一種優(yōu)化的無線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計

周健 劉婷 王藝超 劉星

摘 要：文中設(shè)計了一種無線音頻收發(fā)擴(kuò)音系統(tǒng)，利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關(guān)與射極跟隨器進(jìn)行選頻，優(yōu)化了集成芯片的調(diào)節(jié)方式，使系統(tǒng)頻率在88～108 MHz區(qū)間可調(diào)，調(diào)整間隔可自行設(shè)定。另外，在接收部分使用兩個獨(dú)立的運(yùn)放單元，可單獨(dú)控制每一聲道的聲音效果，信號疊加后，通過功放電路將信號放大，從而使兩個無線話筒發(fā)射出聲音信號混音與擴(kuò)音效果，大大降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，增加了系統(tǒng)的可控性。

關(guān)鍵詞：無線話筒;SP7021F芯片;無線接收;音頻混合;工作頻率 ;選頻

中圖分類號：TP39;TN924文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

隨著無線電子及通信技術(shù)的發(fā)展，無線設(shè)備的發(fā)送設(shè)備已十分普遍，而無線話筒因采用無線電波工作，在使用過程中可以移動，因此適應(yīng)多種場合[1]。盡管目前對于無線話筒的研究較為廣泛，但在雙話筒混頻放大方面的研究仍然不多，本系統(tǒng)所制作的發(fā)射機(jī)頻率在88～108 MHz范圍內(nèi)可調(diào)。目前市面上存在的可調(diào)模塊多為BH1417F集成芯片與外圍電路，但模塊實際可調(diào)區(qū)間為87.7～88.9 MHz與106.7～107.9 MHz，調(diào)整間隔為200 kHz則不可調(diào)，這不僅會導(dǎo)致頻道利用率降低，調(diào)整間隔過大，且不可調(diào)也會直接影響該話筒的實用性。我們的方案極大地優(yōu)化了此類可調(diào)模塊的弊端。本系統(tǒng)的有效通話距離超過10 m，兩支發(fā)射機(jī)的載波頻率同時使用，可實現(xiàn)兩支話筒分別擴(kuò)音或混音擴(kuò)音。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

無線話筒擴(kuò)音系統(tǒng)主要由兩個發(fā)射機(jī)和一個接收機(jī)構(gòu)成。發(fā)射機(jī)主要由采集放大電路、克拉潑（clapp）電路、選頻電路以及三極管射極跟隨器組成。接收機(jī)的電路核心為單片收音機(jī)集成電路SC1088，主要包含F(xiàn)M信號輸入、本振調(diào)諧電路、中頻放大、限幅與鑒頻電路、功率放大電路[2]。通過MIC（咪頭）與音頻輸入電路采集音頻信號，通過發(fā)射機(jī)的音頻放大電路將音頻信號進(jìn)行放大，之后音頻信號通過鎖環(huán)調(diào)制電路對音頻信號進(jìn)行調(diào)制，最后通過高頻功率放大器將音頻信號進(jìn)行放大，通過天線發(fā)送到接收機(jī)，接收機(jī)通過FM信號輸入電路接收信號，之后通過本振調(diào)諧電路穩(wěn)定接收發(fā)射機(jī)所發(fā)出的音頻信號，再送到鑒頻器檢出音頻信號，最后將信號通過功放電路從喇叭放出。系統(tǒng)的總體構(gòu)成如圖1所示。

1.2 無線話筒頻率段區(qū)間可調(diào)實現(xiàn)方案

利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關(guān)與射極跟隨器選頻。經(jīng)過試驗后找到合適大小的電容阻值，我們可以直接通過自鎖按鍵對頻率進(jìn)行調(diào)整，便可實現(xiàn)200 kHz頻率間隔及其他頻率間隔。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 發(fā)射機(jī)電路及其實現(xiàn)原理

無線話筒的原理如圖2所示。

（1）通過MIC（咪頭）采集音頻信號，再通過一級放大電路將聲音信號進(jìn)行放大。

（2）通過克拉潑（Clapp）振蕩電路對音頻信號進(jìn)行處理，將處理后的信號加到載波上然后通過調(diào)整電容改變載波頻率，通過頻率計測量載波頻率。

（3）將調(diào)整頻率后的信號經(jīng)射極跟隨器后通過天線向外發(fā)出。信號由三極管基極輸入，從發(fā)射極輸出。

2.2 接收機(jī)電路及其實現(xiàn)原理

通過采用以SP7021F芯片為核心的電路實現(xiàn)接收機(jī)的功能。接收機(jī)實物如圖3所示。

LM386音頻功率放大器輸入端為差分放大器形式，輸出端由于采用了OTL電路形式，因此輸出端靜態(tài)電壓被自動偏置到電源電壓的一半，使得LM386適用于電池供電場合[3]。我們使用喇叭對放大后的信號進(jìn)行播放，從而模擬會場擴(kuò)音的效果。

系統(tǒng)選用LM324四路運(yùn)算集成電路。LM324內(nèi)部集成有4個獨(dú)立的運(yùn)放單元，由于每個運(yùn)放單元的集成電路都具有放大功能，因此可使用其中兩個獨(dú)立運(yùn)放單元將不同頻率的聲音信號進(jìn)行疊加，再通過一個獨(dú)立單元將信號合并，最后通過功放電路將信號放大，從而達(dá)到聲音信號混音與擴(kuò)音的效果。混音、擴(kuò)音電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)理論分析與計算

3.1 調(diào)頻接收機(jī)參數(shù)分析及設(shè)計

本部分選用的芯片為SP7021F，使用3 V電壓供電，在信號處理部分選擇基于LM386的音頻功率放大電路與基于LM324的混擴(kuò)音電路。LM386的主要參數(shù)：電源電壓VCC=4～12 V，輸入電阻Ri≈50 kΩ，輸出電阻Ro≈1 Ω，放大倍數(shù)為20～200且可調(diào)，使用104瓷片電容作為輸入耦合電容，使用1 000 μF電容作為電源濾波電容，使用104瓷片電容作為去耦電容，直流靜態(tài)電流為4 mA[4]。借助LM324的輸入電壓變化量與輸入電流變化量之比衡量運(yùn)放質(zhì)量RiUi/Ii。分別在兩個輸入端口接入200 Ω電阻為運(yùn)放電路提供偏置電壓，兩個輸入端的輸入信號通過功放電路進(jìn)行疊加，最終通過音頻放大電路輸出。

3.2 無線話筒區(qū)間可調(diào)參數(shù)分析及設(shè)計

本部分音頻信號先通過一級放大電路，因此選用22 nF電容對信號進(jìn)行濾波，再通過克拉潑電路進(jìn)行二級放大，測定可滿足最小量檔值的電容，頻率為200 kHz。測得電容值為0.375 pF時與頻率200 kHz最接近，故將0.375 pF作為200 kHz頻率的一個量檔，之后自鎖開關(guān)對應(yīng)的電容值以2倍

速率遞增，通過調(diào)節(jié)電容值達(dá)到理想頻點(diǎn)。當(dāng)把與按鍵相接的電容全部斷開后，調(diào)整載波頻率，使其達(dá)到108 MHz，此時的頻率值即為最大值，按下自鎖開關(guān)，并聯(lián)相應(yīng)200 kHz量檔的電容，從而降低200 kHz頻率。在射極跟隨器部分，使用100 kΩ的基極電阻使其靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定在1.5 V。

為了保證芯片正常鎖住頻點(diǎn)，系統(tǒng)使用壓控振蕩器。系統(tǒng)采用普通的磁芯可調(diào)式電感，電感量標(biāo)稱值為30～60 nH，變?nèi)荻O管的電容隨偏置電壓的變化而改變，其極限范圍為7～35 pF。

4 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

4.1 測試環(huán)境

本項目的開發(fā)環(huán)境為Proteus8和DXP，使用有50 MHz～1.3 GHz頻率計、信號發(fā)生器、示波器和直流穩(wěn)壓電源。為了使測試結(jié)果更明顯，在88～108 MHz范圍內(nèi)以200 kHz為間隔進(jìn)行測量。

4.2 測試過程

（1）無線話筒頻率調(diào)整測試

制作電路板后，在電路板上的電源接口接入3 V直流電，通過頻率計連接至發(fā)射機(jī)天線測得的無線話筒載波頻率可在88～108 MHz間任意設(shè)定，頻道頻率間隔為200 kHz，該頻率通過板子上的多個自鎖開關(guān)選擇設(shè)定。

（2）調(diào)頻接收機(jī)測試

通過高頻頻率計對無線話筒的發(fā)射頻率進(jìn)行測定，測定后將我們制作的接收機(jī)也調(diào)到相同頻率，之后由測試人員對無線話筒說話，我們可以從接收機(jī)外界的喇叭清晰聽到測試人員的說話聲。

（3）通信距離測試

在室外空曠的區(qū)域進(jìn)行測量，一名實驗人員在原地觀察接收機(jī)發(fā)聲，另一名實驗人員攜帶發(fā)射機(jī)一邊遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)，一邊說話，直至在接收端不能接收到聲音停止，記錄兩名實驗人員之間的距離。

4.3 測試結(jié)果及分析

選取幾個頻段進(jìn)行距離測量，測量結(jié)果記錄見表1所列。

根據(jù)選取頻率的測量范圍可以得到，該無線話筒的通信范圍超10 m。

5 結(jié) 語

通過以上測試結(jié)果可知，該系統(tǒng)可以較好地實現(xiàn)頻率范圍的選擇及設(shè)定，可實現(xiàn)無線信號的混音與擴(kuò)音，通信范圍超10 m。

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