東北大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 國家級計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心 李松凱 張立立 鮑玉斌

在傳統(tǒng)的FM無線通信實(shí)驗(yàn)中，作為其核心部件的發(fā)射機(jī)模塊與接收機(jī)模塊，通常采用分立元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)驗(yàn)裝置的高性能，小型化，便捷化便成為了新的挑戰(zhàn)。此時(shí)采用分立元件設(shè)計(jì)發(fā)射機(jī)與接收機(jī)模塊的缺點(diǎn)逐漸顯露了出來：集成度低，不利于維護(hù)；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(xué)開展口袋實(shí)驗(yàn)等。為此，本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32F103單片機(jī)的小型無線收發(fā)系統(tǒng)。在信號的前置放大，頻率調(diào)制與解調(diào)，功率放大等部分均采用高集成度的模塊化設(shè)計(jì)，充分涵蓋了FM無線通信系統(tǒng)的主要原理。通過使用該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠更加高效的學(xué)習(xí)其基本原理與基本概念，并且掌握集成模塊化電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試方法，為后續(xù)的相關(guān)課程打下基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)整體方案分析

小型無線通信收發(fā)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，主要分為發(fā)射部分與接收部分。其中發(fā)送部分由信號的前置放大模塊，頻率調(diào)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(diào)模塊，低通濾波模塊，低頻功放模塊組成；并且設(shè)計(jì)了一個(gè)以單片機(jī)最小系統(tǒng)為核心的人機(jī)交互控制模塊，實(shí)現(xiàn)了信息的采集存儲功能。

圖1 小型無線通信收發(fā)機(jī)原理框圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的無線通信裝置所發(fā)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(gè)增益可調(diào)的放大器，在提高輸入信號幅度的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)增益控制，與后級電路相匹配。頻率調(diào)制是該系統(tǒng)發(fā)送部分的核心部件，該模塊的作用是將攜帶信息的調(diào)制信號與載波信號進(jìn)行合成，最終輸出用于發(fā)射的已調(diào)信號。

經(jīng)過頻率調(diào)制之后的信號其具備了輸入信號所攜帶的消息內(nèi)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(jīng)過一級功率放大，使得信號能夠通過天線發(fā)送出去。同理，接收端的天線也需要連接一個(gè)功率放大模塊，方便信號的后續(xù)處理。

頻率解調(diào)作為該系統(tǒng)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(jìn)行解調(diào)，并通過低通濾波器，從中解析出發(fā)射端輸入信號的波形特征。最后濾波器輸出的信號經(jīng)過一個(gè)低頻功放，將解調(diào)出的信號進(jìn)行放大，得到一個(gè)幅度較為可觀信號，并配合單片機(jī)最小系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對信號的采集，存儲，顯示等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

通過上述對系統(tǒng)的整體描述，我們已經(jīng)了解無線通信收發(fā)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，可以看出該系統(tǒng)的核心模塊為信號的放大、調(diào)制與解調(diào)。本節(jié)內(nèi)容將對這幾部分進(jìn)行具體分析，并給出較為合適的設(shè)計(jì)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(jìn)行處理。相比于傳統(tǒng)的分立元件放大電路，采用集成芯片設(shè)計(jì)的電路在穩(wěn)定性，簡便性上都具有一定的優(yōu)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(dòng)增益控制器（AGC），只需要外接少量元件即可工作，具體電路設(shè)計(jì)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(fēng)采集經(jīng)過隔直電容輸入到放大器中，通過設(shè)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(dòng)增益控制（AGC），輸出端即為放大后的信號。

2.2 頻率調(diào)制

頻率調(diào)制是該系統(tǒng)發(fā)射部分的核心功能。傳統(tǒng)的頻率調(diào)制電路采用分立LC結(jié)構(gòu)，或者晶體振蕩器結(jié)構(gòu)。采用分立元件構(gòu)建的高頻電路其實(shí)驗(yàn)電路元件數(shù)量多，電路相對復(fù)雜，并且由于分布參數(shù)難以控制，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，對于還處于學(xué)習(xí)原理階段的同學(xué)們來說較難掌握。因此該部分采用集成芯片的頻率調(diào)制方案。MAX2606是一款集成度較高的中高頻壓控振蕩器（VCO），其內(nèi)部集成了變?nèi)荻O管，電壓基準(zhǔn)等模塊，使得只需要少量外圍元器件就能實(shí)現(xiàn)功能，具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 頻率調(diào)制電路

圖3中，前級信號通過由22K的電阻與10K的滑動(dòng)變阻器RP2組成的衰減網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的目的是防止前級的增益過大導(dǎo)致調(diào)制信號失真。通過在MAX2606的引腳1與引腳2之間設(shè)置一個(gè)電感就可以用來設(shè)置調(diào)制電路的中心頻率。1K與100K的滑動(dòng)變阻器用于調(diào)整變?nèi)荻O管末端的偏置電壓，從而實(shí)現(xiàn)對中心頻率的微調(diào)。差分輸出端通過兩個(gè)上拉電阻將信號輸出至后級電路，結(jié)構(gòu)簡單。

2.3 功率放大

在無線通信系統(tǒng)的發(fā)送端，為了提高天線的發(fā)射功率，需要在天線的前級進(jìn)行一級功率放大；并且由于信號經(jīng)過遠(yuǎn)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(jìn)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(lǐng)域功率放大方案中較為通用的選擇。其具體電路結(jié)構(gòu)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(diào)

頻率解調(diào)采用飛利浦公司的TEA5767，該芯片作為單片F(xiàn)M接收機(jī)解決方案，內(nèi)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(nèi)部集成了IIC總線控制器，使得單片機(jī)可以通過總線通信的方式實(shí)現(xiàn)頻率解調(diào)的全部功能設(shè)置，簡化了電路設(shè)計(jì)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(dòng)頻率校準(zhǔn)功能。在本系統(tǒng)中采用將TEA5767進(jìn)行二次封裝的方式進(jìn)行開發(fā)，其最小系統(tǒng)電路圖如圖5所示。

圖5 TEA5767頻率解調(diào)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

無線通信系統(tǒng)的軟件主要是位于系統(tǒng)的接收機(jī)部分，主要分為系統(tǒng)初始化、頻率解調(diào)模塊控制。系統(tǒng)上電復(fù)位之后，首先進(jìn)行各個(gè)模塊的初始化；通過單片機(jī)最小系統(tǒng)的按鍵來確定接收機(jī)是采用自動(dòng)搜臺模式還是手動(dòng)收臺模式，具體的控制方法通過IIC總線向TEA5767模塊發(fā)送相應(yīng)的控制字來實(shí)現(xiàn)；調(diào)整至目的頻率后，進(jìn)行信號的接收、解調(diào)、濾波等一系列過程，最終實(shí)現(xiàn)信號輸出。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試的方法為將各個(gè)模塊級聯(lián)，保證每個(gè)模塊單獨(dú)工作正常，并通過觀測輸入輸出信號的情況與質(zhì)量來判斷系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

調(diào)制信號頻率設(shè)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(diào)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(jìn)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(zhì)量。其接收音頻質(zhì)量測試表如表1所示，可以看出該無線通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)頻段內(nèi)的信息傳輸，通信質(zhì)量良好，基本滿足要求。

表1 無線通信系統(tǒng)接收音頻情況

結(jié)束語：本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32的小功率無線通信系統(tǒng)，并且經(jīng)過測試最終完成了輸入輸出信號的還原。該系統(tǒng)在發(fā)送端與接收端均采用以集成芯片為核心的模塊化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的集成度與穩(wěn)定性；在接收端通過單片機(jī)編寫了相關(guān)的軟件，并通過IIC總線接口進(jìn)行控制。該系統(tǒng)可以用于通信電子相關(guān)專業(yè)的理論驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目等，在提高學(xué)生的動(dòng)手能力的同時(shí)節(jié)省學(xué)習(xí)時(shí)間，提高學(xué)習(xí)效率，同時(shí)為無線通信技術(shù)的集成化、小型化、數(shù)字化提供一定的參考與支持。