頻率調制的小型無線收發系統的設計與實現

東北大學 計算機科學與工程學院 國家級計算機實驗教學示范中心 李松凱 張立立 鮑玉斌

在傳統的FM無線通信實驗中，作為其核心部件的發射機模塊與接收機模塊，通常采用分立元件進行設計。隨著無線通信技術的快速發展，實驗裝置的高性能，小型化，便捷化便成為了新的挑戰。此時采用分立元件設計發射機與接收機模塊的缺點逐漸顯露了出來：集成度低，不利于維護；分立元件模塊間高度耦合，上手難度較大；裝置體積大，便攜程度低，不利于同學開展口袋實驗等。為此，本文設計了一套基于STM32F103單片機的小型無線收發系統。在信號的前置放大，頻率調制與解調，功率放大等部分均采用高集成度的模塊化設計，充分涵蓋了FM無線通信系統的主要原理。通過使用該系統進行實驗，學生能夠更加高效的學習其基本原理與基本概念，并且掌握集成模塊化電路的設計與調試方法，為后續的相關課程打下基礎。

1 系統整體方案分析

小型無線通信收發系統的總體設計如圖1所示，主要分為發射部分與接收部分。其中發送部分由信號的前置放大模塊，頻率調制模塊，以及功率放大模塊組成；接收部分由功率放大模塊，頻率解調模塊，低通濾波模塊，低頻功放模塊組成；并且設計了一個以單片機最小系統為核心的人機交互控制模塊，實現了信息的采集存儲功能。

圖1 小型無線通信收發機原理框圖

本系統設計的無線通信裝置所發送的信息主要為音頻信號，因此其輸入信號頻段取為40Hz-15KHz。由于輸入的音頻信號由話筒等傳感器采集而來，信號的幅度比較微弱，因此需要在輸入端添加一個增益可調的放大器，在提高輸入信號幅度的同時能夠實現增益控制，與后級電路相匹配。頻率調制是該系統發送部分的核心部件，該模塊的作用是將攜帶信息的調制信號與載波信號進行合成，最終輸出用于發射的已調信號。

經過頻率調制之后的信號其具備了輸入信號所攜帶的消息內容，但是由于其信號功率較小，無法直接通過天線傳輸，因此需要經過一級功率放大，使得信號能夠通過天線發送出去。同理，接收端的天線也需要連接一個功率放大模塊，方便信號的后續處理。

頻率解調作為該系統接收部分的核心部件，其主要功能是將天線接收到的信號進行解調，并通過低通濾波器，從中解析出發射端輸入信號的波形特征。最后濾波器輸出的信號經過一個低頻功放，將解調出的信號進行放大，得到一個幅度較為可觀信號，并配合單片機最小系統，實現對信號的采集，存儲，顯示等功能。

2 系統硬件設計方案

通過上述對系統的整體描述，我們已經了解無線通信收發系統的基本結構，可以看出該系統的核心模塊為信號的放大、調制與解調。本節內容將對這幾部分進行具體分析，并給出較為合適的設計方案。

2.1 前置放大

由于輸入的音頻信號通常都比較微弱，因此需要一級前置放大對信號進行處理。相比于傳統的分立元件放大電路，采用集成芯片設計的電路在穩定性，簡便性上都具有一定的優勢，因此本模塊使用MAX9814來作為前置放大芯片。MAX9814集成了低噪聲放大器，增益可控放大器（VGA），以及自動增益控制器（AGC），只需要外接少量元件即可工作，具體電路設計如圖2所示。

圖2 前置放大電路

圖2中，輸入信號通過前端麥克風采集經過隔直電容輸入到放大器中，通過設置GAIN端的電平來控制電路的增益，TH端用于控制模塊的自動增益控制（AGC），輸出端即為放大后的信號。

2.2 頻率調制

頻率調制是該系統發射部分的核心功能。傳統的頻率調制電路采用分立LC結構，或者晶體振蕩器結構。采用分立元件構建的高頻電路其實驗電路元件數量多，電路相對復雜，并且由于分布參數難以控制，導致實驗操作繁瑣，對于還處于學習原理階段的同學們來說較難掌握。因此該部分采用集成芯片的頻率調制方案。MAX2606是一款集成度較高的中高頻壓控振蕩器（VCO），其內部集成了變容二極管，電壓基準等模塊，使得只需要少量外圍元器件就能實現功能，具體電路設計如圖3所示。

圖3 頻率調制電路

圖3中，前級信號通過由22K的電阻與10K的滑動變阻器RP2組成的衰減網絡，該網絡的目的是防止前級的增益過大導致調制信號失真。通過在MAX2606的引腳1與引腳2之間設置一個電感就可以用來設置調制電路的中心頻率。1K與100K的滑動變阻器用于調整變容二極管末端的偏置電壓，從而實現對中心頻率的微調。差分輸出端通過兩個上拉電阻將信號輸出至后級電路，結構簡單。

2.3 功率放大

在無線通信系統的發送端，為了提高天線的發射功率，需要在天線的前級進行一級功率放大；并且由于信號經過遠距離傳輸，接收端天線所接收到的信號功率消耗較大，信號比較微弱，也需要進行信號放大。功率放大模塊采用AD8353集成芯片，該芯片為固定增益塊，只需少量的外圍元件配合即可工作，并且在中高頻頻段線性度好，功率足夠，是射頻領域功率放大方案中較為通用的選擇。其具體電路結構如圖4所示。

圖4 功率放大電路

圖4中的功率放大電路為固定增益的20DB大小，采用5V電源供電。并且由于MAX2602的輸出阻抗與AD8353的輸入阻抗均為50Ω，因此該電路不需要額外的阻抗匹配模塊即可使用。

2.4 頻率解調

頻率解調采用飛利浦公司的TEA5767，該芯片作為單片FM接收機解決方案，內部集成了低噪聲射頻放大器、混頻器、低通濾波器。并且由于其內部集成了IIC總線控制器，使得單片機可以通過總線通信的方式實現頻率解調的全部功能設置，簡化了電路設計方案，提高了模塊的集成度。TEA5767的接收頻率范圍為87.5MHz-108MHz，具備自動頻率校準功能。在本系統中采用將TEA5767進行二次封裝的方式進行開發，其最小系統電路圖如圖5所示。

圖5 TEA5767頻率解調電路

3 系統軟件設計方案

無線通信系統的軟件主要是位于系統的接收機部分，主要分為系統初始化、頻率解調模塊控制。系統上電復位之后，首先進行各個模塊的初始化；通過單片機最小系統的按鍵來確定接收機是采用自動搜臺模式還是手動收臺模式，具體的控制方法通過IIC總線向TEA5767模塊發送相應的控制字來實現；調整至目的頻率后，進行信號的接收、解調、濾波等一系列過程，最終實現信號輸出。

4 系統調試

系統調試的方法為將各個模塊級聯，保證每個模塊單獨工作正常，并通過觀測輸入輸出信號的情況與質量來判斷系統的傳輸質量。

調制信號頻率設定為1K，首先將該信號連接至前置放大器，并將前置放大器模塊，頻率調制模塊，功率放大模塊依次相連，通過測量每一級模塊的輸出信號來對該級模塊的性能進行測試。在信號輸入端分別連接單一頻率信號以及音頻信號，觀察輸出信號波形情況與輸出音頻質量。其接收音頻質量測試表如表1所示，可以看出該無線通信系統能夠實現目標頻段內的信息傳輸，通信質量良好，基本滿足要求。

表1 無線通信系統接收音頻情況

結束語：本文設計了一套基于STM32的小功率無線通信系統，并且經過測試最終完成了輸入輸出信號的還原。該系統在發送端與接收端均采用以集成芯片為核心的模塊化設計，提高了系統的集成度與穩定性；在接收端通過單片機編寫了相關的軟件，并通過IIC總線接口進行控制。該系統可以用于通信電子相關專業的理論驗證、實驗教學、學生創新項目等，在提高學生的動手能力的同時節省學習時間，提高學習效率，同時為無線通信技術的集成化、小型化、數字化提供一定的參考與支持。