一種語音通訊系統設計

北京航天發射技術研究所 黃惠芬 肖玉萍 許寶立

一種語音通訊系統設計

北京航天發射技術研究所 黃惠芬 肖玉萍 許寶立

設計一種基于電源總線技術的車內語音通訊系統，所有通訊節點掛到同一條電源總線上，節點不分主從，操作手在任何一個節點都可以與電源總線上的其他任何節點上的操作手進行語音對話，節點可以靈活增加。

電源總線；語音通訊

引言

本通訊系統適用于各操作手需協同工作，但因噪音大或距離遠，操作手之間的口令傳送聽不清楚的場合。為了解決這一難題，設計一種基于電源總線技術的車載語音通訊系統。該系統由通訊主機及若干個通訊節點組成，通訊節點分布在操作手所在的工位位置，通訊節點布置靈活。

1.系統總體設計

基于電源總線技術的語音通訊系統，由通訊主機和通訊節點組成。本系統由蓄電池組供電，應用電源載波技術，通訊主機既為各通訊節點提供電源，又為各通訊節點的語音信號進行載波及混音，形成電源總線。每個通訊節點只負責發送或接受屬于本節點的語言信號，將語音信號疊加到電源總線或從總線上提取有效的音頻信號進行解碼還原。總體架構如圖1所示。

圖1 通訊系統總體架構

2.通訊節點設計

通訊節點主要由語音芯片、帶通濾波器、送話器和受話器組成。送話器的語音信號由語音芯片轉換處理后經帶通濾波器濾波輸出后至受話器。

2.1 語音芯片的選擇

語音芯片是通訊節點的核心，所有語音信號的A/D、D/A轉換都由語音芯片完成。現在市場上流行的語音芯片各種各樣，所需的外圍電路也大不相同，經過比較，復旦微電子生產的FM1062語音芯片以其功耗低、接入路數多、外圍電路簡單而被廣泛采用，因此采用FM1062進行開發。

FM1062是低壓帶撥號接口的雙極型集成電話機通話電路，能完成全電子電話機中各種話音功能及接口功能，此電路內部含完成撥號和話音之間的電子開關功能，并能給外圍電路提供直流電源。此集成電路可在低至1.6V的電壓下工作，從而更易用于多個通訊節點并聯工作。

2.2 語音芯片外圍電路的設計

FM1062語音芯片不能獨立工作，必須提供外圍相關電路。FM1062供電電壓由電源總線提供，電壓范圍為1.6V～12V。在FM1062中，發送電路的高阻抗平衡輸入(64kΩ)適于接動圈式、電磁式或壓電陶瓷送話器。發送電路的高阻抗不平衡輸入(32kΩ)適于接駐極體送話器。接收放大器的輸出可以接各種類型的受話器。發送或接收放大器的增益可由外部電阻調節。芯片具有送受話放大器的線損耗補償，抗干擾能力強。芯片典型外圍電路如圖2所示。

芯片工作電壓范圍為(1.6～12)VDC，瞬間工作電壓不能超過13.2VDC，本系統工作電壓設置VLN=5VDC。齊納穩壓管的作用是防止瞬間過高干擾電壓引起芯片損壞，本系統選取BZ5242B穩壓管，工作電壓為(11.4～12.6)VDC。R10為限流電阻，由于本系統工作電壓較低，取消R10電阻。二極管橋堆允許電源線任意接入，本系統二極管橋堆由四個整流管BAS16組成，該二極管反向不重復峰值電壓75VDC，整流輸出電流0.2A，大于FM1062芯片的最大工作電流140mA。

圖2 語音芯片典型外圍電路

C1為芯片供電電源去藕電容，選用芯片推薦值C1=100uF；C3為芯片內部電壓分配器去藕電容，選用推薦值C3=4.7uF。R5作用為芯片內部電流穩定器，取推薦值R5=3.6K。通常應用情況下，R9取20Ω，改變R9的值也將改變麥克風增益，本系統取芯片推薦值R9=20Ω。芯片能接動圈式、電磁式和有源駐極體式麥克風，本系統選取抗拉性能較好的SOD-8型動圈頭戴式送受話器。當R7取值68K時，麥克風增益通常能達52dB，調節R7值能改變麥克風增益范圍44dB～52dB，本系統設置R7=68K。C6、C8作用是保證芯片的穩定度，C6的推薦值為100p，C8是10倍的C6即1000p，本系統C6、C8取推薦值C6=100p、C8=1000p。接收放大器增益范圍為20dB～31dB，通過R4來實現增益調整，當R4=100K時，接受放大器增益為31dB，本系統取R4=110K的電位器，用來當作音量調節按鈕。C4和C7的作用也是保證芯片的穩定度，C4通常為100p，而C7是C4的10倍，為1000p，本系統C4、C7取推薦值C4=100p、C7=1000p。

送話器即麥克風接入MIC+、MIC-端。

MUTE為FM1062芯片使能端，MUTE接地才能通話。

DTMF端高電平時接受撥號音，本系統無須撥號，將DTMF端接地。

AGC為自動增益控制端，通過R6電阻獲得自動線損補償，R6的取值范圍根據圖3。

由圖9可知，支架護幫板的最大變形為0.26 mm，最大應力為710.35 MPa。雖然護幫板的變形很小，但是應力較大，比較接近屈服極限890 MPa，屬于支架的薄弱環節，在對支架進行結構修改時應提高護幫板的強度。

圖3 不同R6值時增益和線電流變化圖

本系統供電電壓低、線電流較小，故選取R6=78.7K。

R1∥Zline、R2、R3、R8、R9和Zbal組成抑制側音網絡，側音抑制等效電路如圖4所示。

圖4 側音抑制等效電路

根據惠斯通電橋平衡理論可知，要使側音抑制效果最好，須滿足下列等式：

取芯片推薦值R1=620Ω，R2=130K，R3=3.9K，R8=390Ω，R9=20Ω時，⑴式基本滿足。

根據⑵式，Zbal=（R8/R1）×Zline=0.63×Zline

根據芯片資料，長度5 k m、線徑0.5 m m2的電源線Zline=210Ω+1265Ω∥140n。本系統電源線采用長度約10m、線徑0.5mm2的雙絞銅線，則Zline=（210Ω+1265Ω∥140n）/500=0.42Ω+2.53Ω∥0.28n，所以Zbal=0.63×Zline=0.26Ω+1.6Ω∥0.44n。

2.3 帶通濾波器設計

2.3.1 美信MAX7409濾波器特性

MAX7409是一個五階低通貝瑟爾開關電容濾波器，供電電源為+5V單電源供電，可以與語音芯片共用電源，供電電流低，只需1.2mA，阻態時僅需0.2μA，適合用于多個通訊節點并聯工作。芯片體積小、外圍電路元件少，所以與語音芯片一起做成通訊節點體積也小。

2.3.2 引腳及其功能

MAX7409芯片引腳見圖5。COM為輸入公共端；IN為濾波輸入；GNG為地；VDD為電源輸入；OUT為濾波輸出；OS為偏移調節輸入；為使能端，高電平使能；CLK為時鐘輸入。

圖5 MAX7409引腳圖

2.3.3 濾波器外圍電路計算

芯片的典型應用電路見圖6。

圖6 MAX7409典型應用電路

通話語音頻率范圍一般為1Hz～1100Hz之間，航天特裝車車載發電機組的噪音頻率一般在1300Hz～3500Hz之間，只要將濾波器的截至頻率設置為1100Hz，則對高于1100Hz以上的噪音信號呈高阻狀態，達到保留語音、消除噪音的目的。

根據芯片資料，截至頻率fc和時鐘頻率fclk之間的關系為：

fc=fclk/100 ⑶

時鐘可以由外部輸入，也可以利用內部晶振產生。根據芯片資料，當用內部晶振時，在clk端和GND端之間需接一電容Cosc，晶振頻率為：

fosc（kHz）=30000/Cosc（pF） ⑷

為減少外圍器件及體積，本濾波器的截至頻率由內部晶振產生。根據式⑶和式⑷，可以得到截至頻率：

fc（kHz）=fclk/100=fosc/100=300/Cosc（pF） ⑸

實際電路中選取產生時鐘頻率的電容Cosc=270pF，根據式⑸，得截至頻率fc=1111Hz。實際應用電路見圖7。

圖7 實際電路應用圖

圖7中濾波芯片的INPUT、COM端接語音芯片的輸出端，OUTPUT、COM端接受話器即聽筒。

圖8 電源電路

3.電源設計

直流電源可分為開關穩壓電源和線性電源兩種，開關穩壓電源特點是紋波系數大，電磁兼容性差，過載能力強，效率高，一般適用于大功率或者要求效率高的場合；線性電源特點是紋波系數小，效率低，一般用于小功率電路。本系統采用線性電源比較合適，以獲得更加穩定清晰的語音信號。

電源模塊采用SMP-1152SBN（A），輸出功率15W，輸入電壓18～36VDC，輸出電壓12VDC可調，調節后電源模塊輸出電壓為6.3V，經二極管V12～V14降壓后輸出電壓約為5VDC，滿足語音芯片及濾波芯片工作電壓的要求。音頻電感L1的作用是抑制由前端開關通斷、蓄電池擾動等引起的噪聲竄入電源總線，電路圖如圖8所示。

4.結論

采用語音芯片FM1062及濾波器MAX7409設計和制作的基于電源總線技術的語音通訊系統，結構簡單，體積小巧，抗噪音能力強，音質好，可應用于各種需要語音通訊的場合。

[1]艾永樂.模擬電子技術基礎[M].中國電力出版社,2012(2).

[2]黃凌.基于MAX274的音頻濾波器設計[J].器件與電路,2006(9): 30-33.

黃惠芬（1966—），女，工業電氣自動化專業，主要從事供配電產品或系統的研究工作。