1、 單工無線呼叫系統摘要：本系統包括發射和接收兩部分。發射部分采用鎖相環式頻率合成技術，使載波頻率穩定在35MHZ。利用變容二極管V149及壓控震蕩器MC1648構成發送信號的調頻電路，發射信號經過功率放大后通過拉桿天線輸出。接受部分采用超大規模AM/FM立體聲收音集成芯片CXA1238S，結合外圍震蕩電路對接收信號進行解調，出來的信號經過音頻功放后驅動揚聲器還原出語音信號。整個系統實現了語音傳輸的功能，信號穩定度較高，最長傳輸距離可達0.3m。關鍵詞：鎖相環、壓控震蕩器、CXA1238SAbstract：The system includes two transmitting and rece

2、iving. The transmitter, the PLL frequency synthesizer technology, carrier frequency stability in 35MHZ. V149 and use Varactor Voltage Controlled Oscillator constitute the FM signal transmission circuits After firing signal after amplification by antenna power output. Accept part of both AM and FM st

3、ereo radio using ultra-large-scale integration chip CXA1238S. combination of external shocks on the receiving signal demodulation circuits. The audio power amplifier signal after driving through loudspeakers Reduction out voice signal. The entire system is a voice transmission function, high signal

4、stability and the longest transmission distance of up to 0.3m. 目錄1.系統設計1.1設計要求1.1.1基本要求1.1.2發揮部分1.1.3說明1.2總體設計方案1.2.1設計思路1.2.2方案論證與比較1.2.3系統組成2.單元電路設計2.1發射部分的電路設計2.1.1壓控震蕩器的設計2.1.2鎖相環電路的設計2.1.3功率放大電路的設計2.1.4話筒輸入電路的設計2.2接收部分的電路設計3.軟件設計4.系統測試5.結論參考文獻附錄1.系統設計1.1設計要求1.1.1基本要求（1）設計并制作一個主站，傳送一路語音信號，其發射頻率在

5、30MHz40MHz之間自行選擇，發射峰值功率不大于20mW(50W假負載電阻上測定)，射頻信號帶寬及調制方式自定，主站傳送信號的輸入采用話筒和線路輸入兩種方式；（2）設計并制作一個從站，其接收頻率與主站相對應，從站必須采用電池組供電，用耳機收聽語音信號； （3）當傳送信號為300Hz3400Hz的正弦波時，去掉收、發天線，用一個功率衰減20dB左右的衰減器連接主、從站天線端子，通過示波器觀察從站耳機兩端的接收波形，波形應無明顯失真；（4）主、從站室內通信距離不小于5米，題目中的通信距離是指主、從站兩設備(含天線)間的最近距離；（5）主、從站收發天線采用拉桿天線或導線，長度小于等于1米。1.1

6、.2發揮部分（1）從站數量擴展至8個(實際制作1個從站)，構成一點對多點的單工無線呼叫系統。要求從站號碼可任意改變，主站具有撥號選呼和群呼功能；（2）增加英文短信的數據傳輸業務，實現主站英文短信的輸入發送和從站英文短信的接收顯示功能；（3）當發射峰值功率不大于20mW時，盡可能地加大主、從站間的通信距離。（4）其他。1.1.3說明1、主站需留出末級功率放大器發射功率的測量端，用于接入50W假負載電阻，以測試發射功率；2、為測試方便，作品中使用的衰減器（可以自制），應與作品一起封裝上交。1.2總體設計方案1.2.1設計思路題目要求設計一個單工無線呼叫系統，實現主站到從站的單工語音及數據傳輸業務。

7、本系統分為發射和接收兩大模塊。發射部分采用變容二極管及壓控震蕩器實現對載波頻率的調頻機制，通過由高速分頻器、可編程分頻器、鑒相器及環路濾波器組成的數字鎖相環可使輸出頻率達到同參考晶震頻率相同的穩定度。接收部分采用集成收音芯片CXA1238S，通過調節震蕩器的震蕩頻率，使接收頻率與發射頻率相對應。最后通過音頻功放驅動語音信號的輸出。1.2.2方案論證與比較（1）調制方式的方案論證與選擇方案一：調幅方式。一般調幅發射機的組成框圖如下：一路是載波震蕩器產生的載波信號與放大整形后的基帶信號在AM調制器中進行幅度調制，一路是語音信號與載波信號在調制器中進行幅度調制。兩路信號均為調幅波，通過功率激勵及功率

8、放大發射出去。方案二：調頻方式。該方式的核心部分是頻率合成器，其作用是產生穩定度較高的高頻載波。調制信號經過放大、阻抗變換等處理后加在壓控震蕩器的變容二極管上，從而調節載波頻率，最終得到調頻信號發射出去。方案選擇：方案一和方案二都可以對傳輸信號進行調制，但相比而言，調頻方式下信號的平均功率不隨時間變化，故其對能量的利用率較高，且調頻方式具有較高的抗干擾能力，故本系統采用方案二。（2）頻率合成的方案論證與選擇方案一：采用LC振蕩電路。比如西勒振蕩電路，具體電路圖如下圖所示。該電路較易起振，輸出振蕩頻率和振幅也較為穩定，波形好，調諧范圍也比較寬。電路的振蕩頻率為 式中但其調試比較復雜。方案二：采用

9、倍頻合成方案。利用晶體振蕩器產生基準頻率，再用選頻網絡加放大器選出它的諧波實現倍頻。該方案穩定度較高，但存在35MHz的1/N頻率的晶體諧振器難以獲得、N太大和選頻網絡調節較為麻煩等缺點。具體方框圖如下所示：方案三：采用PLL（鎖相環）合成方案。該方案由壓控震蕩器MC1648產生35MHZ的高頻信號，高速分頻器MC12022、鑒相器MC1045152及環路濾波器組成的鎖相閉合回路用來穩定輸出信號。其原理框圖如下：方案選擇：相比而言，方案三的電路實現較為容易，且輸出信號的穩定度較高，失真度較小。故本系統采用此方案。（3）接受模塊的方案論證與選擇方案一：采用CXA1019接收芯片為核心。CXA10

10、19是日本索尼公司研制的單片大規模接收機電路，它包含了AM/FM收音機從天線輸入、高頻放大、混頻、本振到中頻放大、檢波直至低頻（音頻）功率放大的所有功能。除此之外，還具有調諧指示，電子音量控制等一些輔助功能。方案二：采用CXA1238接收芯片為核心。CXA1238是索尼公司在20世紀80年代后期正式推出的集調幅、調頻、鎖相環、立體聲解碼等電路為一體的AM/FM立體聲收音集成電路。它的電源電壓適應范圍寬：210V范圍內電路均能正常工作，且具有立體聲和調諧指示LED驅動電路以及FM靜噪功能等。方案選擇：上述兩種方案實現的功能基本相同，但CXA1238具有耗電小、調整簡單等優點；且它的寬電壓適應范圍

11、和立體聲指示及靜噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故選用方案二。（4）數據傳輸的方案論證與選擇方案一：采用二進制振幅鍵控（ASK）調制與解調法。ASK有乘法器實現法和鍵控法兩種實現方法，乘法器實現法的原理方框圖如圖1.2.6所示，其數字信號與載頻為fc的余弦信號進行混頻得到調制信號；振幅鍵控信號解調有兩種方法，即同步解調法和包絡解調法，同步解調方框原理如圖1.2.7所示。圖中uASK(t)信號經過帶通濾波器抑制來自信道的帶外干擾，相乘器進行頻譜反相搬移，以恢復基帶信號。低通濾波器用來抑制相乘器產生的高次諧波干擾，解調的相干載波用2cos2fct。方案二：采用微控制器和PT2262/227

12、2組成的編碼/解碼電路。PT2262/2272是一對CMOS工藝制造的低功耗低價位帶地址、數據編碼/解碼功能，是目前在無線通訊電路中作地址編碼識別和數據傳輸最常用的芯片之一。PT2262/2272發射接收電路原理框圖分別如圖1.2.8和圖1.2.9所示。在發射端，微控制器對PT2262的地址位進行預置（即設定臺號的代碼），同時輸入短信內容，通過微控制器進行短信編碼后產生相應的數據去預置PT2262的數據位后，再調制發射出去；接收端，把接收到的信號進行解調放大后，送至PT2272，解碼后在數據位產生對應的數據，通過微控制器進行短信解碼后在液晶上顯示所發送的短信內容。方案選擇：上述兩種方案都可以發

13、送并且接收數字信號，但它們的原理不同，方案一是采用數字調制，而本設計發射部分的主體是頻率合成技術，數字調制則無法把數字信號調制發射出去；方案二采用常用的PT2262/2272編碼/解碼電路，可靠性高，且與系統兼容；綜上所述，本設計采用方案二。（5）自動控制部分的方案論證與選擇方案一：采用FPGA（現場可編程邏輯門陣列）作為系統的控制核心。由于FPGA具有強大的資源，使用方便靈活，易于進行功能擴展，特別是結合了EDA，可以達到很高的效率。系統的多個部件如頻率測量電路，鍵盤控制電路，顯示控制等都可以集成到一塊芯片上，大大減小了系統的體積，并且提高了系統的穩定性。方案二：基于單片機技術的控制方案。相

14、對于FPGA的并行處理方式，單片機是通過對程序語句的順序執行來建立與外部設備的通信和完成其內部運算處理，從而實現對信號的采集、處理和輸出控制。它最主要的特點是其串行處理特性。方案選擇：上述兩種控制方式除了在處理方式和處理能力(速度)上的差異外，在實現的效果以及復雜程度等方面也有顯著的區別。FPGA將器件功能在一塊芯片上，相對于單片機外圍電路較少，集成度高。而單片機技術比較成熟，開發過程中可以利用的資源和工具豐富、價格便宜、成本低。鑒于本設計中，僅單片機的資源已經能滿足設計的需求，而FPGA的高速處理的優勢在這里卻得不到充分體現；因此本設計的控制方案模塊擬選用上述基于單片機技術的方案二。單片機采

15、用Atmel公司生產的AT89S51，實現對收發模塊的控制。1.2.3系統組成整個系統由發射和接收兩個部分組成。具體框圖如下： 發射部分組成框圖 接收部分組成框圖2.單元電路設計2.1發射部分的電路設計2.1.1壓控震蕩器的設計壓控震蕩器電路由MC1648及外圍諧振電路構成。通過調節加在變容二極管上的電壓大小可以使輸出頻率穩定在35MHZ。下面為該部分電路的原理圖：壓控振蕩電路由芯片內部的VT8、VT5、VT4、VT1、VT7和VT6，10腳和12腳外接LC諧振回路（含V149）組成正反饋（反相720）的正弦振蕩電路。其振蕩頻率由下式計算。 其中 ， 即VCO的芯片管腳3為緩沖輸出，一路供前置

16、分頻器MC12022，一路供放大后輸出。該芯片的5腳是自動增益控制電路（AGC）的反饋端。將功率放大器輸出的電壓Vout1通過一反饋電路接到該腳，可以在輸出頻率不同的情況下自動調整輸出電壓的幅值并使其穩定，由于本設計的頻率固定在35MHz，且其反饋幅度不大，因此5腳直接接地。VCO產生的振蕩頻率范圍和變容二極管的壓容特性有關。CVD的大小受所加偏置電壓U控制，它們之間的關系可由圖2.1.3所示電路測出。方法為：從掃頻儀輸入0300MHz的掃頻信號，同時用掃頻儀檢測該電路的諧振頻率。調節電位器Rp3使變容二極管的偏壓以0.5V為間隔從1V10V變化，從掃頻儀觀測電路的諧振點頻率并記錄下來。由于C

17、j是全部接入諧振回路，為減少波形非線性失真，取變容二極管電容變化指數r=2。根據式2.1.1，利用Matlab計算出頻率與容量的關系，進而得到偏置電壓與容量關系曲線，如下圖所示。Rp3從CVD/U曲線上易見，偏置電壓取值3.5V7.5V時，CVD的變化近似線性，從25 pF18 pF。又fc為35MHz，有：取CVD=20pF，fc=35MHz，得L=1.04H。因此，取L=1.04H可滿足要求。2.1.2鎖相環電路的設計壓控振蕩器的輸出頻率受自身參數、控制電壓的穩定性、溫度、外界電磁干擾等因素的影響，往往是不穩定的。因此可以加入自動相位控制環節，即鎖相環，來穩定發射頻率。發射頻率經反饋，與晶

18、振產生的標準信號做比較，在鎖相環的跟蹤下，發射頻率始終向標準信號逼近，最終被鎖定在標準頻率上，達到與參考晶振同樣的穩定度。鎖相環電路MC145152是大規模集成鎖相環，集鑒相器、可編程分頻器、參考分頻器于一體，分頻器的分頻系數可由并行輸入的數據控制，其內部框圖如下圖所示。MC145152內部框圖（1）參考分頻參考晶振從OSCin、OSCout接入，芯片內部的R參考分頻器提供8種不同的分頻系數，對參考信號進行分頻。R值由RA0，RA1，RA2設定，如表2.1.1所示。本設計中，參考晶振為10.24MHz，所以取RA0RA1RA2101時，即R1024，對晶振頻率進行1024分頻。表2.1.1 M

19、C145152參考分頻器分頻系數選擇表RA200001111RA100110011RA001010101R864128256512102411602048（2）可編程分頻由于發射部分的頻率高達35MHz，MC145152的電路無法對其直接分頻，必須先用ECL電路的高速分頻器進行預分頻，把頻率降低，然后由MC145152繼續分頻，得到一個參考頻率相等的頻率，并進行鑒相。為使分頻系數連續可調，可編程分頻電路采用的是吞咽脈沖計數法，它由ECL（非飽和型邏輯電路）的高速分頻器MC12022及MC145152內部的A減法計數器，N減法計數器構成。如圖2.1.6所示。單片機 吞咽脈沖計數器原理圖MC120

20、22有64和65兩種分頻系數。M為其控制端（從MC145152的9腳輸出，輸入MC12022的6腳）。M為高電平時，MC12022以P165為分頻系數，M為低電平時則以P64為分頻系數。N 和A是可預置數的減法計數器，由并行輸入口分別預置6位的A值和10位的N值。PD為數字鑒相器。fo為壓控振蕩的輸出頻率（即發射頻率）。吞咽脈沖計數器開始計數時，M的初值為1，A和N兩個計數器被置入預置數并同時計數，當計到A（P+1）個輸入脈沖（fo）時，A計數器計完A個預置數，M變為0；此時A計數器被控制信號關閉，停止計數；而N計數器中還有NA個數，它繼續計（NA）P個輸入脈沖后，輸出一個脈沖到鑒相器PD。此

21、時一個工作周期結束，和N值被重新寫入兩個減法計數器，M又變為1，接著重復以上過程。整個過程中輸入的脈沖數共有QA（P1）+(N-A)P=PN+A，也就是說，該吞咽脈沖計數器的總分頻系數為PN+A。可見，采用吞咽脈沖計數方式，只要適當選取N值與A值，就能得到任意的分頻比。為實現鎖相，必須有fo/（ PN+A）= fr。反過來，由于fofr（PN+A），改變N和A的值，也能改變fo，這就是輸出頻率數字化控制的原理。A計數器為8位，因此A值最大為63，MC12022的P值為64。如果參考頻率fr10kHz，則輸出頻率fo（PNA）fr（64NA）10kHz。本設計中，要使發射頻率為35MHz。先令A

22、0， 則N(fo/ frA）/P=（35106/10103）/64=54.69。取N 54110110B，進而A(fo/ fr)PN=（35106/10103）645444101100B。由此可得，即給MC145152的N9N0和A5A0口預置相應的數值，這就實現了對發射頻率的控制。（3）鑒相模擬鑒相器對輸入其中的兩個信號進行相位比較，一個是由穩定度很高的標準晶振經過分頻得到的，另一個是由壓控振輸出頻率經分頻反饋回來的，這兩個信號通過鑒相器，也就是經過一個模擬乘法器后得到一個相位誤差信號。設兩個輸入信號分別為：其中 將兩信號相乘得到再經過一個低通濾波器，取出其中的誤差信號，濾去其高頻成分，將其

23、直流成分用來調整壓控振的輸出頻率。本設計采用的鑒相器集成在MC145152中，它是一種新型數字式鑒頻/鑒相集成電路，具有鑒頻和鑒相功能，不需要輔助捕捉電路就能實現寬帶捕捉和保持。2.1.3功率放大電路的設計電路如下圖所示。功放管為9018，采用感性負載，輸出幅度較大。丙類功放的基極電壓-VEE是利用發射極電流的直流分量IE0在射極電阻RE2上產生的壓降來提供的。當放大器的輸入信號t為正弦波時，集電極的輸出電流ic為余弦脈沖波。利用諧振回路L2C2的選頻作用獲得輸出基波電壓c1、電流ic1。集電極基波電壓式中，Ic1m為集電極基波電流的振幅；RC為集電極負載阻抗。集電極輸出功率 直流電源VCC供

24、給的直流功率 集電極的效率 2SC1970 考慮到效率和功率，選擇導通角為經驗值70。 當功放工作在臨界狀態時對應的等效負載電阻 功率激勵電路2.1.4話筒輸入電路的設計話筒輸入電路包括阻抗變換、差分放大和帶通濾波三個部分。其中阻抗變換采用射級跟隨器，以提高輸入阻抗并減小輸出阻抗；差分放大采用AD公司的儀表放大器AD620構成增益可調節的反相放大電路，起到對微弱的語音信號放大同時減小噪聲的作用；帶通濾波采用八階低通與八階高通電路串接的形式，濾除語音信號帶寬之外的雜波信號。具體電路如下圖：2.2接收部分的電路設計接受部分主要由大規模收音芯片CXA1238及其外圍電路構成。外圍電路主要包括本振、高

25、放諧振及陶瓷濾波電路。具體電路如下：CXA1238S的電源電壓適應范圍寬，210V范圍內電路均能正常工作；它具有立體聲指示LED驅動電路以及FM靜噪功能等等。其內部結構原理圖如下圖2.2.1所示。天線接收到的信號經過87108MHz的帶通濾波器，由18腳（FM天線輸入）進入芯片內部，通過選頻網絡將選出的電臺信號送入芯片內部的FM前置放大器，進行前置放大后與本振進行混頻，得到10.7MHz的中頻頻率。22腳外接的VD1、VD2、C8、C9、C10、VC1、L1等元件是FM本振調諧回路。20腳外接的VD3、VD4、C11、C12、C13、VC2、L2等元件是FM高放調諧回路。10.7MHz中頻頻率

26、由16腳輸出，然后接到10.7MHz的陶瓷濾波器上。經過了陶瓷濾波器的信號已經被濾除了帶外雜波，由13腳的中頻輸入端引入。在芯片內部進行中頻放大和鑒頻。鑒頻后的信號分為兩路，一路由12腳驅動調諧指示電路，外接發光二級管D2（當接收信號最大時，LED顯示最亮）；另一路由IC內的直流放大器放大后進行自動混合和FM靜噪。經檢波后的立體聲復合信號（或單聲道信號），由IC內直流放大器放大、濾波后變換成 AFC控制電壓、由10腳輸出并通過一個100K的電阻反饋至23腳，用于抑制內接變容二極管的等效電容，以達到修正FM本振頻率，進行頻率跟蹤的目的。立體聲復合信號經放大后，分別送到IC內的立體聲解調器、鑒相器

27、1和鑒相器2。鑒相器1、壓控振蕩器（VCO）和分頻器組成鎖相環路。VCO產生的76KHz振蕩信號，經過二分頻后變成38KHz的立體聲解調開關信號，送至解調放大器。再經過二分頻，并移相90后的19KHz信號與復合信號中的19KHz導頻信號在鑒相器1中進行相位比較，并輸出一個誤差電壓，由外接低通濾波器R1、C3、C5濾除高頻成分后，控制VCO的振蕩頻率和相位，達到環路鎖定。VCO的自由振蕩頻率可以通過 27腳外接微調電位器RP1調整，從而調整跟蹤導頻信號的捕捉范圍。C1為去耦電容。鑒相器2的作用是檢出立體聲/單聲道開關控制信號。當分頻后的19KHz信號和輸入導頻信號頻率相同，相位差最小時，輸出正電

28、壓最大，經低通濾波器濾波（2、3腳外接電容C7）和直流放大后打開“立體聲/單聲道”開關，并且驅動4腳外接立體聲指示（發光二極管D1）。最后把解調、放大后的立體聲信號分左、右兩路分別從兩個聲道的輸出口（5、6腳）輸出。信號通過去加重網絡進行去加重處理后，送到用于音量調節的數字電位器X9511，經過音頻放大后，進而驅動揚聲器發聲。3.軟件設計鑒于單片機技術比較成熟，且開發過程中可以利用的資源和工具豐富、價格便宜、成本低。故設計用C語言對其編程并燒錄到芯片內部，C語言表達和運算能力比較強，且具有很好的可移植性和硬件控制能力。程序分為發射部分和接收部分。3.1 軟件設計和硬件設計的關系硬件設計和軟件設計是電子設計中必不可少的內容，為了滿足設計的功能和指標的要求，我們必