双工无线语音数据传输系统的设计

双工无线语音数据传输系统的设计学生：刘X X，物理与信息工程学院指导老师：肖X X，X X大学摘 要电通信系统的作用，是将产生消息的信源信息发送到一个或多个目的地。一般情况下，通信系统可以用功能框图进行表示。信源所产生的信息可以是声音（语音图像），图像（影像源），或以某些特殊语言如英语，日语，德语，法语等写成的纯文本。产生信息的任何一个信源，都有一个基本的特征.通信系统的核心由三个部分构成，即发信机，信道和接收机。本设计的核心芯片为D1800，它作为收音接收专用集成电路，功放部分选用D2822。对讲的发射部分采用两级放大电路，第一级为振荡兼放大电路：第二级为发射部分，采用专用的发射管使发射效率和对讲距离大大提高。它具有造型美观、体积小、外围元件少、灵敏度极高、性能稳定、耗电省、输出功率大等优点。它既能收到电台又能相互对讲。接收机的参数：调频波段30MHZ-90 MHZ；工作电源电压范围2.5-5V；静态电流13.5mA；信噪比80dB;谐波失真0.8%;输出功率350mA。发射机工作电流：18mA，对讲距离50-100米。关 键 词双工无线语音数据传输系统、信息、芯片D1800Triple wireless voice data transmission system designStudent : Liu figure, physics and information engineering collegesInstructor : Xiao Yun hong, Jianghan UniversityABSTRACTElectrical communication systems are designed to send messages or information from a source that generates the message to one more destinations. In general, a communication system can be represented by the functional block diagram shown . The information generated by the source may be of the form of voice (speech source), a picture (image source), or plain text in some particular language, such as English , Japanese, German , French, etc. An essential feature of any source that generates information is that its output is described in probabilistic terms。 The heart of the communication system consists of three basic parts, namely, the transmitter, the channel, and the receiver.The core chip design for D1800, as a radio host ASIC, Gongfang some choice D2822. The launch of the enlarged phone circuit levels, the first level of vibration and enlarged circuit : for the second stage of the launch, the launch of a dedicated launch distance greatly enhance efficiency and accuracy. It has shaped, stylish, small size, low external components, high sensitivity, stable performance, consumption provinces, such as the advantages of output. It will also cross check received radio.The receiver parameters : FM band 30MHZ-90MHZ; work 2.5-5V; static electricity supply voltage range 13.5mA; Xinzaobi 80dB; harmonics distortion 0.8%; output =350mA. Transmitters work currents : 18mA, accuracy distance 50-100 metres.Key WordTriple wireless voice data transmission system 、messages or information、chipD1800目录第一章 概述 . 3一、 发展历史. 3二、 通信系统的组成 . 4 三、通信系统的类型 . 4四 、发展前景. 4第二章 总体设计方案 . 6 一、总体论述. 6二、方案比较. 7三、最终选定方案. 24第三章 原理介绍 . 25第四章 安装及调试 . 27总结 . 30致谢 . 31参考文献. 32附录一 . 34附录二 . 35附录三 . 36第一章 概 述一、发展历史通信的根本任务是远距离传输信息，准确地传输数字信息是数字通信中的一个重要环节。在数字传输系统中，其传输对象通常是二进制数字信息。它可能是来自计算机、网络或其它数字设备的各种数字代码，也可能来自数字电话终端的脉冲编码信号。设计数字传输系统的基本考虑是选择一组有限的离散的波形来表示数字信息。这些离散波形可以是未经调制的不同电平信号，也可以是调制后的信号形式。由于未经调制的脉冲电信号所占据的频带通常从直流和低频开始，因而称为数字基带信号 。在某些有线信道中，特别是传输距离不太远的情况下，数字基带信号可以直接输，这种传输方式称数字信号的基带传输；而在另外一些信道，特别是无线信道和光信道中，数字基带信号则必须经过调制，将信号频谱搬移到高频段才能在信道中传输，然后在收端用解调器把信道中传输的已调信号还原成基带信号，这种传输方式称数字信号的频带传输（或载波传输）。基带传输包含着数字通信技术的许多问题，频带传输是基带信号调制后再传输的，因此频带传输也存在基带问题。基带传输的许多问题，频带传输同样须考虑。如果把调制与解调过程看做是广义信道的一部分，则任何数字传输系统均可等效为基带传输系统。理论上还可证明，任何一个采用线性调制的频带传输系统，总是可以由一个等效的基带传输系统来代替。无线语音数据传输系统是一种工程性和实践性都很强的高频应用电子技术。数据采集部分电路将语音话筒的电压模拟量采集，转换成数字量后，再又单片机进行数据计算压缩储存，其任务具体地说就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得出所需的数据。此电路要求具有灵敏度高，抗干扰能力强，工作可靠，组装容易，调试简便等特点。能够满足实时采集、实时处理和实时控制等要求。二、通信系统的组成无线通信的类型很多，可以根据传输方法、频率范围、用途等分类。不同的无线通信系统，其设备组成和复杂度虽然有较大差异，但它们的基本组成不变。无线通信系统中的高频组成部分有：（1）振荡器（信号源、载波信号或本地振荡信号）（2）高频小信号放大器或高频功率放大器（3）混频（高频信号变换或处理）（4）调制与解调（高频信号变换或处理）在无线通信系统中通常需要某些反馈控制电路，这些反馈控制电路主要是自动增益控制（AGC）或自动电平控制（ALC）电路，自动频率控制（AFC）电路和自动相位（APC）电路（也称锁相环PLL）。此外，还要考虑高频电路中所用的元件、器件和组件，以及信道或接收机中的干扰与噪声问题。需要说明的是，虽然许多通信设备可以用集成电路（IC）来实现，但是上述的单元电路通常都是由有源的和无源的元器件构成的，既有线性电路，也有非线性电路。应当指出，实际的通信设备比理论的要复杂得多。比如发射机的振荡器和接收机的本地振荡器就可以用更复杂的组件频率合成器（FS）来代替，它可以产生大量所需频率的信号。三、无线通信系统的类型无线通信系统的类型，可以根据不同的方法来划分。按照无线通信系统中关键部分的不同特性，有以下一些类型：按照工作频段或传输手段分类，有中波通信、短波通信、超短波通信、微波通信和卫星通信等。所谓工作频率，主要指发射与接收的射频频率。射频实际上就是“高频”的广义语，它是指适合无线电发射和传播的频率。无线通信的一个发展方向就是开辟更高的频段。1、按照通信方式来分类，主要有（全）双工、半双工和单工方式。所谓单工信，指的是只能发或只能收的方式；半双工通信是一种既可以发也可以收但不能同时收发的通信方式；而双工通信是一种可以同时收发的通信方式。2、按照调制方式的不同来划分，有调幅、调频、调相及混合调制等。3、按照传送的消息的类型分类，有模拟通信和数字通信，也可以分为话音通信、图象通信、数据通信和多媒体通信。各种不同类型的通信系统，其系统组成和设备的复杂程度都有很大的不同。但是组成设备的基本电路及其原理都是相同的，遵从同样的规则。四、发展前景此系统在社会上有许多用处，其中最有意义的一点是集群通信系统可以为城市应急联动中心的处警调度员和现场人员之间提供高效的无线话音、数据调度、无线数据查询系统解决方案，具体讲：数字集群通信系统所附属的调度台可支持处警调度员对现场人员进行小组或个人的调度呼叫；可以提供良好的广域无线覆盖区域，为处警调度员与现场人员、以及现场人员之间提供话音通信服务；可以提供与已有的移动设备 （例如 模拟集群通信系统，或和等常规无线通信系统和设备） 进行音频通信的能力；可以通过城市应急联动中心实现对全部无线用户机的使用功能进行管理；有处警调度员和值班主任可在数字集群通信网的网络终端上对现场人员发送数据调度指令，极大的提高了对紧急事件处理调度的效率；场人员可通过数字集群通信系统点的移动数据终端向城市应急联动中心处警调度员随时发送事件现场信息；场人员可利用数字集群通信系统的移动数据终端随时查询有关网络数据库的信息；字集群通信系统的网络通讯监控和管理系统还可实现在城市应急联动中心内对各远端无线基站进行实时监控和管理，以增强对远端基站的设备维护能力，同时减少维护费用，等等。第二章 总体设计方案一、 总体论述1、信息源 信源是发出信息的源，其作用是把各种可能消息转换成原始电信号。信源可分为模拟信源和数字信源。模拟信源(如电话机、电视摄像机)输出连续幅度的模拟信号;数字信源(如电传机、计算机等各种数字终端设备)输出离散的数字信号。 2、变换器 因语声、图像等原始的消息不能以电磁波来传送，所以需要通过变换器将原始的非电消息变换成电信号，并再对这种电信号进一步转换，使其变换成适合某种具体信道传输的电信号。这种电信号同样载有原有的信息。例如电话机的送话器，就是将语声变换成幅度连续变化的电话信号，再进一步转换后送到信道上去。3、信道 信道是指传输信号的通道，可以是有线的，也可以是无线的，有线和无线均有多种传输媒质。信道既给信号以通路，也对信号产生各种干扰和噪声。传输媒质的固有特性和干扰直接关系到通信的质量。 4、反变换器 反变换器的基本功能是完成变换器的反变换，即进行解调、译码、解码等等。它的任务是从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始信号来。对于多路复用信号，接收设备还具有解除多路复用和实现正确分路的功能。 5、信宿 信宿是传输信息的归宿，其作用是将复原的原始信号转换成相应的消息。 6、噪声源 噪声源是信道中的噪声以及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。信道信源受信者接收设备噪 声 源发送设备图1 通信系统的一般模型二、 方案比较1、使用通用集成芯片实际上的发射机是不易集成的，特别是大功率和超大功率发射机不易集成，仅低功率发射机可以集成，由于商业需要，近年来一些专用的集成芯片不断涌现下面结合课程内容简单介绍一下，有兴趣的读者可参考有关专著。1 ）MC2831A集成调频发射机MC2831A是低功率单片集成FM发射系统，用语无绳电话和其他调频通信设备。该芯片内集成微音放大器、单音振荡器、压控振荡器和电池检测器。该芯片集成有话筒放大器、导频振荡器、压控振荡器和电池检测器MC2831A具有以下特点：电源电压范围宽（3.0V-8.0V）；消耗电流小，EC=4.0V时消耗电流不超过4.0mA;电池检测器可用于指示电源电压，检测器消耗电流为290A；所需外围元件少。MC2831A的外围及引出端排列附录2（A）所示。MC2831A工作频率可高至100MHZ以上，典型应用为49.7MHZ。附录2是MC2831A内部组成及构成49.7MHZ单片FM发射机的外接应用电路。根据芯片内部结构，芯片各引脚的名称和作用如下。第1脚：可变电抗输出端。第2脚：去耦端，外接一电容到地。第3脚：调制信号输入端，由片内微音放大器送来，此信号可控制可变电抗的大小，实现对高频振荡器的频率调制，产生调频波。第4脚：电源输入端（38V）第5脚：微音放大器输入端，即音频输入端。第6脚：微音放大器输出端，将放大后的音频信号输出。第7脚：单音开关接点，外接常闭型按钮开关S。当S闭合时，片内单音振荡器的振荡信号不能通过第8脚输出，而由微音放大器输出；音频信号通过第6脚送到第3交，去控制可变电抗，从而实现对高频信号的音频调频。S断开后，单音振荡器信号可通过第8脚输出，送到第3脚，去控制可变电抗，实现对高频信号的单音调频。第8脚：单音输出端。第9脚：单音振荡器外接振荡器回路端。第10脚：LED端，外接二极管显示器。第11脚：电源检测器。第12脚：电源输入端。第13脚：接地端。第14脚：高频输出端，由片内调频振荡器经缓冲器送来，外接调谐匹配网络至发射天线。在频率为49.7MHZ时，输出阻抗为50欧，谐波衰减大于25DB。第15、16脚：高频振荡器接入端。可变电抗由第1脚外接小电感及石英晶体加到第16脚，这些元件与外接的56、51PF电容组成高频压控振荡器，产生调频波输出。这种电路的最大不足之处在于发射功率太低，应用范围受到很大限制。2） MC2833集成调频发射机MC2833也是低功率单片调频发射系统，其工作频率可达100MHZ以下。附录二是MC2833内部组成及外接应用电路。将MC2833与MC2831的内部组成相比较，可以看出高频振荡、可变电抗、缓冲、微音放大和内部参考电源等部分二者是相同的。不同之处是MC2833无单音振荡及单音开关电路，而增加了两级放大器，这样可以提高电路的发射功率。在典型应用电路中，缓冲级输出的调频信号经第14脚片外的三倍频调谐电路，由第13脚回送到片内；经片内第一级放大器放大，由第11脚输出，经33PF电容耦合到第8脚；再经片内第二级放大器放大后从第9脚输出，通过选频与匹配网络经天线将功率辐射出去。由于通过两级放大，MC2833的发射功率比MC2831要大得多。当工作频率为49.7MHZ、负载为50欧、谐波衰减不低于50dB时，输出功率可达10MW。MC2831及MC2833通常用语无线电话和调频通信设备中，具有使用方便、工作可靠、性能良好等优点。2） 调频接收机的组成为了获得较好的接收灵敏度和选择性，和调幅接收机一样，调频接受机也采用超外差式的组成方式。要求它能接收频率范围为3090MHZ、调制信号频率FminFmax 为50HZ15KHZ，频偏fm =75KHZ的调频信号。根据要求广播调频接收机的通频带应为200KHZ。这是因为发送调频信号的fm=75KHZ、Fmax=15kHZ,由此算得的发送FM信号的带宽BFM=2（mf+1）Fmax=180kHZ的裕量，因而把接收机的通频带BFM定为200KHZ是正确的。选择广播调频接收机的中频信号频率fI =10.7MHZ。只是选择足够高的中频频率，才能保证中频回路在考虑了收、发载频不稳定后通过宽达180KHZ的调频信号。10.7MHZ 的中频频率，约大于调频广播频段范围（108-88=20（MHZ）的一半，这样可以避免镜像干扰。例如，当接收信号的载频f0=88MHZ时，本机振荡器频率fL= f0+10.7MHZ，镜像干扰频率f镜像= fI +fL= f0+2fL=88+210.7=109.4（MHZ），这个镜像干扰频率高于本机最高的接收频率108MHZ，因而可以避免f0=88MHZ的镜像干扰。当然，更能抑制f0大于88MHZ的其他工作频率的镜像干扰。图2中的自动频率微调电路的作用是微调本振频率fL，通过对fL的频率微调，使fL- f0的差值基本保持在中频频率fI=10.7MHZ上，这对提高调频接收机的整机选择性、灵敏度和保真度是极其有益的。另外，图中的去加重电路和静噪电路等已在前节做过介绍。2、调制部分方案比较1） 调幅调幅电路是把调制信号和载波信号同时加在一个非线性元件上（例如晶体二极管或三极管）经非线性变换成新的频率分量，再利用谐振回路选出所需的频率成分。 调幅电路分为二极管调幅电路和晶体管基极调幅、发射极调幅及集电极调幅电路等。通常，多采用三极管调幅电路，被调放大器如果使用小功率小信号调谐放大器，称为低电平调幅；反之，如果使用大功率大信号调谐放大器，称为高电平调幅。在实际中，多采用高电平调幅，对它的要求是：（1）要求调制特性（调制电压与输出幅度的关系特性）的线性良好；（2）集电极效率高；（3）要求低放级电路简单。（1）基极调幅电路 晶体管基极调幅电路，载波信号经过高频变压器T1加到BG的基极上，低频调制信号通过一个电感线圈L与高频载波串联，C2为高频旁路电容器，C1为低频旁路电容器，R1与R2为偏置的分压器，由于晶体管的ic=f(ube)关系曲线的非线性作用，集电极电流ic含有各种谐波分量，通过集电极调谐回路把其中调幅波选取出来，基极调幅电路的优点是要求低频调制信号功率小，因而低频放大器比较简单。其缺点是工作于欠压状态，集电极效率较低，不能充分利用直流电源的能量。（2）发射极调幅电路 发射极调幅电路，其原理与基极调幅类似，因为加到基极和发射极之间的电压为1伏左右，而集电极电源电压有十几伏至几十伏，调制电压对集电极电路的影响可忽略不计，因此射极调幅与基极调幅的工作原理和特性相似。（3）集电极调幅电路 集电极调幅电路，低频调制信号从集电极引入，由于它工作于过压状态下，故效率较高但调制特性的非线性失真较严重，为了改善调制特性，可在电路中引入非线性补尝措施，使输入端激励电压随集电极电源电压而变化，例如当集电极电源电压降低时，激励电压幅度随之减小，不会进入强压状态；反之，当集电极电源电压提高时，它又随之增加，不会进入欠压区，因此，调幅器始终工作在弱过压或临界状态，既可以改善调制特性，又可以有较高的效率，实现这一措施的电路称为双重集电极调幅电路。（4）集电极、发射极双重调幅电路集电极、发射极双重调幅电路也可以改善调制特性。注意变压器的同名端，在调制信号正半波时，虽然集电极电源电压提高，但同时基极偏压也随之变正，这就防止了进入欠压工作状态；在调制信号负半波时，虽然集电极电压降低，但基极度偏压也随之变负，不致进入强过压区，从而保持在临界、弱过压状态下工作。图2所示为一幅度调制(AM)系统。其中为调制信号，亦即待传输或处理的信号；称为载波信号，为载波频率。因此，由此系统输出的响应为 图2 幅度调制(AM)系统可见是一个幅度随变化的振荡信号，故称为调幅信号。若记则由频域卷积定理，有 式中 所以 经调制后，原信号的频谱被重新复制并搬移至处，即所需要的高频范围内。这种经过调制的高频信号很容易以电磁波形式辐射传播。由已调制高频信号恢复原调制信号的过程称为解调。图3(a)所示为一调幅信号的解调系统，其中称本地载波信号，它与原调幅的载波信号同频率同相位。可见该系统是把接收到的调幅信号经本地载波信号再调制，即 图10 图3 调幅信号的解调系统两端取傅里叶变换得 由图3 (b)所示的频谱结构中可知，其中含有原信号的全部信息，此外还有附加的高频分量。当通过理想低通滤波器时，只要使该滤波器幅度为2，截止频率满足由输出响应达到恢复调制信号，完成解调的目的。 调幅信号总平均功率为: Pav=Pc+2PSB=（1+1/2M2n）Pc由于被传送的调制信息只存在于边频分量而不在载频分量中, 所以从公式可知, 携带信息的边频功率最多只占总功率的三分之一(因为Ma1)。 在实际系统中, 平均调幅指数很小, 所以边频功率占的比例更小, 功率利用率更低。为了提高功率利用率, 可以只发送两个边频分量而不发送载频分量, 或者进一步仅发送其中一个边频分量, 同样可以将调制信息包含在调幅信号中。 这两种调幅方式分别称为抑制载波的双边带调幅(简称双边带调幅)和抑制载波的单边带调幅(简称单边带调幅).根据信号分析理论, 一般非周期调制信号u(t)的频谱是一连续频谱, 假设其频率范围是minmax, 如载频仍是c, 则这时的普通调幅信号可看成是调制信号中所有频率分量分别与载频调制后的迭加, 各对上、下边频的迭加组成了上、 下边带。可见, 这时普通调幅信号的包络仍然反映了调制信号的变化, 上边带与下边带呈对称状分别置于载频的两旁, 且都是调制信号频谱的线性搬移, 上、 下边带的宽度与调制信号频谱宽度分别相同, 总频带宽度仍为调制信号带宽的两倍, 即BW=2max。 2） 调频所谓频率调制，是瞬时频率偏移随调制信号成比例变化的调制，此时，瞬时频率偏移可表示为 其中为频偏常数，或有 频率调制信号的时域表达式为 调频有几种方法如下：(a) 键控法(b) 波形信号 (c) 模拟调频法图 4 调频方框图 图5 直接调频装置直接调频装置如图5所示，传感器电容（或电感）的变化使调频振荡器的振荡频率发生相应变化。谐振频率 设电容器初始电容为 0时，振荡器频率为 0 ，且电容变化量80dB;谐波失真80dB;谐波失真0.8%;输出功率350mA。发射机工作电流：18mA，对讲距离50-100米。芯片D1800内部方框图及静态工作点如下：