒输入电路的设计话筒输入电路包括阻抗变换、差分放大和带通滤波三个部分。其中阻抗变换采用射级跟随器，以提高输入阻抗并减小输出阻抗；差分放大采用AD公司的仪表放大器AD620构成增益可调节的反相放大电路，起到对微弱的语音信号放大同时减小噪声的作用；带通滤波采用八阶低通与八阶高通电路串接的形式，滤除语音信号带宽之外的杂波信号。具体电路如下图：2.2接收部分的电路设计接受部分主要由大规模收音芯片CXA1238及其外围电路构成。外围电路主要包括本振、高放谐振及陶瓷滤波电路。具体电路如下：CXA1238S的电源电压适应范围宽，210V范围内电路均能正常工作；它具有立体声指示LED驱动电路以及FM静噪功能等等。其内部结构原理图如下图2.2.1所示。天线接收到的信号经过87108MHz的带通滤波器，由18脚（FM天线输入）进入芯片内部，通过选频网络将选出的电台信号送入芯片内部的FM前置放大器，进行前置放大后与本振进行混频，得到10.7MHz的中频频率。22脚外接的VD1、VD2、C8、C9、C10、VC1、L1等元件是FM本振调谐回路。20脚外接的VD3、VD4、C11、C12、C13、VC2、L2等元件是FM高放调谐回路。10.7MHz中频频率由16脚输出，然后接到10.7MHz的陶瓷滤波器上。经过了陶瓷滤波器的信号已经被滤除了带外杂波，由13脚的中频输入端引入。在芯片内部进行中频放大和鉴频。鉴频后的信号分为两路，一路由12脚驱动调谐指示电路，外接发光二级管D2（当接收信号最大时，LED显示最亮）；另一路由IC内的直流放大器放大后进行自动混合和FM静噪。经检波后的立体声复合信号（或单声道信号），由IC内直流放大器放大、滤波后变换成 AFC控制电压、由10脚输出并通过一个100K的电阻反馈至23脚，用于抑制内接变容二极管的等效电容，以达到修正FM本振频率，进行频率跟踪的目的。立体声复合信号经放大后，分别送到IC内的立体声解调器、鉴相器1和鉴相器2。鉴相器1、压控振荡器（VCO）和分频器组成锁相环路。VCO产生的76KHz振荡信号，经过二分频后变成38KHz的立体声解调开关信号，送至解调放大器。再经过二分频，并移相90后的19KHz信号与复合信号中的19KHz导频信号在鉴相器1中进行相位比较，并输出一个误差电压，由外接低通滤波器R1、C3、C5滤除高频成分后，控制VCO的振荡频率和相位，达到环路锁定。VCO的自由振荡频率可以通过 27脚外接微调电位器RP1调整，从而调整跟踪导频信号的捕捉范围。C1为去耦电容。鉴相器2的作用是检出立体声/单声道开关控制信号。当分频后的19KHz信号和输入导频信号频率相同，相位差最小时，输出正电压最大，经低通滤波器滤波（2、3脚外接电容C7）和直流放大后打开“立体声/单声道”开关，并且驱动4脚外接立体声指示（发光二极管D1）。最后把解调、放大后的立体声信号分左、右两路分别从两个声道的输出口（5、6脚）输出。信号通过去加重网络进行去加重处理后，送到用于音量调节的数字电位器X9511，经过音频放大后，进而驱动扬声器发声。3.软件设计鉴于单片机技术比较成熟，且开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。故设计用C语言对其编程并烧录到芯片内部，C语言表达和运算能力比较强，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。程序分为发射部分和接收部分。3.1 软件设计和硬件设计的关系硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设