单工无线呼叫系统.doc

单工无线呼叫系统（D题）组员：金牛 岳学斌 向佳 姚忍 苏果 陈荣峰摘 要：单工无线呼叫系统分发射和接收两大部分。发射部分采用锁相环式频率合成器技术， MC145152和MC12022芯片组成锁相环，将载波频率精确锁定在35MHz，输出载波的稳定度达到410-5，准确度达到310-5，由变容二极管V149和集成压控振荡器芯片MC1648实现对载波的调频调制；末级功放选用三极管2SC1970，使其工作在丙类放大状态，提高了放大器的效率，输出功率达到设计要求。接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1191M为主体，灵敏度、镜像抑制、信噪比等各项性能指标均达到设计要求； AT89S52作为整个系统的控制部分，程序设计采用C语言在KEIL51的编译器上编程实现；显示采用12864点阵型液晶显示。经测试，整机功能齐全,接收机灵敏度可达5uv，传输距离可达228m。各项性能指标符合系统要求，接收波形稳定，无明显失真。关键词： 锁相环、压控振荡器、灵敏度、编码/解码一、总体设计方案1. 设计思路题目要求设计一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。设计分发射和接收两大模块，方框图如图1所示。发射部分采用数字频率合成技术，由变容二极管和集成压控振荡器芯片实现振荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、高速分频器、运算放大器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使输出频率稳定度达到与参考晶振同等水平；收音电路以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片为主体，用一个固定的电压值控制振荡器的振荡频率，使其接收频率与发射频率对应。采用编码解码电路实现题目所要求的一点对多点、主站具有拨号选呼和群呼功能以及数据传输业务的功能；显示部分利用液晶显示模块，显示呼叫方式、业务类型以及英文短信内容。为了尽量增加传输距离和降低系统的波形失真，必须采取有效的措施。图1 系统基本框图2 方案论证与比较（1）调制体制的方案论证与选择方案一：采用调幅体制。一般调幅发射机的组成框图如图2所示，其工作原理是：载波振荡器产生标准的载波信号，一路是线路输入和话筒输入的语音信号经语音放大后在AM调制器中进行幅度调制。调制后，功放级将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，再经天线发射出去。 图2 调幅发射组成框图方案二：采用调频体制。它由三部分组成，即频率合成器、音频处理器和FM波的缓冲放大器。频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的FM信号，它是调制器的核心部件；音频处理器的作用是将各种各样的音频信号经过处理后，变成输出阻抗和电平基本一样的信号，再将这些信号加至压控振荡器的变容二极管上；射频缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。方案选择：本系统可以采取调幅体制或调频体制。调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。故本系统采用调频体制。（2）载波信号产生电路的设计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，具体电路图如图3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。图3 西勒振荡电路方案二：采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。具体方框图如图4所示。图4 晶振电路产生载波方框图方案三：PLL频率合成。用MC145152和VCO电路进行频率合成，采用闭环控制。故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号，本题目要求发射频率在30MHz40MHz之间，选定35MHz作为载波信号。原理框图如图5所示。图5 频率合成原理框图方案选择：载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。方案一和方案二的电路比方案三的电路简单，但是其短期频率稳定度均只能达到10-210-3；而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度，可达10-510-6；且失真度很小。故本设计采用方案三。（3）接收模块的设计方案论证与选择FM专业收音电路常采用大规模集成IC CXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。方案一：采用CXA1019作为接收机电路的核心IC。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作为接收机电路的核心IC。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CXA1019具有灵敏度高、调整简单等优点；且它的灵敏度是CXA1238所力所不能及的。故选用方案1。（4）关于尽量增加传输距离的分析传输距离是单工无线呼叫系统的综合性能指标。根据单工无线传输距离公式(1)如下 (1)式中，Pt为发射机天线端辐射的有效功率，Smin为接收机的最小检测功率，Gt、Gr分别为发射机天线和接收机天线的增益，K值在发射频率确定的情况下基本是一个常量。要增大传输距离Rmax应从如下几个方面考虑： 在发射机接50假负载，其功率不大于20mW的情况下，尽量提高发射机天线辐射的有效功率Pt。当f=35MHz时，=8.5657m，当拉杆天线长1m，直径3mm时，通过MATLAB仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Zr为由此可见，发射机输出端阻抗与天线严重失配。为使天线辐射功率最大，如图6所示必须在天线端口接一个电感L，使L与CL形成串联谐振，抵消CL的作用。同时使发射机输出阻抗Ri=50与RL匹配，中间必须接一个降阻网络。图6 发射部分阻抗匹配示意图 提高接收机灵敏度。由式(1)可知，提高接收机灵敏度（即降低接收机的Smin）与提高发射机天线辐射功率Pt对增加传输距离是同等重要的。故接收机采用超外差体制，并且对接收机要调准，使接收机灵敏度最高。 在接收机输入端和拉杆天线之间必须加装升阻网络。一方面使天线阻抗与接收机输入阻抗匹配，同时加装一个电感，使之与天线等效电容形成串联谐振，接收机高放电路采用低阻抗输入的共基电路。本设计采用的CXA1019M芯片内部已集成了该电路。如果在天线输入端再加一级低噪声天线放大器，会提高接收机的灵敏度从而增加作用距离。 因本设计收发天线均采用拉杆天线或导线，其长度1m。为提高收发天线的增益，应使拉杆天线的长度等于1m或略小于1m。并且要注意收发信号时，使收发天线的极化一致，且方向调在最合适的位置。 当频率为35MHz时，波长为8.6m，其传输特性按直线传输，如果中间有障碍物则会产生反射和折射现象，对传输距离有很大的影响。所以测试应在空旷地方，中间不能有障碍物或屏蔽物。 根据电波传输理论，如图7所示。在距离为(2n-1)/4时，会出现波谷，收听效果最差；在距离为n/2时，会出现波峰，收听效果最好。其中n为自然数。 图7 电波传输理论示意图二、 系统设计系统主要分为发射和接收两大模块，经过方案比较与论证，发射和接收部分的组成框图分别如图8和图9所示。其中发射部分的集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、音频处理器、数据编码器、单片机进行数据处理、按键处理、LCD驱动。接收部分由收音模块、锁相环频率合成模块以及控制模块四大部分组成，单片机起控制作用。由于电路中既有数字电路又有高频电路，需将高频地和数字地分开以及高频电路用金属屏蔽隔离，以减小交叉调制等干扰。图8 发射部分组成框图图9 接收部分组成框图1. 单元硬件电路设计发射部分电路的设计（1）压控振荡器的设计压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的QL100。电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz。图10为压控振荡器电路图.图10 压控振荡器电路图（2） 音频处理器音频处理如图 11所示。由图可见，运放A（1）主要起到将平衡输入变为不平衡输出，运放A（2）完成电压放大的作用。音频处理器的作用就是将不同输入阻抗、不同输入电平各种信号变成基本一样的输出阻抗和VCO所需要的电平。图11 音频处理器（2） 锁相环电路设计图12 锁相环电路（3） 功率放大电路设计电路如图13所示。功放管为2SC1970，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 （4） 阻抗变换电路设计 根据MATLAB仿真，对于1m长的拉杆天线，当f=35MHz时，其等效阻抗为Z=R+jX=5.44-j115.1。要使发射机的输出阻抗50与天线匹配，必须加装降阻匹配网络，又因1m长天线呈容性阻抗，必须采用串联谐振，使之天线辐射出去的功率最大。本设计采用的是L型的LC网络来实现阻抗匹配，L型电路只有两个元件，两个要求，所以它的解是唯一的，下面为L型电路的匹配原理和计算方法。如图14所示。R1、R2为欲匹配的电阻值。图14 L型匹配网络 即 解此方程得 计算可得L=562NH，C1=280PF接收部分电路的设计（1） 收音模块设计CXA1019接收模块，电路原理图如图15所示：输入信号经阻抗变换网络后从天线端输入。在内部经混频、高放、中频滤波、中放、鉴频和低放之后从27接输出音频信号。图15（2）阻抗变换网络设计：由于受天线长度的影响，本机收的输入阻抗与天线严重失配。必须使用阻抗匹配网络。在此只使用以及变换网络，如图16所示：经MATLAB仿真，天线等效阻抗Z=5.4-J115.1。电感L1用以抵消天线的电抗分量。L2、C4、C3用以把5.4欧阻抗变换成接收机输入阻抗49.1欧（经实际测试所得）。图16（2） PLL频率合成器模块设计PLL频率合成器电路如图17所示：由单片机控制的三路串行数据分别从CE 、CLK、 DA输入控制芯片内部的可编程分频器进行对接收机的本振信号进行分频并与内部参考分频器分频得到的1KHZ参考频率进行比较、鉴相，产生一个直流误差电压，最后通过环路滤波后加到本机振荡器的变容二极管反向端以稳定本振频率。稳频精度可达到10e-6。图17（3）接收机控制部分在此不再赘述。三 系统测试1. 发射部分的指标测试和测试结果发射部分的测试分两步进行。一是观察，它是定性测试：观察输出波形的失真和对称性，所用的仪器为40MHz以上的GDS-820C数字存储示波器，正确的观察是测量的前提，因所有其他的测试都是在输出波形对称，且不失真的条件下进行的；二是测量，它是定量测试：（1） 输出频率准确度的测试采用南京南京胜普电子有限公司的SP-1500A型系列等精度频率计数器来测量频率准确度。本设计的发射频率稳定在35MHz，测试方法是控制发射部分的电源开关来控制频率的发射，每开一次就记录发射的频率值，总共记录六次不同时候发射的频率值。表（1）为记录表格。式（2）为频率准确度的计算公式。 （2） 式中A为频率准确度，f1为实测频率，f0为标称频率（35MHz）。表（1） 输出频率准确度记录表标称值（MHz）实测频率（MHz）平均值（MHz）准确度（10-5）第一次第二次第三次第四次第五次第六次35.0000035.0013235.0015735.0008635.0016835.0009235.0010835.001243.5根据表中数据并计算可知，输出的频率准确度为3.510-5。（2） 输出频率稳定度的测试采用南京南京胜普电子有限公司的SP-1500A型系列等精度频率计数器来测量频率稳定度。本设计的发射频率稳定在35MHz，测试方法为以30s为单位测量不同时间的频率值并记录。表（2）为记录表格。式（3）为频率稳定度的计算公式。 （3）式中B为频率准确度，fmax为变化最大频率，f0为标称频率（35MHz）。表（2） 输出频率稳定度记录表标称值（MHz）实测频率（MHz）fmax（MHz）准确度（10-5）00s30s60s90s120s150s35.0000035.0011235.0005735.0008635.0006835.0010235.0015835.001584.5根据表中数据并计算可知，输出的频率稳定度为4.510-5（3） 输出功率的测试首先输出35MHz的正弦标称信号，使用+12V的单直流电源为功率放大器供电，如图4.2.1所示，接一个50的纯电阻作为负载，用TDS1012型100MHz的数字存储示波器测出该电阻两端电压值Uopp（详细测量数据见表3），按照式4便可计算出输出功率。图18 输出功率测试示意图 （4）表3 功率测量数据表测量次数123456平均值电压Uopp（V）1.781.811.831.801.771.821.80功率（mW）7.928.198.378.107.838.288.102.接收部分的指标测试和测试结果接收部分主要指标是接收的灵敏度、信噪比以及其镜像抑制。（1） 接收机灵敏度 定义接收机的灵敏度是指在给定的音频输出信杂比下，产生标称输出功率所需要的最小信号电平。 （5）可得到 （6） 测试方法测量电路如图19所示，将K固定在2位置。a、调频信号发生器的载波频率为35MHz，调制频率1KHz，频偏75KHz，接收机的音调平位，按失真最小调谐，调节音量，使其输出为标准输出功率。b、改变输入信号电平及