无线话筒扩音系统设计

引 言

目前，会场中广泛使用无线话筒进行通信。无线话筒是一种通过无线电波传输声音的设备， 可将声音调制到88 ～108MHz无线电波发射出去，距离可达到 30 ～50m， 用普通调频收音机或者带收音机功能的手机就可接收 [1]。为了满足低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等需求， 常采用直接数字频率合成技术（DDS）实现调频调制 [2-3]。DDS通常结合 DSP或 FPGA使用 [4]，因此成本较高，功耗也较大。针对上述问题，本文对无线调频发射机和接收机进行研究，重点探讨低功耗无线合成器 LMX2571的使用，设计一套低功耗无线话筒扩音系统，用于会场扩音。

1 发射部分硬件设计

无线发射部分的硬件包括供电单元、语音信号采集单元、STM32F103C8T6 主控单元、LMX2571 射频合成器单元、扫频单元、OLED 显示单元及相关外围电路。无线发射硬件原理如图 1 所示。

1.1 主控接口设计

无线发射部分使用两节普通干电池提供的3 V 电源供电。STM32F103C8T6 是发射部分的控制核心，LMX2571 用于FM 调制，两者之间通过 Microwire 串行接口进行通信。通过 Microwire 串行接口，STM32 控制 LMX2571 进行初始化、设置载波频率、设置频偏等操作。

STM32 通过 I2C 总线接口与扫频单元和 OLED 显示单元进行通信。声音传感器将输出的模拟语音信号连接至 STM32 的模拟量输入引脚，进行模数转换。

1.2 LMX2571原理

LMX2571 是一款低功耗、高性能的 RF 合成器，输出频率范围为 10 ～ 1 344 MHz，可通过编程支持直接数字 FSK 调制 [5]。

LMX2571 可工作在合成器模式与锁相环模式下，本文设计中其工作于合成器模式。LMX2571 内部由 R 分频器、乘法器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、N 分频器、输出分频器组成，其具体参数存储于 LMX2571 内部的寄存器中，并均可通过编程进行设置。其中 R 分频器与乘法器用于对输入的晶振频率进行分频与倍频，控制输入到 PLL 的频率。鉴相器、环路滤波器、压控振荡器与 N 分频器构成锁相环（PLL）。N 分频器包括整数部分与分数部分，程序通过改变 N 分频器的值实现 FSK 调制。PLL 输出的频率经输出分频器分频后，即可得到对应的载波频率。

确定晶振输入频率与 LMX2571 输出频率后，即可计算各个参数的取值。LMX2571 工作流程及其在输出 88 MHz 载波时各参数的配置如图 2 所示。

78物联网技术 2019年 / 第5期

图 2 工作流程及参数配置

其中，N 分频的整数部分为 24，分子为 800 000，分母为 1 250 000。计算最大频偏为 75 kHz 下的 FSK 数字基带信号 [5-6]。

根据式（2），将检测到的声音信号幅值转换为 FSK 数字基带信号，从而改变输出 LMX2571 的输出频率。通过实时检测声音信号并实时改变输出频率，即可实现频率调制。

2 发射软件设计

无线发射软件部分包括 STM32 初始化、读取信道占用情况、采集声音信号电压值、LMX2571 初始化、设置载波进行混频，然后选出差频作为中频输出 [7]。

程序每隔 10 μs 采集一次声音信号的幅值，根据声音幅值与 FSK 数字基带信号的函数关系，计算出当前声音信号对应的 FSK 数字基带信号，并将其写入 LMX2571 寄存器中，完成频偏设置。无线发射软件设计流程如图 3 所示。

3 接收机硬件设计

为了实现混音，需要两套接收系统。其中一套接收系统包含解调单元与电源管理单元两个部分 ；另一套接收系统则包括解调单元、加法器电路与电源管理单元三个部分。

3.1 解调原理

经过调制的语音信号通过天线接收，调谐回路选出发射端的输出信号，送到变频器与本机振荡电路送出的本振信号进行混频，然后选出差频作为中频输出 [7]。中频信号经过检波器检波后输出语音信号。解调出来的语音信号比较微弱，要驱动 8 Ω 扬声器负载还需经过低频放大与功率放大。

3.2 加法器电路设计

加法器电路的主要功能是将两路语音信号加在一起后，经过低频放大与功率放大后通过扬声器播放出来，具体电路图如图 4 所示。

解调后的两路语音信号经过 UA741 运算放大器组成的加法器实现两路语音信号的相加，即进行混音，其运算关系为 ：

加法器具有 5 倍的低频放大功能，相加后的信号进入LM386 进行功率放大。在 LM386 的 1 脚与 8 脚之间接一个 10 μF 电容，放大器的增益可以达到 200。混音信号经过LM386 功率放大后驱动 8 Ω 扬声器播放混合的语音信号。当不需要混音，直接接收的是一路语音信号时，就需将加法器的任一输入端（P1 或 P2）通过跳线帽进行短接，相当于将一路输入接地。

4 实验与测试

4.1 测试条件

本文主要使用 TSB110 型双踪示波器、MG4102 型函数发生器、VICIRVC97 万用表及 TECSUM 收音机对本套设计进行测试。

4.2 测试结果与分析

无线话筒及其收音机的通信距离测试

通信距离测试结果见表 1 所列。

测试结果表明，本文设计的通信距离可以大于 21.5 m，满足室内无线扩音话筒的需求。

4.2.2 音频输出功率测试

使用函数发生器产生带宽为40 Hz ～15 kHz 的音频信号， 将产生的正弦波信号加入到发射部分进行模拟调频与发射。在接收部分通过扬声器作为 8 负载，使用示波器测试不同基带信号下的输出波形情况及峰峰值大小，测试数据见表 2 所列。

5 结 语

本文针对会场无线扩音进行研究，设计了一种低功耗会场无线通信系统。语音信号采集单元将采集到的语音信号传送至 STM32 单片机，同时扫频单元将空气中已占用信道信息传递至 STM32 单片机。STM32 单片机在 88 ～ 108 MHz 间选取一个未占用的频率设置为载波频率，将语音信号转换为对应的数字基带信号，并将其传递至 LMX2571 进行调制，调制后的信号经过天线发射。无线接收单元将接收到的信号进行解调，并经过加法器电路实现混音，同时进行低频放大与功率放大，驱动扬声器发声，最终实现混音扩音。该系统基于无线通信原理进行设计，适用范围广，抗干扰能力强，同时能满足无线话筒对低功耗的要求，具有广阔的应用前景