無線話筒擴音系統設計

劉小琴 魏東梅 朱波 方和平

摘 要：針對會場對低功耗無線擴音的需求，設計一套低功耗無線話筒擴音系統。該系統分為無線發射與無線接收兩部分，無線發射部分使用STM32F103C8T6單片機和LMX2571射頻合成器等構成無線發射裝置，使用兩節1.5 V干電池供電，將語音信號調制到88～108 MHz頻帶內并發射出去。無線接收部分包括解調電路和加法器電路，對兩路調頻信號進行解調并相加，通過放大電路驅動揚聲器工作，實現混音擴音。測試結果表明，無線話筒擴音系統能夠實現21.5 m范圍內無失真混音擴音。

關鍵詞：無線通信;直接數字頻率合成;STM32;LMX2571;解調;加法器

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

目前，會場中廣泛使用無線話筒進行通信。無線話筒是一種通過無線電波傳輸聲音的設備，可將聲音調制到88～108 MHz無線電波發射出去，距離可達到30～50 m，用普通調頻收音機或者帶收音機功能的手機就可接收[1]。為了滿足低成本、低功耗、高分辨率和快速轉換時間等需求，常采用直接數字頻率合成技術（DDS）實現調頻調制[2-3]。DDS通常結合DSP或FPGA使用[4]，因此成本較高，功耗也較大。針對上述問題，本文對無線調頻發射機和接收機進行研究，重點探討低功耗無線合成器LMX2571的使用，設計一套低功耗無線話筒擴音系統，用于會場擴音。

1 發射部分硬件設計

無線發射部分的硬件包括供電單元、語音信號采集單元、STM32F103C8T6主控單元、LMX2571射頻合成器單元、掃頻單元、OLED顯示單元及相關外圍電路。無線發射硬件原理如圖1所示。

1.1 主控接口設計

無線發射部分使用兩節普通干電池提供的3 V電源供電。STM32F103C8T6是發射部分的控制核心，LMX2571用于FM調制，兩者之間通過Microwire串行接口進行通信。通過Microwire串行接口，STM32控制LMX2571進行初始化、設置載波頻率、設置頻偏等操作。

STM32通過I2C總線接口與掃頻單元和OLED顯示單元進行通信。聲音傳感器將輸出的模擬語音信號連接至STM32的模擬量輸入引腳，進行模數轉換。

1.2 LMX2571原理

LMX2571是一款低功耗、高性能的RF合成器，輸出頻率范圍為10～1 344 MHz，可通過編程支持直接數字FSK調制[5]。

LMX2571可工作在合成器模式與鎖相環模式下，本文設計中其工作于合成器模式。LMX2571內部由R分頻器、乘法器、鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器、N分頻器、輸出分頻器組成，其具體參數存儲于LMX2571內部的寄存器中，并均可通過編程進行設置。其中R分頻器與乘法器用于對輸入的晶振頻率進行分頻與倍頻，控制輸入到PLL的頻率。鑒相器、環路濾波器、壓控振蕩器與N分頻器構成鎖相環（PLL）。N分頻器包括整數部分與分數部分，程序通過改變N分頻器的值實現FSK調制。PLL輸出的頻率經輸出分頻器分頻后，即可得到對應的載波頻率。

確定晶振輸入頻率與LMX2571輸出頻率后，即可計算各個參數的取值。LMX2571工作流程及其在輸出88 MHz載波時各參數的配置如圖2所示。

其中，N分頻的整數部分為24，分子為800 000，分母為1 250 000。計算最大頻偏為75 kHz下的FSK數字基帶

信號[5-6]。得到最大的FSK數字基帶信號為26250。ADC采集值范圍為0～4 095，所以ADC采集值到FSK數字基帶信號的轉換公式為：

根據式（2），將檢測到的聲音信號幅值轉換為FSK數字基帶信號，從而改變輸出LMX2571的輸出頻率。通過實時檢測聲音信號并實時改變輸出頻率，即可實現頻率調制。

2 發射軟件設計

無線發射軟件部分包括STM32初始化、讀取信道占用情況、采集聲音信號電壓值、LMX2571初始化、設置載波頻率、設置頻偏等操作。系統上電后，STM32首先進行初始化，然后通過I2C接口讀取掃頻單元檢測的信道占用情況，并根據信道占用情況在88～108 MHz頻率范圍內選取一個未被占用的頻率，計算出LMX2571相關寄存器的預設值，將這些預設值寫入LMX2571并使能LMX2571的信號輸出。

程序每隔10 μs采集一次聲音信號的幅值，根據聲音幅值與FSK數字基帶信號的函數關系，計算出當前聲音信號對應的FSK數字基帶信號，并將其寫入LMX2571寄存器中，完成頻偏設置。無線發射軟件設計流程如圖3所示。

3 接收機硬件設計

為了實現混音，需要兩套接收系統。其中一套接收系統包含解調單元與電源管理單元兩個部分;另一套接收系統則包括解調單元、加法器電路與電源管理單元三個部分。

3.1 解調原理

經過調制的語音信號通過天線接收，調諧回路選出發射端的輸出信號，送到變頻器與本機振蕩電路送出的本振信號進行混頻，然后選出差頻作為中頻輸出[7]。中頻信號經過檢波器檢波后輸出語音信號。解調出來的語音信號比較微弱，要驅動8 Ω揚聲器負載還需經過低頻放大與功率放大。

3.2 加法器電路設計

加法器電路的主要功能是將兩路語音信號加在一起后，經過低頻放大與功率放大后通過揚聲器播放出來，具體電路圖如圖4所示。

解調后的兩路語音信號經過UA741運算放大器組成的加法器實現兩路語音信號的相加，即進行混音，其運算關系為：

加法器具有5倍的低頻放大功能，相加后的信號進入LM386進行功率放大。在LM386的1腳與8腳之間接一個10 μF電容，放大器的增益可以達到200。混音信號經過LM386功率放大后驅動8 Ω揚聲器播放混合的語音信號。當不需要混音，直接接收的是一路語音信號時，就需將加法器的任一輸入端（P1或P2）通過跳線帽進行短接，相當于將一路輸入接地。

4 實驗與測試

4.1 測試條件

本文主要使用TSB110型雙蹤示波器、MG4102型函數發生器、VICIRVC97萬用表及TECSUM收音機對本套設計進行測試。

4.2 測試結果與分析

4.2.1 無線話筒及其收音機的通信距離測試

通信距離測試結果見表1所列。

測試結果表明，本文設計的通信距離可以大于21.5 m，滿足室內無線擴音話筒的需求。

4.2.2 音頻輸出功率測試

使用函數發生器產生帶寬為40 Hz～15 kHz的音頻信號，將產生的正弦波信號加入到發射部分進行模擬調頻與發射。在接收部分通過揚聲器作為8 ?負載，使用示波器測試不同基帶信號下的輸出波形情況及峰峰值大小，測試數據見表2所列。

測試結果表明，本文設計能夠檢測40 Hz～15 kHz的音頻信號。根據公式，要使輸出功率為0.5 W，測得的最小峰峰值應約為5.6 V。本文設計在不失真的情況下，最大峰峰值為9.4 V，其功率約為1.38 W。

5 結 語

本文針對會場無線擴音進行研究，設計了一種低功耗會場無線通信系統。語音信號采集單元將采集到的語音信號傳送至STM32單片機，同時掃頻單元將空氣中已占用信道信息傳遞至STM32單片機。STM32單片機在88～108 MHz間選取一個未占用的頻率設置為載波頻率，將語音信號轉換為對應的數字基帶信號，并將其傳遞至LMX2571進行調制，調制后的信號經過天線發射。無線接收單元將接收到的信號進行解調，并經過加法器電路實現混音，同時進行低頻放大與功率放大，驅動揚聲器發聲，最終實現混音擴音。該系統基于無線通信原理進行設計，適用范圍廣，抗干擾能力強，同時也能滿足無線話筒對低功耗的要求，具有廣闊的應用前景。

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