单工无线通信论文Word格式.docx

单工无线通信论文Word格式.docx

《单工无线通信论文Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单工无线通信论文Word格式.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

目录

1、系统设计3

1.1设计要求3

1.1.1任务3

1.1.2要求3

1.1.3说明3

1.2总体设计方案3

1.2.1设计思路3

1.2.2方案论证与比较4

1.2.3系统组成10

2、单元硬件电路设计11

2.1发射部分电路的设计11

2.1.1压控振荡器的设计11

2.1.2锁相环电路设计13

2.1.3功率放大电路设计15

2.1.4阻抗变换电路设计16

2.2接收部分电路的设计17

2.2.1CXA1238S芯片17

2.2.2天线输入网络18

2.2.3高放选频回路19

2.2.4本机振荡器20

2.2.5中频窄带滤波器20

2.2.6音频功率放大器21

2.3PT2262/2272编码/解码电路设计21

2.3.1PT2262/2272芯片介绍21

2.3.2PT2262/2272编码/解码电路23

2.4抗干扰措施23

2.520dB衰减器的制作24

3、软件设计24

3.1软件设计和硬件设计的关键24

3.2发射部分程序设计23

3.3接收部分程序设计25

4、系统测试26

4.1测试使用的仪器26

4.2指标测试和测试结果26

4.2.1发射部分的指标测试和测试结果26

4.2.2接收部分的指标测试和测试结果28

4.3波形观察及距离测试30

4.4结果分析31

5、结论31

参考文献32

附录1使用说明33

附录2主要元器件清单33

附录3电路原理图及印制板图34

附录4程序清单41

1.系统设计

1.1设计要求

1.1.1任务

设计并制作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。

1.1.2要求

（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30MHz~40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW（50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300Hz~3400Hz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。

（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50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1.2.1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1.2.1系统基本框图

1.2.2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1.2.2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；

另一路是呼叫信号或英文短信进入基带信号放大与整形电路后与载波信号进行幅度调制；

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1.2.2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，数据收发也采用2FSK方案。

（2）载波信号产生电路的设计方案论证与选择

采用LC振荡电路。

比如西勒振荡电路，具体电路图如图1.2.3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1.2.3西勒振荡电路

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1.2.4所示。

图1.2.4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30MHz~40MHz之间，选定35MHz作为载波信号。

原理框图如图1.2.5所示。

图1.2.5频率合成原理框图

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10-2～10-3；

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10-5～10-6；

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ICCXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。

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。

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：

2～10V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。

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。

因CXA1238内部带解调电路，可以对语音及数据调制后的信号进行解调。

（4）数据传输的设计方案论证与选择

单工无线呼叫系统要求一点对多点传送，且主站具有拨号和群呼功能，同时增加英文短信的数据传输业务；

从主站输入的英文短信经转换后形成连串的数字信号，这就需要把这数字信号调制发射出去，并且在接收端应把调制信号解调并加以识别显示出来；

发射部分预置从站号码发送或群发，接收部分则只有相应的台号接收。

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2cos2πfct。

图1.2.6ASK调制器框图

图1.2.7ASK同步解调方框图

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。

图1.2.8采用PT2262编码电路的发射原理框图

图1.2.9采用2272解码电路的接收原理框图

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）自动控制模块的设计方案论证与选择

单工无线呼叫系统的自动控制部分直接关系到系统“智能化”与“自动化”的实现，其控制方案的拟定，考虑了以下两个方面。

发射和接收的控制方框图分别如图1.2.10和图1.2.11所示。

图1.2.10发射部分控制方框图

图1.2.11接收部分控制方框图

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。

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。

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。

（6）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1.2.1所示。

（1.2.1）

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：

①在发射机接50Ω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，λ=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1.2.12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=50Ω与RL匹配，中间必须接一个降阻网络。

图1.2.12发射部分阻抗匹配示意图

②提高接收机灵敏度。

由式1.2.1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。

③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CXA1238S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。

④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。

⑤当频率为35MHz时，波长λ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。

⑥根据电波传输理论，如图1.2.13所示。

在距离为（2n-1）λ/4时，会出现波谷，收听效果最差；

在距离为nλ/2时，会出现波峰，收听效果最好。

其中n为自然数。

图1.2.13电波传输理论示意图

（7）关于尽量减小系统输出信号失真度的分析

输出信号失真度也是单工无线呼叫系统的重要指标。

该指标的优劣取决于接收和发射两个分机。

对可能产生波形失真的原因要分析清楚，从而采取有效措施，才能保证系统输出波形无明显失真。

从发射机方面考虑，应该注意以下几个方面：

①音频放大部分。

音频输入来自两个方面，一是话筒，其输入阻抗为高阻（10KΩ）或低阻（600Ω），电平较低，一般要加低频放大电路。

二是线路输入，阻抗为600Ω，输入电平为0dBmW（即0.775V），一般不需要放大。

对于需要进行放大的低频信号，其放大器应工作在放大器件的线性段，且负反馈深度要大，确保音频信号经过音频放大器后不产生失真。

应采用低噪声放大器，有利于提高整机的信杂比，也有利于改善输出波形失真这项指标。

②调制器部分。

由上述分析可知，收发系统均采用调频（FM）体制，要求调频波的瞬时频率与输入信号（即调制信号）uΩ（t）或线性关系即

（1.2.2）

而调制器采用的VCO电路，以变容二极管做调谐元件。

其变容二极管结电容

，式中r为电容变化指数。

若变容二极管作为振荡回路的总电容时，则瞬时角频率ω（x）为

（1.2.3）

为使角频率ω（x）与调制信号uΩ（t）成线性关系，必须选取r=2的变容二极管。

若变容二极管部分接入振荡回路时，应取电容变化指数r=1。

根据单元电路设计，本方案采用变容二极管作为振荡回路的总电路设计，故取r=2，且变容二极管静态反偏电压取在合适位置，从而保障失真度最小。

从接收机方面考虑，应该注意以下几点：

①鉴频/鉴相器部分。

如图1.2.14所示，鉴频/鉴相器鉴频特性应取其线性部分，线性度要好，且静态工作点应选择在图形的中点，最大频偏

广电总局标准

fmax为±

75KHz。

实际工作时应使

小于75KHz，这样鉴频/鉴相器引起的波形失真才会最小。

图1.2.14鉴频/鉴相器鉴频特性

②音频低放与功率放大器部分

从鉴频/鉴相器出来的音频信号是很弱的，需要经过低频小信号放大和低频功率放大。

这里需注意的是鉴频/鉴相器到低频小信号放大级之间应防止干扰信号串入，如输入线较长应采用屏蔽线。

低放与功放应采用线性放大电路，以确保输出波形失真小。

从系统方面考虑：

收发系统要调整正常，两者的频率要对准，直流稳压电源纹波要小，还要防止外部干扰（特别是市电干扰）串入系统。

故发射机音频放大级最好能屏蔽。

1.2.3系统组成

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1.2.15和图1.2.16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、音频输出模块、数据接收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1.2.15发射部分组成框图

图1.2.16接收部分组成框图

2.单元硬件电路设计

2.1发射部分电路的设计

2.1.1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QL≥100。

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2.1.1为压控振荡器电路图。

图2.1.2为MC1648的内部电路图。

图2.1.1压控振荡器电路图

图2.1.2MC1648内部电路图

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。

其振荡频率由式2.1.1计算。

（2.1.1）

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