北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 黃惠芬 肖玉萍 許寶立

一種語音通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

北京航天發(fā)射技術(shù)研究所 黃惠芬 肖玉萍 許寶立

設(shè)計(jì)一種基于電源總線技術(shù)的車內(nèi)語音通訊系統(tǒng)，所有通訊節(jié)點(diǎn)掛到同一條電源總線上，節(jié)點(diǎn)不分主從，操作手在任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與電源總線上的其他任何節(jié)點(diǎn)上的操作手進(jìn)行語音對(duì)話，節(jié)點(diǎn)可以靈活增加。

電源總線；語音通訊

引言

本通訊系統(tǒng)適用于各操作手需協(xié)同工作，但因噪音大或距離遠(yuǎn)，操作手之間的口令傳送聽不清楚的場(chǎng)合。為了解決這一難題，設(shè)計(jì)一種基于電源總線技術(shù)的車載語音通訊系統(tǒng)。該系統(tǒng)由通訊主機(jī)及若干個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)組成，通訊節(jié)點(diǎn)分布在操作手所在的工位位置，通訊節(jié)點(diǎn)布置靈活。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于電源總線技術(shù)的語音通訊系統(tǒng)，由通訊主機(jī)和通訊節(jié)點(diǎn)組成。本系統(tǒng)由蓄電池組供電，應(yīng)用電源載波技術(shù)，通訊主機(jī)既為各通訊節(jié)點(diǎn)提供電源，又為各通訊節(jié)點(diǎn)的語音信號(hào)進(jìn)行載波及混音，形成電源總線。每個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)發(fā)送或接受屬于本節(jié)點(diǎn)的語言信號(hào)，將語音信號(hào)疊加到電源總線或從總線上提取有效的音頻信號(hào)進(jìn)行解碼還原。總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 通訊系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.通訊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

通訊節(jié)點(diǎn)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(hào)由語音芯片轉(zhuǎn)換處理后經(jīng)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(jié)點(diǎn)的核心，所有語音信號(hào)的A/D、D/A轉(zhuǎn)換都由語音芯片完成?，F(xiàn)在市場(chǎng)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(jīng)過比較，復(fù)旦微電子生產(chǎn)的FM1062語音芯片以其功耗低、接入路數(shù)多、外圍電路簡單而被廣泛采用，因此采用FM1062進(jìn)行開發(fā)。

FM1062是低壓帶撥號(hào)接口的雙極型集成電話機(jī)通話電路，能完成全電子電話機(jī)中各種話音功能及接口功能，此電路內(nèi)部含完成撥號(hào)和話音之間的電子開關(guān)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(gè)通訊節(jié)點(diǎn)并聯(lián)工作。

2.2 語音芯片外圍電路的設(shè)計(jì)

FM1062語音芯片不能獨(dú)立工作，必須提供外圍相關(guān)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(fā)送電路的高阻抗平衡輸入(64kΩ)適于接動(dòng)圈式、電磁式或壓電陶瓷送話器。發(fā)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(fā)送或接收放大器的增益可由外部電阻調(diào)節(jié)。芯片具有送受話放大器的線損耗補(bǔ)償，抗干擾能力強(qiáng)。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(tǒng)工作電壓設(shè)置VLN=5VDC。齊納穩(wěn)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(tǒng)選取BZ5242B穩(wěn)壓管，工作電壓為(11.4～12.6)VDC。R10為限流電阻，由于本系統(tǒng)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(tǒng)二極管橋堆由四個(gè)整流管BAS16組成，該二極管反向不重復(fù)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(nèi)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(nèi)部電流穩(wěn)定器，取推薦值R5=3.6K。通常應(yīng)用情況下，R9取20Ω，改變R9的值也將改變麥克風(fēng)增益，本系統(tǒng)取芯片推薦值R9=20Ω。芯片能接動(dòng)圈式、電磁式和有源駐極體式麥克風(fēng)，本系統(tǒng)選取抗拉性能較好的SOD-8型動(dòng)圈頭戴式送受話器。當(dāng)R7取值68K時(shí)，麥克風(fēng)增益通常能達(dá)52dB，調(diào)節(jié)R7值能改變麥克風(fēng)增益范圍44dB～52dB，本系統(tǒng)設(shè)置R7=68K。C6、C8作用是保證芯片的穩(wěn)定度，C6的推薦值為100p，C8是10倍的C6即1000p，本系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)增益調(diào)整，當(dāng)R4=100K時(shí)，接受放大器增益為31dB，本系統(tǒng)取R4=110K的電位器，用來當(dāng)作音量調(diào)節(jié)按鈕。C4和C7的作用也是保證芯片的穩(wěn)定度，C4通常為100p，而C7是C4的10倍，為1000p，本系統(tǒng)C4、C7取推薦值C4=100p、C7=1000p。

送話器即麥克風(fēng)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(shí)接受撥號(hào)音，本系統(tǒng)無須撥號(hào)，將DTMF端接地。

AGC為自動(dòng)增益控制端，通過R6電阻獲得自動(dòng)線損補(bǔ)償，R6的取值范圍根據(jù)圖3。

由圖9可知，支架護(hù)幫板的最大變形為0.26 mm，最大應(yīng)力為710.35 MPa。雖然護(hù)幫板的變形很小，但是應(yīng)力較大，比較接近屈服極限890 MPa，屬于支架的薄弱環(huán)節(jié)，在對(duì)支架進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改時(shí)應(yīng)提高護(hù)幫板的強(qiáng)度。

圖3 不同R6值時(shí)增益和線電流變化圖

本系統(tǒng)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(cè)音網(wǎng)絡(luò)，側(cè)音抑制等效電路如圖4所示。

圖4 側(cè)音抑制等效電路

根據(jù)惠斯通電橋平衡理論可知，要使側(cè)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(shí)，⑴式基本滿足。

根據(jù)⑵式，Zbal=（R8/R1）×Zline=0.63×Zline

根據(jù)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(tǒng)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(shè)計(jì)

2.3.1 美信MAX7409濾波器特性

MAX7409是一個(gè)五階低通貝瑟爾開關(guān)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(tài)時(shí)僅需0.2μA，適合用于多個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)并聯(lián)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(jié)點(diǎn)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(diào)節(jié)輸入；為使能端，高電平使能；CLK為時(shí)鐘輸入。

圖5 MAX7409引腳圖

2.3.3 濾波器外圍電路計(jì)算

芯片的典型應(yīng)用電路見圖6。

圖6 MAX7409典型應(yīng)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(fā)電機(jī)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(shè)置為1100Hz，則對(duì)高于1100Hz以上的噪音信號(hào)呈高阻狀態(tài)，達(dá)到保留語音、消除噪音的目的。

根據(jù)芯片資料，截至頻率fc和時(shí)鐘頻率fclk之間的關(guān)系為：

fc=fclk/100 ⑶

時(shí)鐘可以由外部輸入，也可以利用內(nèi)部晶振產(chǎn)生。根據(jù)芯片資料，當(dāng)用內(nèi)部晶振時(shí)，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(nèi)部晶振產(chǎn)生。根據(jù)式⑶和式⑷，可以得到截至頻率：

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

實(shí)際電路中選取產(chǎn)生時(shí)鐘頻率的電容Cosc=270pF，根據(jù)式⑸，得截至頻率fc=1111Hz。實(shí)際應(yīng)用電路見圖7。

圖7 實(shí)際電路應(yīng)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(shè)計(jì)

直流電源可分為開關(guān)穩(wěn)壓電源和線性電源兩種，開關(guān)穩(wěn)壓電源特點(diǎn)是紋波系數(shù)大，電磁兼容性差，過載能力強(qiáng)，效率高，一般適用于大功率或者要求效率高的場(chǎng)合；線性電源特點(diǎn)是紋波系數(shù)小，效率低，一般用于小功率電路。本系統(tǒng)采用線性電源比較合適，以獲得更加穩(wěn)定清晰的語音信號(hào)。

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(diào)，調(diào)節(jié)后電源模塊輸出電壓為6.3V，經(jīng)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(guān)通斷、蓄電池?cái)_動(dòng)等引起的噪聲竄入電源總線，電路圖如圖8所示。

4.結(jié)論

采用語音芯片F(xiàn)M1062及濾波器MAX7409設(shè)計(jì)和制作的基于電源總線技術(shù)的語音通訊系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，體積小巧，抗噪音能力強(qiáng)，音質(zhì)好，可應(yīng)用于各種需要語音通訊的場(chǎng)合。

[1]艾永樂.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].中國電力出版社,2012(2).

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

黃惠芬（1966—），女，工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)，主要從事供配電產(chǎn)品或系統(tǒng)的研究工作。