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无线电对讲机设计论文
无线电对讲机设计论文
学科分类号0806
本科生毕业论文（设计）
题目（中文）：
简易语音单工对讲系统设计
（英文）：
TheDesignOfSimpleVoiceSimplexIntercomSystem
学生姓名：
江泳康
学 号：
1010403040
系 别：
物理与信息工程系
专 业：
电子信息科学与技术专业
指导教师：
张沛讲师
起止日期：
2013.11-2014.5
2014年5月17日
单工语音无线对讲机系统
摘要
类似于语对讲此类即时通讯系统，广泛参与当前科技生活。
在救灾、交通调度、酒店、停车场等场合，对讲机被广泛应用，而对讲机的性能会直接影响类似上述场合能否高效开展工作。
在此背景下，对于对讲机的设计和研究显得十分必要，本设计将为上述领域提供可靠解决方案。
本设计是以SR-FRS-0.5W核心对讲、数传收发模块为平台的，单工语音对讲系统。
使用载波450.05MHz,完成民用对讲频段1到3公里距离内，无失真的语音信号调制解调。
包括语音收发系统；供电系统；串口通信系统；使用业内通用亚音频信号加密技术，微型CPU自动控制的节能系统，是一款合理，节能，稳定的语音对讲系统。
关键词
即时通信；SR-FRS-0.5W；语音收发；调制解调；对讲；
SimplexVoiceWirelessIntercomSystem
Abstract
Similarto"intercomvoice"，suchinstantmessagingsystemiswidelyinvolvedinthecurrenttechnologylife.Inthedisasterrelief,transportationscheduling，hotels,parkinglots，“interphones”arewidelyused.Theperformanceofinterphoneswilldirectlyaffectwhethertheworkcanbefinishedefficientlyundertheabovesituation.Undersuchcircumstances,itseemsnecessarytodesignandresearchtheinterphones.Thedesignwouldprovidereliablesolutionsforthesefields.Thedesignissimplevoicesystembasedonthe"SR-FRS-0.5W"coreintercomandwirelessdatatransmissionmodule.Usingthecarrierfrequency450.05MHzcancompletethemodemofundistortedspeechsignalwithinthefrequencyrangeofcivilintercomfrom1kilometerto3kilometers.TinyCPUautomaticcontrolandintelligentenergy-savingsystemisareasonable,energy-saving,stablevoiceintercomsystem,includingvoicetransmissionsystem,powersupplysystem,serialcommunicationsystem,CTCSSwhichiswidelyusedinourfield.
Keywords
InstantCommunication;SR-FRS-0.5W;VoiceTransceiver;Modulation-Demodulation;Intercom;
1前言
1.1课题研究背景
随着公众移动通信的发展，对讲机市场逐步成为一个重要的专业通信市场。
现在，对讲机广泛应用于国民经济各个领域，已成为国家安全、公安警察、交通管理、石油化工、建筑施工、机械制造、物业保安等部门重要的无线通信装备。
从数量上来说，不论是专业对讲机通信还是公众低功率民用对讲机通信，相对于公众移动通信和整个通信市场而言都是非常微小的。
然而，对讲机通信，在集群调度、应急通信、即时通信等方面有着独特优势，广泛应用于公安、消防、救护、石油化工和民用的建筑施工、物业管理、酒店餐厅、商场、学校等领域，在国民经济和人们生活中具有重要作用。
随着我国经济的快速发展，各个行业已广泛而大量地使用对讲机通信。
因此，对讲机实际上已成为各个行业重要的无线通信装备，也显示出其在国民经济中的重要地位。
1.2国内外相关行业发展状况
由近十年来世界经济的发展可以看出，即使世界经济处于低迷时期，各大经济领域发展缓慢时，移动通信包括专业无线通信和公众低功率民用对讲机通信，仍保持较强的增长势头。
目前，中国是移动通信最大的市场，也是世界上对讲机通信最具发展前途的市场之一。
对讲机家庭拥有量是反映一个国家公众无线通信水平高低的综合性指标之一，也是一个国家国民经济和科学技术发展水平的标志之一。
对讲机在美国、欧洲、韩国、新加坡等地深受消费者的欢迎。
美国从1998年开放民用对讲机市场后，其销量以每年翻一番的速度增长，2000年销量就达到1000万台，与同年手机销量处于同一个数量级。
在德国、日本，大概有30%的家庭拥有对讲机，大概有25%的法国家庭使用对讲机。
1.3本论文的研究目的及意义
我国为满足社会公众使用对讲机的需求，全面放开了400MHz低功率公众民用对讲机市场。
设置和使用低功率公众民用对讲机，免收频率占用费。
低功率公众民用对讲机与手机相比，价格便宜，也不产生通话费用，可以方便地实现一对一或一对多通话;与室内无绳电话比较，通话距离更远，一般可达3公里。
公众民用对讲机可以使个人通信更自由、通信方式更加丰富。
随着生活水平的提高，人们驾车游、登山、露营等外出活动的机会和次数在逐渐增加。
即使在没有手机信号的地方，民用对讲机也可以使人们便利地与朋友或整个团队沟通。
简易无线语音对讲系统的设计，为民用频段合理范围内的合理利用，以及后期制作技术上的验证，提供有效依据。
同时简易无线语音对讲系统的提出也是对当前复杂电子环境的预热，为后期成熟无线通信设备的稳定方案，提供有效支持。
在单一场合的即时通信系统，通过本设计来实现，能够对相关领域和场合提供有效支持。
加上系统本身采用亚音频加密技术，对于信息保密度的要求完全可以满足也就是说，在某种程度上，本设计的技术指标要求已经能够满足工业生产、生活需求了。
在当前即时通信设备百花齐放的背景下，本设计的提出，无疑强化和验证了力求多种途径解决语音即时对讲这一实实在在的生产生活需求。
对于传统技术来讲，本设计突出创新技术，和节能处理。
对于节能绿色减排更是有着深远的影响。
从很大程度上，突出了本设计的社会意义.
2系统设计任务与思路
2.1系统设计任务
完成一个民用频段单工语音对讲机的设计；
（1）设计任务
设计一款简易语音即时对讲系统，能够满足，小型停车场调度；施工塔吊对讲；短距交通调度；消防调度；酒店；商场；等特殊环境的语音对讲需求。
能够无明显语音信号失真现象，保证通讯顺畅，保证即时调度的需要。
此设计需要用到无线通信系统的调制解调设备；移动电力供应系统等。
（2）测试方法
实际环境手持对讲，语音信号收发清晰度作为测试指标;实测信号收发距离作为测试指标；
（3）要求
（1）通信频段划分在指定的民用对讲机通信频段中；
（2）语音保真度要求对讲过程中无明显语音传输失真现象；
（3）发射功率要求满足1公里以上范围内正常使用；
2.2设计思路
基本即时语音信号工作频段大约300Hz到3.4kHz范围，由人体自主发出之后，经主设备上调制系统对其进行FM调制,然后通过功率放大电路进行放大处理送到无线发射。
从设备上解调设备接收到来自主设备的无线信号之后，完成解调信号，并作恢复输出。
经由音频功率放大电路处理之后，扬声器播放输出。
单次工作设备的功能只能设置为发射/接收。
即做按键标志动作作为功能选择，没有按键按下默认工作模式为接收。
如图2.2.1系统工作原理流程图所示。
其中通信语音加密技术采用通用亚音频设备加密技术
当对讲机对接收信号进行中频解调后，亚音频信号经过滤波、整形，输入到CPU中，与本机设定的CTCSS频率进行比较，从而决定是否开启静音。
要是你的机子接收设置有亚音频，跟你通话的机子发射也加了相应的亚音频，那么当你接收到对方发送过来的信号，亚音频信号从专用芯片将分离出来后，经过滤波、整形，输入到CPU中，CPU会将外来的亚音频跟本机设置的亚音频对比，要是对应的话，CPU就会发出指令打开静噪，这样你就能听到对方的声音了。
也就是所谓的密码正确了。
（详细原理见附录）
图2.2.1系统工作原理流程图
3对讲机电路设计
对讲机主要由发射机系统、接收机系统、锁相环电路、数字控制电路、电源电路和附件电路等及部分构成。
（1）电路构成
发射机系统由话筒放大电路、调制电路、激励电路、末级放大电路、收发转换电路、自动功率控制电路、发射输出开关电路和省电电路基本分构成。
其中，音频信号放大电路由LM4871动态音频功率放大器完成。
调制电路，激励电路，以及末级放大电路，收发转换电路，自动控制电路，无线输出开关电路由SR-FRS-0W5集成电路实现。
调制/解调电路工作模块，在工作时，根据SR-FRS-0W5既有的数字调制解调器，及时的将经由人体发出的模拟语音信号完成处理并做出相应动作。
语音信号的输入采用咪头常规模拟语音信号输入设备，最终的音频信号输出由扬声器外音发出，也可使用复式专用耳机（收发一体自带语音输入设备）完成。
如图3.1.1日本健伍公司TH-46A/AT/E对讲机频率配置图所示。
（2）具体功能芯片的使用
SR-FRS-0.5W是一款性价比极高的无线语音对讲及数传模块，内置高性能射频收发芯片、微控制器以及射频功放。
外控制器课通过标准的一部串行接口（RS232）通讯来设置模块工作参数并控制整个模块的收发。
该集成电路的突出特点是体积非常小，仅仅15mm*15mm，完全可以嵌入到手机，以及其他对空间要求极为苛刻的地方。
常规上通用手持设备大都对内部调制解调器有尺寸上的要求。
因此，此类功能性能芯片能够在此胜任。
功能上看，SR-FRS-0.5外围电路非常简洁，天线部分直接使用1.0mm覆铜线直接与50欧姆阻抗匹配高增益天线相接，对于高频电路板布局上的要求就明显降低，非常适合研发初期的设计人员进行相关设计调试。
SR-FRS-0.5本身的金属外壳散热装置设计，也满足大功率工作时的散热需求，无需外加特定散热装置，这一点上讲，符合电路微型化要求。
内部集成的内置CTCSS（38组），CDCSS（83组）编解码；亚音频加密技术，简单便利，而且稳定程度上符合主流无线通信设备加密（民用级）要求。
串口通信功能，可以作为SR-FRS-0.5为单工通信设备性能扩展提供有效支持（本次设计中并未使用到此功能），后期的改、写频都能够很方便的去扩展通信设备功能。
官方提供的上位机操作界面，简洁、功能齐全。
控制字写法也符合国际惯例，非常适合广大初级开发者，对其进行功能性扩展。
如图3.1.2所示，SR-FRS-0.5引脚功能图为详细介绍具体功能。
438.00-449.99Mhz
455KHZ
430.00-439.99Mhz
扬声器
麦克风
功率放大器
无线
开关
12.8Mhz
430.00-439.99Mhz
438.00-449.99Mhz
图3.1.1日本健伍公司TH-46A/AT/E对讲机频率配置图
（3）SR-FRS-0.5W具有的特点
基于数字信号处理技术的调制解调技术；
频率范围：
136-174MHZ,400-470MHZ;
频率步进可选择：
5K、6.25K、12.5K/25K；
RF输出功率：
500mW；
语音加密：
（扰频）功能8中选择；
语音压扩功能；
内置CTCSS（38组），CDCSS（83组）编解码；
自动消尾音功能；
MIC灵敏度软件可调；
超低功耗睡眠模式（0.1uA）;
电压工作范围：
3.3v-5.0v;
独立无线发射模块的电路设计；
50欧姆高频高增益天线阻抗匹配；
微型内置CPU亚音频识别技术；
微型内置CPU自动节能控制；
常用232串口通信功能；
单一设计按键可控功能选择（发射/接收）；
图3.1.2SR-FRS-0.5W引脚功能图
（4）音频功率放大电路
音频功率放大电路由LM4871动态音频功率放大集成电路完成，LM4871是一款BTL音频功率放大器。
5V工作电压时，最大驱动功率为3W（3Ω负载，THD+N<10%），音频范围内THD+N小于1%（20Hz～20KHz）。
LM4871的应用电路简单，只需极少数外围器件，LM4871输出不需要外接耦合电容或自举电容和缓冲网络。
LM4871采用ESOP、DIP、LLP封装，特别适合用于小音量、小体重的便携系统中；LM4871可以通过近制进入休眠模式，从而减少功耗；LM4871内部具有过热自动关断保护机制;LM4871工作稳定，单位增益稳定。
通过配臵外围电阻可以调整放大器的电压增益，方便应用。
如图3.1.4所示，LM4817音频功率放大器内部电路设计。
图3.1.3独立工作模块典型电路设计
图3.1.4LM4817内部电路设计
（5）整体电路设计
图3.1.5整体电路设计原理图
（6）系统电源模块设计
其中系统电源模块设计采用18650-SAMSUNG-5V三星电池作为系统供电；一节18650电池电源预计1400mA.h,经过简单滤波电路处理，可以完全胜任本系统供电任务。
而且三星18650电池本身体积小，磷酸铁锂构造，便于携带，方便为本系统提供支持。
前期测试，常规线性电源普遍含有50HZ市电频率谐波、或者杂波等干扰设备运行，无法进行正常的调制解调，甚至干扰信号正常接收发射，后期的语音信号还原变得艰难、失真度提高，无法满足语音信号通信清晰度的要求。
因此对于电源的要求必须是干净无杂波的直流（3.3v-5v宽电压直流供电）电源供电，这一点上讲，电池的使用变得首先必要起来。
而且考虑到携带、移动方便测试等因素，选择18650-SAMSUNG-5v电池单节完成对系统的供电。
从性能上讲，18650-SAMSUNG-5V可以循环充电，而且单节达到1400mA.h电量和续航时间上基本达到本次设计需要的要求。
4系统部分指标数据
以下数据来自深圳尚瑞思电子高频实验室。
4.1直流电器参数
表4.1电路直流参数
符号
描述
最小
典型
最大
单位
VBAT
电源电压
3.3
4.2
5.0
V
Tamb
环境温度
-3.0
85
℃
Iin
I/O输入电流
-5
5
mA
Vin
-0.3
3.3
V
注：
以上数据均为最大工作范围之内。
4.2系统功耗指标
表4.2电路功耗指标A
工作模式
描述
测试条件
典型值
连续接收
接收机正常开启
输入频率450.050MHZ，RF电平-47dBm,AF=1KHZ,MOD=1.5KHZ
65mA
连续发射
发射机正常开启
输入为1KHZ调制信号
330mA
注：
（测试条件：
BAT=5.0V,Ta=-25℃）
表4.3电路功耗指标B
接收静噪待
机省电模式
接收机处于待机省电工作状态
12mA
深睡眠
接收机/发射机均完全关断
在500ms内完成上电过程，切换至连续接收/发射模式
0.1uA
（1）工作参数
本系统设计采用默认工作参数：
（串口通信功能未在系统中涉及）
模块在上电工作后，如果没有收到AT指令，其默认工作参数为：
GBW=12.5KHZ,TFV=450.05MHZ；RFV=450.050MHZ,接收和发射CTCSS=01，SQ=3，压扩开，扰频关闭；
亚音频信号自动随语音信号发射并在通信过程中主动完成校验。
期间，如果未通过串口通信功能改写设备工作参数，所有工作参数按照上述默认开启，调制解调过程完整依附上述参数进行。
如图4.2.3所示，为SR-FRS-0.5外围封装以及引脚参数。
图4.2.3SR-FRS-0.5W外围封装
（2）SR-FRS-0.5W引脚功能描述
表4.4SR-FRS-0.5W引脚功能描述
引脚名称
脚位
功能描述
GND
1
地
PD
2
模块睡眠使能脚，0=SLEEP
PTT
3
模块发射/接受控制脚，1=接受，0=发射
AF_OUT
4
接收音频输出
SQ
5
接收静噪，低电平有效
GND
6
地
GND
7
地
MIC_IN
8
MIC输入
RXD
9
异步串行接口（接收数据口）
TXD
10
异步串行接口（发送数据口）
GND
11
地
ANT
12
射频输入/输出
GND
13
电源地
BAT
14
电源（3.3-3.5）
4.3总体电性能规格说明
4.3.1整体性能指标
表4.5整体电性能规格说明
频率范围MHZ
136-174MHZ,400-470MHZ
信道间隔KHZ
25/12.5KHZ
天线阻抗（Ω）
50
工作温度范围（℃）
-20--+60
频率稳定度（ppm）
+2.5
4.4系统工作电路发射/接收性能指标
4.4.1发射特性指标
表4.6发射特性指标
符号
参数描述
测试条件
最小
典型
最大
单位
参考灵敏度
12dB信呐
-120
-122
dBm
接收信噪比S/N
1.5KH频偏
52
55
dB
AFOUT
音频输出（有效值）
Fo=1KHZ（可调）
150
150
Mv
音频输出失真
Fo=1KHZ
1
3
MV
音频响应
300HZ
500HZ
1000HZ
+2
+4
0
dB
4.4.2系统接收特性指标
表4.7系统接收特性指标
符号
参数描述
测试条件
最小
典型
最大
单位
Pout
输出功率
350
400
500
MW
最大调制
频偏限制
窄带
宽带
2.5
5.0
KHZ
KHZ
音频调制失真
1
3
%
SNR
信噪比
40
42
45
dB
载波抑制
-60
dBC
5完整系统语音对讲调试记录
因为载波信号频率高达450M+，当前高频实验室难以满足仪器定点调试。
因此采用语音真实环境下对讲，语音清晰度，以及实际发射传输距离作为测试指标。
（1）语音接收完整度和清晰度的影响测试
表5.1语音接收完整度和清晰度的影响测试
写频，配对时间
参数描述
测试条件
语音接收完整度
清晰度
（单位：
秒）
40秒语音收发
200m实时对讲
85%
70%
5v直流供电
60秒语音收发
200m实时对讲
85%
67%
90秒语音收发
200m实时对讲
83%
65%
40秒语音收发
200m实时对讲
89%
87%
40秒语音收发
400m实时对讲
88%
85%
40秒语音收发
600m实时对讲
80%
85%
40秒语音收发
800m实时对讲
67%
47%
40秒语音收发
1000m实时对讲
55%
54%
40秒语音收发
1200m实时对讲
44%
41%
40秒语音收发
1300m实时对讲
22%
10%
注：
测试时间为2014年5月6日。
（2）综合调试记录
表5.2综合调试记录
写频，配对时间
参数描述
测试条件
语音收完整度
清晰度
（单位：
秒）
40秒语音收发
200m实时对讲
97%
100%
5v直流供电
60秒语音收发
400m实时对讲
82%
100%
90秒语音收发
500m实时对讲
77%
80%
90秒语音收发
900m实时对讲
61%
80%
注：
测试时间为2014年5月6日。
（3）测试方法及计算公式
两人各持一个对讲终端，互相对讲。
一方主动发送随机语音信号，另一方接收到以后将接收到的信息重复通过手持设备反馈给主动发送方，期间，主设备（主动发送方手持设备）接收到的信号，由记录员记录信息完整度。
记录员每次记录所在位置为接收一方，发送方和接收方所交互的信息由记录员事先独立提供。
（独立提供信息为无规律汉字，和英文字母以及阿拉伯数字随机搭配）
信息完整度计算公式：
*100
其中：
a表示记录员独立提供的语音发送信息
b表示主设备发送信息之后接收到的反馈信息
计量单位：
匹配字节数
清晰度计算方法：
发送和接收双方主观感受取均值
6结论
在本次毕业设计课题的研究中,我大有收获。
首先在选择毕业设计课题时，我本着巩固所学理论知识，加强实际动手能力，增加对现代科技特别是通信方面的了解，就选了简易对讲机的设计这一实际而又有挑战性的课题。
在进行初期的电子系统调试阶段，一开始被杂波过大的线性电源困扰很久，调试的过程非常枯燥，一时之间没找到问题，后来通过和张老师的沟通和请教，得之信号干扰问题，可能是设计测试效果不佳的重要原因之一。
在张老师的指导和建议下，我选择直接用直流蓄电池对系统进行供电。
这样子我的电路才最终得以正常工作，后期的测试数据才能够顺利进行。
这一个过程也让我回顾了很多本科阶段的电路方面的学习。
经过三年学习的积累，在已经掌握相关专业方面知识及其它各方面知识的情况下，我认真严肃的完成了我的毕业设计。
这次毕业设计，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，再有就是近来的调试和测试过程，这一切都使我的理论知识和动手能力得到很大的加强，可以说是对电路知识的一次全面综合。
在通信理论的学习和实际电路的识别、分析以及后来的测试过程中不可避免地遇到各种问题，这要求保持沉着冷静积极地思考，实在解决不了的可以请教同学或指导老师。
这次毕业设计还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。
我在这个过程中深刻的感受到了做毕业设计的意义所在，和我一样真正投入了身心去做的人也一定会有同样的感触。
为完成这次毕业设计，我复习巩固了所学的电子电路等课程知识，为深入认识当今无线通信的技术及发展，我在图书馆、互连网上查阅了大量的相关知识，并对部分流行的通信类芯片有了一定的了解。
并且制作了简易语音对讲系统，通过近三周的测试与调试后，测试了对讲机的实际通信距离，以及语音实际传输失真度。
得到了部分合理数据，并进行认真的分析，得出结论，基本完成了本次毕业设计任务。
不过此款无线对讲系统的研制工作中还存在不足之处有待于进一步研究，比如无线调制
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