对讲机设计报告

1、TI杯XX省大学生电子设计竞赛设计报告单边带调幅对讲机摘要：本对讲机系统采用单边带调幅(SSB)方式完成语音和数据的传输，通过使同一机器的发射和接收工作在不同频率实现全双工通信。超外差结构使接收机接收灵敏度高并具有自动增益控制（AGC）功能和信号强度指示。使用自制单边带晶体滤波器滤除载波及上边带以产生单边带信号。使用数字锁相环产生混频级本振，使得发射频率可在小范围内调整，实现多频道通信。关键字：单边带超外差全双工多频道Abstract：The interphones use Single Side Band (SSB) mode to fullfill the sound and data t

2、ransmission ,and two different frequencies used by the stransimitter and the receiver respectly to make it possible to achieve the full-duplex communication.The sensitivity of the receiver benifits from the superheterodyne architecture.The Automatic Gain Control(AGC) and the indication of the intens

3、ity of the signal are also realized.Using the self-made crystal filter to remove the carrier and USB.The digital PLL used by the mixer make it possible to change the frequency in a small scale and communicate in multi-channel.Keywords：SSBSuperheterodyneFull-duplexMulti-channel目录1. 前言12. 总体方案设计12.1.

4、总体方案框图12.2. 单边带实现方式12.3. 电路结构设计32.4. 混频级本振选择32.5. 调制解调方式选择42.6. 载波恢复42.7. 单片机型号选择53. 单元模块设计53.1. 发射机电路53.1.1. 调制解调电路63.1.2. 语音放大电路63.1.3. 平衡调制电路63.1.4. 单边带滤波器83.1.5. 混频电路83.1.6. 高频功放103.2. 接收机电路103.2.1. 高频小信号选频放大103.2.2. 混频电路113.2.3. 中频放大及AGC电路113.2.4. 同步检波电路123.2.5. 音频功放123.3. 实时时钟电路123.4. 程序设计134.

5、 系统调试144.1. 单边带晶体滤波器的制作及调试144.2. 提取导频154.3. 合路器的制作及调试164.4. 数据传输的调试164.5. 模拟开关辅助数据传输175. 系统功能及指标参数175.1. 系统功能175.2. 解调单频信号的各参数175.3. 数据传输误码统计185.4. 测试所用仪器型号186. 设计总结187. 参考文献188. 附录191. 前言普通调幅通信系统中，载波经音频信号调制后，包含载波频率和上、下两个边带，这两个边带均能用来传输信息。通常传递信号，仅需要一个边带就足够了，但在一般的通信系统中，往往把载波频率和上、下边带一起发送出去，这样在载波和另一边带中消

6、耗了发射功率中的大部分功率，而且还要占用较宽的通信频带。虽然DSB调制提高了效率，但仍然浪费带宽和发射功率。为了提高通信效率和节约通信频带，在通信时，可将载波和另一边带去掉，只发送一个边带，这种通信方式就称为单边带通信。单边带通信的优点是：1、节省功率；2、节约频带；3、由于单边带发射机不发送载频，提高了保密性。其缺点是设备比较复杂。2. 总体方案设计2.1. 总体方案框图本对讲机主要由SSB发射模块、SSB接收解调模块及单片机控制模块组成。发射和接收分别工作在不同的频率，可实现异频全双工语音传输。使用调制解调芯片实现半双工数据传输。采用超外差方式，使接收机灵敏度较高，从AGC电路取出中频放大

7、检波后的直流分量作为信号强度指示。混频级使用数字锁相环产生载波，使得发射频率可在小范围内调整。2.2. 单边带实现方式方案一、移相法下图是采用移相法实现单边带调幅的电路组成模型。图中假设移相器的传输系数为1。设，则相乘器的输出电压为：相乘器的输出电压为：将与相加，则得，上边带被抵消，两个下边带叠加后输出。将与相减，则得，下边带被抵消，两个上边带叠加后输出。移相法虽然效率高，但电路复杂，对移相器要求很高，不易实现。方案二、多次滤波法滤波法,是利用选频网络滤出双边带信号(一般是平衡调制信号) 中的一个边带信号。两个边带的频率间隔为2F,F为调制信号的最小频率分量,由于该人类语音的最小频率分量为30

8、0Hz,所以要求滤波器的截止特性极为陡峭才行。这就给滤波器的设计和制作带来困难,在中心频率f比较低的情况下尚能实现,在中心频率比较高的情况下选频网络将难以实现。在实际工作中,往往采用多次频移及多次滤波法来实现。但此方法工作量大，电路复杂，不易调试。方案三、窄带晶体滤波器晶体具有陡峭的频率特性，可采用多个相同频率的晶振串联构成窄带晶体滤波器。随着石英滤波器的应用日益广泛, 现在已有了“单边带信号”=“边带晶体滤波器” 之说。以往人们认为晶体滤波器不能自己制作, 实际上, 只要用心制作, 反复推敲, 就能使自制品的质量接近专业厂的成品质量。经论证，本作品采用方案三实现单边带的产生。2.3. 电路结

9、构设计方案一、采用直放式收发结构此方案电路结构简单，调试方便，但高频放大器很难适应各种不同的工作频率，接收机接收灵敏度不够高，不易加入AGC电路或进行信号强度指示。方案二、采用超外差结构此方案电路结构较为复杂，调试过程工作量也较大，但由于固定中频频率比较低，所以中频放大器的增益高、工作稳定，因此接收机的灵敏度可以做到很高。各个波段外来的高频信号都是变成固定中频之后再放大的，中频放大的增益不随外来信号的频率变休而变化，各个波段的信号都能够得到均匀的放大。由于工作频率固定，各中频放大的调谐回路，可按需要专门设计、调整，从而获得理想的矩形谐振曲线，这不但可以提高邻近波道的选择性，也可以使上下边频信号

10、获得同样的放大，降低了频率失真。所以超外差式收音机不仅选择性很好，而且失真也小。超外差由于差频关系而产生的外差机特有“像频干扰”，需要加以注意。综上所述，选择方案二。2.4. 混频级本振选择方案一、LC振荡器本方案电路较为简单，但由于振荡频率由谐振回路的电感及电容决定，受温度影响较大，频率稳定度较低，且需计算电感电容值，并根据实际电路进行调整。方案二、石英晶体振荡电器使用石英晶体滤波器作为混频级的本振，频率稳定度可达数量级，此类振荡器频率随可微调，但频率相对固定，使对讲机工作频率固定在某一频率上，不够灵活。方案三、锁相环振荡器使用数字锁相环产生混频级的本振信号，虽然电路及调试较为复杂，但输出频

11、率稳定度高（接近晶体振荡电路），并且可以用程序调整振荡频率，使得混频级频率可以在小范围内变动，实现多频道通信。方案四、直接数字频率合成（DDS）产生振荡直接数字频率合成信号频率稳定度高，频率分辨率极高，频率调整方便，但DDS价格较贵，且采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个：相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差（由存储器有限字长引起）造成的杂散和DAC非理想特性造成的杂散。经以上比较论证，选择方案三。2.5. 调制解调方式选择方案一、FSK方式实现调制解调FSK是用数字信号去调制载波的频率，主要优点是: 实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到

12、了广泛的应用。用MSM7512芯片可以很容易实现FSK方式的调制解调。方案二、DTMF方式实现调制解调DTMF编解码器在编码时将击键或数字信息转换成双音信号并发送，解码时在收到的DTMF信号中检测击键或数字信息的存在性。一个DTMF信号由两个频率的音频信号叠加构成。由于我们对MSM7512芯片较为熟悉，并且硬件电路结构简单，所以采用方案一。2.6. 载波恢复方案一、插入导频法在已调信号频谱中额外插入一个低功率的线谱，以便接收端作为载波同步信号加以恢复，此线谱对应的正弦波称为导频信号。设调制信号m(t)中无直流分量，被调载波为a sinct，将它经90°移相形成插入导频（正交载波）-a

13、cosct，其中a是插入导频的振幅。于是输出信号为uo(t)=am(t)sinct-a cosct。设收到的信号就是发端输出uo(t)，则收端用一个中心频率为fc的窄带滤波器提取导频-acosct，再将它经90°移相后得到与调制载波同频同相的相干载波 sinct。方案二、本地振荡采用和发射电路平衡调制相同的晶体振荡电路，理论上要求两个晶振具有完全相同的特性，否则解调效果较差。但经实际实验，解调出的语音及数据都可以接受。而且电路简单，与插入导频法相比，工作量大大减少。制作初期选用方案一，但由于实验时间有限，没有成功，最终选用方案二。方案一的调试过程见系统调试部分。2.7. 单片机型号选

14、择方案一、使用51单片机51单片机的时钟电路对外辐射出较强的电磁波，对接收机的正常工作产生不良影响，而且其资源有限。信号强度指示需在外部添加A/D转换芯片完成。方案二、使用MSP430单片机MSP430的时钟电路对接收机影响较小，而且可以利用内部的12位A/D转换完成信号强度的处理。综上所述，选用方案二。3. 单元模块设计3.1. 发射机电路A发射机发射频率是37.938.1MHz，B机的发射频率是26.927.1MHz。两机发射模块基本结构相同。3.1.1. 调制解调电路 C 40、C79是电源滤波电容，C78是隔直耦合电容。使用3.579MHz的晶振，MDO连接到单片机P34管脚控制MSM

15、7512的工作模式。RS连接到单片机P35管脚端控制MSM7512 的发送使能。RD、XD和单片机的串口相连 。 3.1.2. 语音放大电路为保证音频放大质量，选用低噪声运算放大器TL082，使运放组成反相比例放大电路。由于使用单电源供电，所以要在运放同相端加Vcc/2的偏置。放大倍数可由电位器R44进行调整。3.1.3. 平衡调制电路平衡调制的载波信号由信号由皮尔斯晶体振荡器产生，振荡频率为9.9995MHz。石英晶体与外部电容C37、C38、C35构成并联谐振回路，它在回路中起电感作用，构成改进型电容三点式LC振荡器。电容C35用来微调电路的振荡频率。集电极谐振回路用10.7M中周组成，用

16、于调整输出正弦波的波形。载波由集电极耦合至MC1496，R17用于衰减信号幅度，以减小载漏输出。由于单边带晶体滤波器上限截止频率为9.9991MHz，为了取下边带，本振荡电路的振荡频率应为9.9991MHz+300Hz=9.9994MHz，设计时采用9.9995MHz的振荡频率，以使边带滤波器更好的滤除载漏。在AM的基础上，去掉调制信号的直流分量即可产生DSB信号。即，MC1496平衡调制需使1、4脚电压差为零。5脚电流=（9-0.7）/(10k+500)=0.8m。.MC1496要求调制信号的动态范围为，将=1k，=26mV，=1.6mA代入得。语音信号幅度符合要求。下图是对2KHz的单频信

17、号调制后DSB信号及其频谱。3.1.4. 单边带滤波器从结构上讲，晶体滤波器分为X型滤波器和T型滤波器两大类。本作品使用的是后者，电路如上图所示。为了满足陡峭频率特性，电路由4个10M的石英晶体串联而成，且频率尽量相近，使得滤波器在晶体串联谐振点有及其尖锐的频响曲线。带宽是晶体滤波器的重要指标，因话音频率范围为3003000Hz，所以要求晶体滤波器的带宽达到2000Hz以上，市售的短波收发机所用的晶体滤波器的带宽一般是2000Hz。串联的晶体个数越多，带宽越宽，但同频带内的平坦度有变差的趋势。结合成本因素，所以晶体个数要适中。接地电容对滤波器特性影响重大。由公式及可计算出接地电容CB和滤波器阻

18、抗ZB。制作时给接地电容并联可调电容，方便调试。自制晶体滤波器的阻抗较低，所以滤波器输入输出端串联了可调电容和并联了两个中周来调整阻抗匹配。3.1.5. 混频电路锁相环MB1504是一种具有吞脉冲功能的单片串行输入数据的集成锁相频率合成器芯片。结合外部的环路滤波器（LF）和压控振荡器（VCO)构成混频级本振。LF将VCO振荡信号与晶体振荡信号的相位差转换为直流电压控制VCO的振荡频率，从而使VCO输出频率稳定度接近晶体振荡器的频率稳定度。采用此种结构的混频级本振使得对讲机的通信频率可在小范围内改变，程序中锁定频率步进长度为10KHz，对讲机工作在两个频段的5个频道。A机的发射频率为37.90M

19、、37.95M、38.00M、38.05M、38.10M，也是B机的接收频率。A机的接收频率是有26.90M、26.95M、27.00M、27.05M、27.10M，也是B机的发射频率。NE602使用一个双平衡混频器，产生的只是原来频率的和与差的频率，而不是中频输入获本振信号，而且外围电路结构简单。NE602是个低电压和低电流器件，它需要4.5V至8V的直流电压，通常消耗的电流低于3mA.在5V的电源下，它工作得很好，如果采用9V电源，则要有预防措施。对讲机采用7805为其供电。L1为射频扼流圈使电源和NE602退耦。NE602使用两个不同的输入端，其中任何一个都可以单独使用。它的输入电阻在较

20、低频率下是1.5K左右，所以需要单边带晶体滤波器输出端有中周进行阻抗变换。混频后经三极管9018组成的选频放大电路后送至高频功放。3.1.6. 高频功放由于题目要求对讲机通信距离大于10米即可，所以发射机末级选用小信号放大电路进行功率放大。3.2. 接收机电路A机接收频率是26.927.1MHz，B机接收频率是37.938.1MHz。两机接收模块结构基本相同。3.2.1. 高频小信号选频放大高频小信号放大电路选用双栅场效应管3sk122，由AGC电路产生的控制信号加在第二栅极控制放大倍数。信号输入用二极管限幅，起到保护场管的作用。场管漏极的中周调谐在接收本机的接收频率上，通过次级线圈耦合至混频

21、级NE602的输入。3.2.2. 混频电路混频电路同样使用NE602芯片，电路原理相同，在这里使用更能体现NE602灵敏度高的优点。3.2.3. 中频放大及AGC电路AGC放大电路选用双栅场效应管3SK122作为放大器件，中频信号通过变压器耦合到Q1的第二栅极，变压器起到选频和阻抗匹配的双重作用。信号通过C46耦合到Q2进行第二级放大。D6、D7、C51、C52对放大后的中频信号检波产生AGC控制信号，信号强度指示的控制信号也从这里取出送给单片机处理。VT7对AGC控制信号进行放大，VT6组成一个射级跟随器。电位器R28对控制信号进行分压，以改变反馈深度。AGC控制信号最后加到Q1、Q2的第一

22、栅极，控制Q1、Q2的放大倍数。3.2.4. 同步检波电路同步检波电路同样使用电路简单的NE602，本振由皮尔斯晶体振荡器产生，频率为9.9995MHz。振荡频率可由C80微调。检波后经电阻R41和电容C69组成的低通滤波电路送至音频功放进行放大输出。3.2.5. 音频功放音频功放选用LM386组成，其外围电路简单。输出功率可以满足题目要求。3.3. 实时时钟电路DS1302 是DALLAS 公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM ，通过简单的串行接口与单片机进行通信，实时时钟/日历电路提供秒分时日星期月年的信息，每月的天数和闰年的天数可自动调整，时钟操作可

23、通过AM/PM 指示决定采用24 或12 小时格式。3.4. 程序设计MSP430F247单片机具有丰富的外围资源，及多达48个I/O口。在本设计中需要用到其ADC模块、串口A、定时器B及通用I/O口。主函数程序流程图如下图： 初始化：在初始话的过程中首先对单片机个模块进行初始化，初始化液晶，开显示；然后对接收机和发射机的MB1504进行分频比和锁定频率设置。设置MSM7512为接收模式。短信收发：当Write_Flag或Rece_Flag被置位时，系统进入短信收发模式。进入短信模式后，打开PS2键盘。判断是否接收到信息（nRx_Flag被置位），如果收到信息则显示接收到的信息，按下任意键后可

24、以清除接收信息并进入写信息模式回复信息；如果没有收到信息则进入发送信息模式，显示输入的字符、数字，输入完成后（nTx_Flag被置位）发送信息并清除写入的信息，等待新信息的输入。按下KA键或键盘上的“ESC”键可以退出短信息模式。置频设置：当KC键被按下（Set_Flag=1）进入此功能，此时可以通过按KB、KC来选择设置的频率。选择好之后按KA确定向对方发送置频指令或KD退出设置。串口A接收中断服务程序流程图： 4. 系统调试4.1. 单边带晶体滤波器的制作及调试最初制作的晶体滤波器为了达到带宽要求，使用了8个晶振，输入输出端没有串联可调电阻，使得同频带的带宽足够宽，但是同频带内频率特性不够

25、平坦，起伏非常大。后改为6个晶振，没有注意晶体之间频率特性的差异，效果依然不好。最后注意到要选用串联谐振频率相近的晶体，尽量接近，相差较多时，带宽较宽，但通频带平坦度很差。在输入输出端串联可调电阻可以很好的调整平坦度和衰减倍数。调试过程一直使用扫频仪对滤波器进行测试。下图是调试好的边带滤波器的幅频特性。下限截止频率为9.9958MHz，上限截止频率为9.9991MHz。矩形系数。4.2. 提取导频制定初始方案时载波恢复选用的是发射机插入导频，接收机提取导频。插入导频：由平衡调制的本振移相90并衰减为语音调制信号幅度的1/10后与单边带信号相加送入后级混频即可。提取导频就要用到和单边带滤波频率特

26、性一样陡峭的窄带滤波器，即只允许载波通过。用同样的晶体无法达到这个效果。所以考虑使用锁相环做窄带滤波器（原理如下图所示），既要求锁相环的捕捉带非常窄。经试验锁相环NE564的捕捉带无法调整到几KHz的带宽，所以窄带就难以实现。考虑使用NE564制作高通滤波器，使得通频带的下边界有很高的陡峭度。为此需要将NE564的捕捉带的下边界调整到9.9991和9.9995之间的400Hz。由于NE564的锁频范围由外部所接电容决定，调整电容值即可改变其捕捉带。但使用可调电容调制，频率变化非常大，很难调到所需状态。所以又考虑使用变容二极管完成NE564的电路，因为通过调节电压可以该变容二极管的电容，而电压可

27、由大电位器与小电位器组合进行精密控制，所以可以较为轻松地调整NE564的捕捉带，当两个频率相近的信号同时加入NE564时，NE564可以捕捉到属于捕捉带内的信号并锁定跟踪。但电压不稳又使其振荡频率发生漂移。NE564输出的TTL电平或ECL电平，需经过LC选频放大才能得到标准正弦波，但三极管本身又有噪声产生，使选频放大后的信号夹杂其他成分，送至同步检波效果较差。历经以上试验，最后我们更改方案，选用本地晶体振荡器。4.3. 合路器的制作及调试上图是原先给对讲机做的合路器，即使得发射和接收共用一根天线。上部是B机的，由27MHz的低通滤波器和38MHz的高通滤波器组成，高通滤波器滤除本机的发射信号

28、；下部是A机的合路器，由27MHz的低通滤波器和38MHz的高通滤波器组成，低通滤波器滤除本机的发射信号。滤波器频率特性都经过扫频仪测试。后来经实验发现共用一根天线效果没有用两根天线好，所以最后只使用了合路器的接收部分，作为接收机的前端滤波处理。4.4. 数据传输的调试用A机发射数据，B机接收的数据直接传至电脑，通过串口助手调试电路及程序。开始时，发射和接收的频率没有对到，所以接收到的都是乱码。后经调整频率，误码率明显降低。然后将接收端数据通信移植到MSP430单片机并用液晶显示。4.5. 模拟开关辅助数据传输通过程序控制MSM7512在默认状态下工作在接收模式，当输入信息并按回车后才工作在发

29、送模式，发送完毕后回到接收模式。接收和发送的信号都从同一个管脚进出7512，当接着接收的跳线时，数据就发不出去，收到数据后需要拔掉跳线才能发送，所以为了更人性化地实现聊天功能，采用模拟开关CD4051为7512进行切换。而MSP430单片机的电平无法驱动CD4051所以还需要电平转换芯片，在此选用SN74LVC4245A芯片。电路图如下：5. 系统功能及指标参数5.1. 系统功能1. 异频全双工语音对讲（扩展功能）2. 采用SSB调制方式（扩展功能）3. 半双工数据（字符、数字）传输（扩展功能）4. 场强指示（自由发挥）5. 多频道置频功能（自由发挥）6. A机发射距离为23米，B机发射距离为25米。即在23米以内对讲机可完成双工语音通信。5.2. 解调单频信号的各参数第一次第二次第三次第四次第五次第六次失真度(%)7.647.407.617.757.787.34信