对讲机的设计分解.docx

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对讲机的设计分解

对讲机的设计

[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

Interphonedesign

Abstract：

TheinterphonesuseSingleSideBand（SSB）modetobullfightingthesoundanddatatransmission,andtwodifferentfrequenciesusedbythemistranslateandthereceiverrespecttomakeitpossibletoachievethefull-duplexcommunication.Thesensitivityofthereceiverbenefitfromthesuperheterodynearchitecture.TheAutomaticGainControl（AGC）andtheindicationoftheintensityofthesignalarealsorealized.Usingtheself-madecrystalfiltertoremovethecarrierandUSB.ThedigitalPLLusedbythemixermakeitpossibletochangethefrequencyinasmallscaleandcommunicateinculti-channel.

Keywords：

SSBSuperheterodyneFull-duplexCulti-channel

第一章绪论

1.1对讲机的发展历史：

　对讲机技术最早产生在风声鹤唳的二十年代，诞生致Westinghouse的实验室里。

一位名叫JohnDermoid性格古怪的发明家“异想天开”地想对邮政单据实现自动分检，那时侯对电子技术应用方面的每一个设想都使人感到非常新奇。

他的想法是在信封上做对讲机标记，对讲机中的信息是收信人的地址，就象今天的邮政编码。

为此Dermoid发明了最早的对讲机标识，设计方案非常的简单，即一个“条”表示数字“1”，二个“条”表示数字“2”，以次类推。

然后，他又发明了由基本的元件组成的对讲机识读设备：

一个（能够发射光并接收反射光）；一个测定反射信号条和空的方法，即边缘定位线圈；和使用测定结果的方法，即译码器。

Dermoid的利用当时新发明的光电池来收集反射光。

“空”反射回来的是强信号，“条”反射回来的是弱信号。

与当今高速度的电子元气件应用不同的是，Dermoid利用磁性线圈来测定“条”和“空”。

就象一个小孩将电线与电池连接再绕在一颗钉子上来夹纸。

Dermoid用一个带铁芯的线圈在接收到“空”的信号的时候吸引一个开关，在接收到“条”的信号的时候，释放开关并接通电路。

因此，最早的对讲机阅读器噪音很大。

开关由一系列的继电器控制，“开”和“关”由打印在信封上“条”的数量决定。

通过这种方法，对讲机符号直接对信件进行分检。

此后不久，Dermoid的合作者DouglasYoung，在Dermoid码的基础上作了些改进。

Dermoid码所包含的信息量相当的低，并且很难编出十个以上的不同代码。

而Young码使用更少的条，但是利用条之间空的尺寸变化，就象今天的UPC对讲机符号使用四个不同的条空尺寸。

新的对讲机符号可在同样大小的空间对一百个不同的地区进行编码，而Dermoid码只能对十个不同的地区进行编码。

直到1949年的专利文献中才第一次有了NormWoodland和BernardSilver发明的全方位对讲机符号的记载，在这之前的专利文献中始终没有对讲机技术的记录，也没有投入实际应用的先例。

NormWoodland和BeardSilver的想法是利用Dermoid和Yong的垂直的“条”和“空”，并使之弯曲成环状，非常象射箭的靶子。

这样通过扫描图形的中心，能够对对讲机符号解码，不管对讲机符号方向的朝向。

在利用这项专利技术对其进行不断改进的过程中，一位科幻小说作家Isaac-Asimov在他的“裸露的太阳”一书中讲述了使用信息编码的新方法实现自动识别的事例。

那时人们觉得此书中的对讲机符号看上去象是一个方格子的棋盘，但是今天的对讲机专业人士马上会意识到这是一个二维矩阵对讲机符号。

虽然此对讲机符号没有方向、定位和定时，但很显然它表示的是高信息密度的数字编码。

直到1970年InterfaceMechanisms公司开发出“二维码”之后，才有了价格适于销售的二维矩阵对讲机的打印和识读设备。

那时二维矩阵对讲机用于报社排版过程的自动化。

二维矩阵对讲机印在纸带上，由今天的一维CCD扫描识读。

CCD发出的光照在纸带上，每个光电池对准纸带的不同区域。

每个光电池根据纸带上印刷对讲机与否输出不同的图案，组合产生一个高密度信息图案。

用这种方法可在相同大小的空间打印上一个单一的字符，作为早期Dermoid码之中的一个单一的条。

定时信息也包括在内，所以整个过程是合理的。

当第一个系统进入市场后，包括打印和识读设备在内的全套设备大约要5000美元。

　此后不久，随着LED（发光二极管）、微处理器和激光二极管的不断发展，迎来了新的标识符号（象征学）和其应用的大爆炸，人们称之为“对讲机工业”。

今天很少能找到没有直接接触过即快又准的对讲机技术的公司或个人。

由于在这一领域的技术进步与发展非常迅速，并且每天都有越来越多的应用领域被开发，用不了多久对讲机就会象灯泡和半导体收音机一样普及，将会使我们每一个人的生活都变得更加轻松和方便。

第二章总体方案设计

2.1总体方案框图

图2-1对讲机系统框图

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Ⅰ的输出电压为：

图2-2单边带调幅的电路

相乘器Ⅱ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

图2-3多次滤波图

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300Hz,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电路结构设计

方案一、采用直放式收发结构

图2-4直放手法电路图

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

图2-5超外差结构图

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

图2-6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asinωct，将它经90°移相形成插入导频（正交载波）-acosωct，其中a是插入导频的振幅。

于是输出信号为duo（t）=am（t）sinωct-acosωct。

图2-7插入导频电路

设收到的信号就是发端输出duo（t），则收端用一个中心频率为Pfc的窄带滤波器提取导频-acosωct，再将它经90°移相后得到与调制载波同频同相的相干载波sinωct。

图2-8相移导通电路

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单片机型号选择

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。

第三章单元模块设计

3.1发射机电路   

A发射机发射频率是37.9~38.1MHz，B机的发射频率是26.9~27.1MHz。

两机发射模块基本结构相同。

3.1.1调制解调电路

图3-1调制解调电路

C40、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MSM7512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

图3-2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Acc/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

图3-3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。

图3-4平衡混频电路

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。

图3-5单频信号调制频谱

3.1.4单边带滤波器

图3-6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300~3000Hz，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、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。

图3-7混频电路

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。

图3-8二级混频电路

3.1.6高频功放

图3-9高频功放电路

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接收器电路

A机接收频率是26.9~27.1MHz，B机接收频率是37.9~38.1MHz。

两机接收模块结构基本相同。

3.2.1高频小信号选频放大

图3-10高频小信号选频放大电路

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

图3-11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的第一栅极，控制Q1、Q2的放大倍数。

3.2.4同步检波电路

图3-12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

图3-13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

图3-14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。

图3-15主函数程序流程图

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Cere_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（Rx_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（NT_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：

图3-16串口A接收中断服务程序流程图

第四章系统调试

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。

图4-1边带滤波器的幅频

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GHz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。

图4-2窄带滤波器

4.3合路器的制作及调试

图4-3合路器调试

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；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，