无线调频发射器的设计学士学位论文.docx
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无线调频发射器的设计学士学位论文
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
天津工程师范学院本科生毕业设计
无线调频发射器的设计
TheDesignofWirelessFrequencyModulationTransmitter
摘要
利用无线通信信道的远距离语音传输业务，是近年来发展很快的一门技术。
由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息。
调频发射器可以使音频信息传送到附近的任意FM接收机。
本设计中使用AT89S52控制调频发射的频率，选择了数码管显示发射的频率状态。
选择了ROHMBH1415F集成电路产生调频调制发射信号的频率。
芯片的主要特征:
体积小，准确性高，而且容易产生发射频率。
这个系统的各个部分可以进行深入的独立设计研究，现在把它们组合成一个典型的调频发射系统。
本设计使用模拟调频技术，在88MHz--98MHz的频段上，实现了线路输入语音信号的小功率远距离单工发送。
系统发射功率大约20mW，发射距离大于20m，本系统可实现无明显失真的语音传输。
关键词：
调频；语音传输；ROHMBH1415
ABSTRACT
Theremoteaudioservicecodethroughwirelesscommunicationchannelsisafastdevelopingtechnologyinrecentyears.Astheaudioservicecodeisnotsensitivetothemistakencode,thefrequencymodulationcanbeusedtosendinformation.TheFMTransmitterwillallowalmostanyaudiosourcetobetransmittedtoanynearbyFMreceiver.TheAT89S52tobeusedtocontrolthetransmissionfrequency.TheLEDwaschosen,providingenoughspaceforalloutputsituations.TheROHMBH1415Fintegratedcircuitwaschosentocreatethefrequencymodulatedaudiooutputsignal.Chipfeaturesinclude:
smallsize,accuracy,andeasilyprogrammedtransmissionfrequency.ThesesystemcomponentshavebeenthoroughlyresearchedseparatelyandarenowintheprocessofbeingintegratedtoproduceaworkingprototypeFMTransmitter.Thesimulatingfrequencymodulationtechniquewasadoptedinthedesign.Inthefrequencyintervalof88MHz---98MHz,theaudiosignalscanbesentoutandreceivedwiththesmallpowerinalongdistance.Theemissivepowerofthesystemisabout20mWandtheemissivedistanceismorethan20m.Thereisnoobviousdistortionintheaudiotransmission.
KeyWords：
frequencymodulation；audiotransmission；ROHMBH1415F
1引言
1.1通信的发展
人类社会的发展可视为一部信息传播技术的发展史。
从古代的烽火到近代的旗语，都是人们寻求快速远距离通信的手段。
直到19世纪电磁学的理论与实践已有坚实的基础后，人们开始寻求用电磁能量传送信息的方法。
信息传播促进社会进步和科学技术的发展；科学技术的进步又不断地改进、更新人类信息传播的媒体和工具，并促进信息更迅速、更广泛的传播。
面向21世纪的无线通信，无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用的发展更是一日千里。
1.2广播的发展现状
在21世纪的今天，广播的主要技术方式是调频广播，它是继调幅广播（20世纪20年代开始的）的第二代广播，它开始于20世纪50年代，克服了中波广播的很多致命不足，如串台严重、频带不够分配，信噪比差等，而实现了高保真度、动态范围宽、信噪比较好、较少串台现象。
调频广播因其优秀的音质和抗干扰性能而成为城市广播覆盖的主要手段。
随着城市规模的日益扩展，调频发射台的功率也跟着成数量级地增大，由原来的100W、300W上升到1KW、3KW、甚至10KW，而发射天线的高度也由几十米上升到百余米甚至三四百米。
随之逐步形成了高塔大功率覆盖的格局。
从广播业界的角度来看，高塔大功率覆盖模式的主要优点是建设方便，省事省力，见效快。
但其固有缺点和带来的负面影响也是不容忽视的，主要有以下几点：
因调频广播工作于米波段，极易因高大建筑物和其他物体反射形成多径干扰；因高山和低谷等地形因素会产生收不到信号的阴影区；大区制覆盖因频率不能复用造成规划困难；频谱利用率低；不能解决长距离交通线的连续覆盖问题。
从社会发展的角度来看，它还有更重要的三条缺点：
浪费能源，覆盖区场强不均匀度可达60dB，大量超出需要的无效辐射，形成能源的巨大浪费；污染环境，大功率FM发射台在天线附近周边地区辐射场强超过环境电磁波卫生标准已是不争的事实；对航空无线电业务造成干扰。
由于相关的国家标准和国家军用标准及频率规划多是10年以前制定的，那时寻呼业和调频广播刚起步不久，对干扰的认识还远不充分，已不适应当今电磁环境现状。
当时规定的17dB的防护率早已被突破，10KM的防护间距也已形同虚设。
在世界各国，频率资源是有限的。
国家已严格限制频率的使用范围。
广播频率是政府部门颁发的，现在很多公司、媒体都愿意斥巨资竞标频谱使用权。
无线广播中，单一载频用来传输单一的或者单套立体声节目。
由于传统的大功率的调频广播频率资源的限制，使广播技术工作者开辟了另一种广播技术形式：
小调频同步广播，它的特点是多布点、小功率、同频、同相、同步广播，使用的是现有的调频技术，不过存在着多点同步问题，这在技术上是可以克服的。
信号传输可使用微波、有线甚至卫星方式。
由于采用小功率按需布点的方法，在满足覆盖需要的前提下，把单台发射机的功率大幅度降了下来，降到10W、50W、最大不超过300W，这就使诸多问题迎刃而解。
对于多径干扰，由于功率小了，大部分反射波场强下降到不至于产生干涉的水平，并且由于布点多，部分多径干扰区可能被互相掩盖；可以用同步补点的办法消除阴影区；小功率辐射易于规划，且提高频谱利用率；可方便组成单频网，满足交通线上的无缝覆盖，保证驾乘人员的不间断接收；场强不均匀度仅为30dB，加上使用低高度垂直极化天线，极大地减小对空辐射和根部近场辐射，既节约能源，又满足电磁环境卫生标准，并可避免造成对航空频段的干扰。
1.3设计思路
任何一个地区、一个城市都需要有很多专业的服务及新闻宣传，如交通信息咨询、健康咨询、股市信息咨询等，广播又是大众最灵活的信息接受媒体，这需要建立很多的广播电台，而作为一个国家的频率资源是严格控制和有限的，因此，小调频广播就成了未来广播的另一种主要形式，它是广播发展的其中一个方向，是数字音频广播（DAB）、网络广播的有力补充，既节约了频谱资源，又实现了广播功能。
为了实现上述要求，本文作者采用单片机AT89S52和调频专用发射芯片BH1415F及数码显示设计了一套完整的无线调频发射系统，设计为可在88MHz--98MHz范围内任意设置发射频率，并且可以预置频道，发射频率通过单片机控制最小调整值为0.1MHz，具有单声道/立体声控制，实现了语音信息的短距离无线传输，可广泛应用于学校无线广播、电视现场导播、汽车航行、无线演说等场所。
2系统概述
2.1系统功能要求
设计一个无线调频发射系统,实现语音信号的短距离传输。
由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息，设计中采用了BH1415F构成音频无线发射电路。
无线调频发射器可以在88--98MHz范围内任意设置发射频率，可以预置发射频道，发射频率的最小调整值为0.1MHz，具有单声道/立体声控制，发射距离在20--50米之间。
语音信号采用调频方式与调幅相比，有利于改善输出音频信号的信噪比，以保证语音业务的可靠传输，下表是调幅和调频的优缺点比较：
表2-1调幅和调频优缺点比较
调幅（AM）
调频（FM）
优
点
传播距离远，覆盖面大
1.电路相对简单
1.传送音频频带较宽（100Hz—5KHz）适宜于高保真音乐广播
2.抗干扰性强，内设限幅器除去幅度干扰
3.应用范围广，用于多种信息传递
4.可实现立体声广播
缺
点
1.传送音频频带窄
（200Hz—2500Hz），高音缺乏
2.传播中易受干扰，噪声大
传播衰减大，覆盖范围小
2.2系统组成
本设计由单片机、键盘、数码显示、调频发射、调频放大和电源模块等六部分组成，系统框图如图2-1所示。
通过操作键盘可以设置和更改发射的频率；单片机用于控制数码管显示对应的发射频率和发送频率信号到调频调制电路中；调频发射将输入的音频信号调制后通过载波发送出去；数码管用于显示发射的频率；调频放大将得到的调制信号进行放大；电源模块则为整个电路提供电源。
3方案论证与比较
3.1无线调频发射电路设计方案论证与选择
方案1：
采用单片调频发射集成电路组成芯片MC2833。
它可构成发射高频率信号的功率放大器。
电路由音频放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及放大电路构成。
由集成芯片MC2833组成的调频发射机，先将语音通过话筒变成音频电压信号送给音频放大器进行音频电压放大，此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗的输入端脚3去控制可变电抗，而由可变电抗以及电感、晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生调频波经缓冲送给两级二倍频放大器。
电路实现基本框图如图3-1所示。
但由于该芯片涉及到的谐振回路较多，不易统调，因而频率不易控制，导致信号不稳定，容易跑台，实现较为困难。
方案2：
采用集成芯片BA1404及相关电路构成。
它主要由前置音频放大器，立体声调制器，FM调制器及射频放大器组成。
利用内部参考电压改变变容二极管的电容值，可实现发射频率的调整。
图3-2所示为电路框图。
此电路可实现立体声调频发射，典型调频频段为75-108MHz，振荡频率不易调整，尤其是低端频率实现困难，难以实现要求频段的调整。
方案3：
采用集成芯片BH1415F及相关电路构成。
BH1415F是将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质量比分立元件的电路（如：
BA1404、NJM2035等）有很大改进。
此电路可实现立体声调频发射，采用了MCU数据直接频率设定，可设定70-120MHz频率，由于采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，使发射的频率非常稳定，并且可靠性好，抗干扰能力强，容易实现调频的要求。
综上所述，为了实现中心频率的控制和系统设计的功能要求，本设计选择方案3，即采用集成芯片BH1415F及相关电路构成音频无线发射电路。
3.2压控振荡器方案论证与选择
方案1：
采用分立元件构成。
利用低噪声场效应管，用单个变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件。
图3-3压控振荡电路
电路是电容三点式振荡器，如图3-3所示。
该方法实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易灵活控制[5]。
方案2：
采用压控振荡器和变容二极管，及一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。
只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变压控振荡的输出频率。
由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。
综上所述，方案2具有更优良的特性和更简单的电路构成，所以使用方案2作为本次设计的方案。
4系统硬件电路的设计
4.1单片机控制电路
系统采用的微控制器是ATMEL公司生产的低功耗、高性能单片机AT89S52，它有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，片内含8kbytes的可重复编程的Flash存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。
AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
4.1.1内部结构
AT89S52单片机包含中央处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器/计数器、并行I/O口、串行I/O口和中断系统等几大单元以及数据总线、地址总线和控制总线三大总线构成。
图4-1为单片机内部结构框图[13]。
（1）中央处理器
中央处理器（CPU）是整个单片机的核心部件，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。
（2）程序存储器
AT89S52共有8KB个E2PROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。
（3）数据存储器（RAM）
AT89S52内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。
图4-1内部结构框图
（4）并行输入输出口
AT89S52共有4组8位I/O口（P0、P1、P2或P3），用于对外部数据的传输。
（5）串行输入输出口
AT89S52内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。
（6）定时/计数器
AT89S52有三个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数功能，并以其定时或计数结果对单片机进行控制。
（7）中断系统
AT89S52具备较完善的中断功能，有两个外中断、三个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有两级的优先级别选择。
4.1.2引脚功能
图4-2AT89S52芯片引脚图
（1）电源和晶振
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
（2）I/O口
①P0口
P0口的字节地址为80H，位地址为80H～87H。
P0口既可以作为通用I/O口使用，也可以作为单片机系统的地址/数据线使用。
当作为输出口使用时，由于输出电路是漏极开路，必须外接上拉电阻才能有高电平输出。
②P1口
P1口的字节地址为90H，位地址为90H～97H。
P1口只能作为通用I/O口使用。
当作为输出口使用时，已能对外提供推拉电流负载，外电路无需再接上拉电阻；当作为输入口使用时，应先向其锁存器写入“1”，使输出驱动电路的FET截止。
③P2口
P2口的字节地址为0A0H，位地址为0A0H～0A7H。
P2口用于为系统提供高位地址，但只作为地址线使用而不作为数据线使用。
此外，P2口也可作为通用I/O口使用。
④P3口
P3口的字节地址为0B0H，位地址为0B0H～0B7H。
P3口可以作为通用I/O口使用，但在实际应用中它的第二功能信号更为重要。
P3口引脚的第二功能，如下所示：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（计时器0外部输入）
P3.5T1（计时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（3）4根控制线
①RST：
复位信号。
保持RST脚两个机器周期以上的高电平，就可以完成CPU系统复位操作，使系统的一些单元内容回到规定值。
②/PSEN：
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时，/PSEN有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。
③/EA/VPP：
访问程序存储器控制信号。
当/EA信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当/EA为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延续至外部程序存储器。
④ALE/PROG：
地址锁存控制信号。
在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送入锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的分时传送。
此外由于ALE是以六分之一晶振频率的固定频率输出的正脉冲，因此也可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
4.2调频调制发射电路
本系统调频调制发射部分电路采用了ROHM公司的调频发射专用集成电路BH1415F。
BH1415F是一种无线音频传输集成电路，它可以将计算机声卡、游戏机、CD、DVD、MP3、调音台等立体声音频信号进行立体声调制发射传输，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传送。
适合用于生产立体声的无线音箱、无线耳机、CD、MP3、DVD、PAD、笔记本计算机等的无线音频适配器开发生产。
这个集成电路是由提高信噪比（S/N）的预加重电路、防止信号过调的限幅电路、控制输入信号频率的低通滤波电路（LPF）、产生立体声复合信号的立体声调制电路、调频发射的锁相环电路（PLL）组成。
4.2.1调频调制电路的特点
（1）将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质
量比分立元件的电路（如：
BA1404、NJM2035等）有很大改进。
（2）导频方式的立体声调制电路。
（3）采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，合发射的频率非常稳定。
（4）采用了MCU数据直接频率设定，可设定70-120MHz频率，使用上非常方便。
4.2.2结构图
图4-3BH1415F内部结构图
4.2.3允许的最大值
表4-1BH1415F工作时允许的最大值（Ta=25℃基本电路测量）
项目
符号
范围
单位
条件
电源电压
Vcc
+7v
V
Pin8、12
输入电压
VIN-D
-0.3~Vcc+0.3
V
Pin15、16、17、18
相位比较器输出电压
VOUT-D
-0.3~Vcc+0.3
V
Pin7
功率
Pd
450
mW
工作温度范围
Tstg
-55~+125
℃
4.2.4工作范围
表4-2BH1415F工作范围（Ta=25℃）
项目
符号
数值
单位
条件
工作电源电压
Vcc
4.0~6.0
V
Pin8、12
工作温度
Topr
-40~85
℃
音频输入电平
VIN-A
~-10
dBV
Pin1、22
音频输入频率
fIN-A
20~15K
Hz
Pin1、22
预加重延时
τPRE
~155
μsec
Pin2、21
发射频率
fTX
87.7~107.9
MHz
Pin9、11
高电平电压标准（H）
VIH
0.8Vcc~Vcc
V
Pin15、16、17、18
低电平电压标准（L）
VIL
GND~0.2Vcc
V
Pin15、16、17、18
4.2.5调频调制发射电路的组成
（1）预加重电路
预加重电路是一个非线性的音频放大器，它的内部工作点为1/2Vcc，因为它是非线性放大器，所以输入阻抗取决为内部电阻R3=43KΩ，预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K和外部电容C1=2200p。
（2）限幅电路
限幅电路是由二极管限幅的反相放大器组成，它的内部工作点为1/2Vcc。
图4-4限幅电路
（3）低通滤波电路
低通滤波电路是由二阶低通反馈放大电路组成，它的分频点为15KHz。
图4-5低通滤波电路
具体的公式如下：
Q=0.577、ω0=1.274、fc=15KHz
R1=R2=R3=Rf=100KΩ（4-1）
Cf=1/ω0Rf=1/（2πX1.274X15KX100K）=83.28pF（4-2）
C1=3QCf=3X0.577X83.28pF=144pF≈150pF（4-3）
C2=Cf/3Q=83.28p/（3X0.577）=48≈50pF（4-4）
（4）立体声调制电路
音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、限幅电路和低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.6MHz晶体的振荡电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通2分频产生的19KHz导频信号。
音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB调制的38KHz副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从第5脚输出。
（5）FM发射电路
FM发射电路采用稳定频率的锁相环系统。
这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。
调频调制由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是一个锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频调制。
高频振荡器是由第9脚外部的LC回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7脚输出一个信号对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。
如果频率超过锁相环设定的频率，第7脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。
4.3键盘部分
4.3.1单片机键盘和键盘接口概述
单片机使用的键盘可分为独立式和矩阵式两种。
独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O接口连接，其方法是每个按键独占一条口线，接口简单[12]。
矩阵式键盘也称行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵（如图4-6所示）。
图4-6键盘接口电路图
按一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作：
一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，通过接口电路来实现；另一项是键功能的实现，通过执行中断服务程序来完成。
下面来介绍键盘接口问题[13]。
具体来说，键盘接口应完成以下操作功能：
a键盘扫描，以判定是否有键被按下（称之为“闭合键”）。
b键识别，以确定闭合键的行列位置。
c产生闭合键的键码。
d排除多键、串键（复按）及去抖动。
这些内容通常是以软硬件结合的方式来完成的，即在软件的配合下由接口电路来完成。
但具体那些由硬件完成由软件完成，要看接口电路的情况。
总的原则是，硬件复杂软件就简单，硬件简单软件就得复杂一些。
4.3.2单片机键盘接口和键功能的实
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