无线通信实践教学模块设计基于D1800的调频收音机对讲机系统设计毕业设计.docx
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无线通信实践教学模块设计基于D1800的调频收音机对讲机系统设计毕业设计
毕业设计（论文）
题目无线通信实践教学模块设计——
基于D1800的调频收音机对讲机系统设计
姓名
摘要
调频收音机对讲机的出现使无线通信技术更加广泛的应用于实际系统之中。
论文介绍了调频收音机对讲机的市场性和广泛性，提出将调频收音机对讲机系统设计列为无线通信教学模块，作为高校科研实验素材的设想，让学生从基础的教学模块设计中掌握系列的无线通信实践系统，激发学生学习无线通信的兴趣，并提高学生理论结合实际的能力，从而进一步加强学生的无线通信实践水平，提高学生实际动手能力，不断扩大无线通信市场，为培养更多无线通信市场专业人才打下基础。
论文完成了系统的原理图及PCB的设计。
在设计时考虑了系统的抗干扰性和电磁兼容性，从元器件的布局及走线等方面来采取措施。
论文设计了一款基于D1800的音频信号处理硬件平台，该平台有接收电路，发送电路，调制电路，混频电路，放大电路，振荡电路等，其中主要以接收电路和发送电路为主。
该系统第一级为振荡兼放大电路，第二级为发射电路，调频波段为88MHz—108MHz，工作电源电压为2.5V—5V，信噪比>80dB，对讲距离为50—100米。
关键词：
无线通信；硬件系统；音频信号；调频；教学模块；
Abstract
TheemergenceofFMradiowirelesscommunicationstechnologyismorewidelyusedintheactualsystembeing.
ThepaperintroducesFMradioandextensivemarket,proposedasanFMradiointercomsystemwirelesscommunicationteachingmodule,andastheideaofuniversityresearchlaboratorymaterial;Studentsfromtheteachingmodulesbasedonthedesignofpracticalcontrolsystemsofwirelesscommunicationseries,andstimulatingstudentsinterestinwirelesscommunications,andenhancethestudentsabilitytocombinetheorywithpractice;Thusfurtherstrengtheningthelevelofthestudentswirelesscommunicationspracticetoenhancestudentspracticalability,expandingwirelesscommunicationsmarket,thewirelesscommunicationsmarkettocultivatemoreprofessionalbasis.
Inthispaper,thesystemcompletedtheschematicandPCBdesign.Takingintoaccountinthedesignofanti-jammingsystemsandelectromagneticcompatibility,fromthelayoutandalignmentofthecomponents,etc.totakemeasures.
Inthepaper,onebasedonD1800audiosignalprocessinghardwareplatform,Theplatformtoreceivethecircuit,sendingcircuit,modulationcircuit,mixercircuit,amplificationcircuit,oscillationcircuit,mainlytoreceivecircuitandthetransmittingcircuit.Thefirststageofthesystemoscillationandamplificationcircuit,thesecondstageforthelaunchofthecircuit,FMbandis88MHz-108MHz,operatingsupplyvoltageof2.5V-5V,SNR>80dB,intercomdistance50-100meters.
Keywords:
wirelesscommunication;hardwaresystems;audiosignal;frequencymodulation;teachingmodules;
目录
摘要I
AbstractII
目录III
第1章概述1
1.1无线通信教学实践平台背景1
1.2调频收音机对讲机概述2
1.3设计内容3
第2章系统总体方案设计4
2.1系统分析4
2.1.1对讲发射原理4
2.1.2收音机（或接收）原理5
2.1.3系统总体原理图5
2.2芯片选型6
2.2.1D1800芯片介绍6
2.2.2D2822芯片介绍6
2.3本章小结7
第3章系统硬件设计8
3.1通信系统基本设计8
3.1.1阻抗均衡电路9
3.1.2LC振荡电路9
3.1.3调制放大电路10
3.1.4收音机接收电路11
3.2系统波形测试12
3.3PCB板设计14
3.3.1PCB板布局布线设计14
3.3.2系统干扰16
3.3.3系统抗干扰设计17
3.4本章小结19
第4章总结与展望20
3.5总结20
3.6展望20
参考文献21
致谢22
第1章概述
1.1无线通信教学实践平台背景
大学生是一个特殊的群体，具有巨大的创造力和潜在力，在巨大就业压力的基础上，如何使其发挥自身的创造力和潜在力，做一个能够跟社会延展真正接轨的人呢？
学校的实践教学给了学生这样一个平台，其依据不同学生的不同兴趣，设置不同的教学实践平台，其中无线通信占据着无法取代的地位，无线通信技术的高速发展更是表明了无线通信领域的人才需求。
而调频收音机对讲机系统作为无线通信领域的不可或缺的一部分，再依据其广泛的市场性和普遍的民用性，将其列为无线通信教学模块，作为高校科研实验的素材，使学生能更好的将所学理论付诸于实践，更好的提高实际动手能力，同时进一步加强学生的无线通信实践水平，以小见大，让学生从基础的教学模块设计中掌握系列的无线通信实践系统，为大学生能更快更好的适应高速发展的社会打下基础，做一个能够跟社会延展真正接轨的人。
近年来，我国各大电信运营商纷纷上市，“当仁不让”地成为世界电信产业的一股强劲力量，不断地推动着全球无线电通信事业的发展并引领电信市场的建设方向。
在这个多元化的无线电通信世界里，无线电技术已经发展到一个较高的层次，仅手机一项就有GSM、GPRS、WAP、CDMA等供消费者选择。
但作为最基本的无线电通信工具——对讲机的地位却是无法取代，时日至今，对讲机的应用越来越广泛，在专业无线电通信市场占有绝对的市场份额。
特别是尚未引起人们足够关注的公众对讲机，在不经意间，这个曾经是公众禁区的大门静静地开启了，2001年12月6日，国家批准和开放了409－410MHz作为公众对讲机频段，规定在此频段使用功率不大于0.5瓦的民用对讲机无须申请执照。
公众对讲机市场的全面开放，意味着在公众无线电通信方式上，人们又多了一种选择[1]。
对于具有如此大的发展潜力和商机的对讲机无线通信行业，将其列为各院校的教学工具，作为科研实验素材，既是应社会之需，为其提供更多的专业人才，也是给学生一个很好的学习平台。
1.2调频收音机对讲机概述
对讲机通信在1985年以前是我国主要的专用无线通信系统，如今随着公众移动通信的发展已逐步形成为一个重要的专业通信市场。
现在，人们对对讲机的认识已达到空前的高度，对讲机在国民经济各部门和人们生活各个领域的广泛应用得到了充分的体现，已成为国家安全、公安警察、交通管理、石油化工、建筑施工、机械制造、宾馆酒楼等部门重要的无线通信装备。
对讲机是一个有很强增长力的行业，由近十年来世界经济的发展可以看到，即使世界经历了金融危机，在此时期内世界经济的各个重要领域，都受到了巨大的冲击，但是移动通信包括专业无线通信和公众低功率民用对讲机，在同一时期内仍保持强劲的增长率，这说明移动通信有很强的增长力，而从这一角度来说，信息时代的21世纪是移动通信的世纪，中国是21世纪移动通信最大的市场，也是世界上对讲机最具发展前途的市场之一。
对讲机产业是我国移动通信比较重要的一部分，产业布局呈现相应的比较明显的区域性，主要制造企业大部分分布在东南沿海、珠三角一带。
近年来，我国对讲机产业在通信产业快速发展的拉动下，超常规高速发展，仅深圳无线电通信制造企业就有近200家，无线电通信设备制造总产值有400亿元之巨，位居全国前列，是全国最重要的对讲机生产基地，也是全球最多生产对讲机企业基地之一，专业从事对讲机生产的企业（包括外销企业）就有四十多家。
其中对讲机品牌企业10余家，创造了国内产量最大、在理论和实践上位列世界前五名、服务全球用户的对讲机品牌，抢了洋品牌不少的饭碗。
一批起点较高的“中国造”已经向美国、日本、欧盟等世界80多个国家和地区出口，出口贸易呈增长趋势。
对讲机市场的迅猛发展，也从侧面反映出我国国民经济有了高速发展。
今天我国已是世界移动通信第一大国，但由于我国人口达13亿之多，我国每百人拥有量仍处于较低水平，这一反差巨大的情况既说明我国在发展移动通信方面取得了巨大的成就，也预示了今后发展我国对讲机方面有着广阔的空间和美好的前景，随着建筑业、交通业、石油化工等产业的快速发展，对讲机的需求量将越来越大，对讲机市场容量将进一步扩大。
我国对讲机总的发展趋势，将加速提高对讲机产品的技术含量，朝着智能化、个性化、轻巧型的方向发展，朝着民用的方向发展。
品牌的东西不仅好在“形”，更在“神”，而这种说不清楚的“神”就是由设计水平决定的。
因此，自主研发、科技创新把国内的民用对讲机市场培育起来，也是我国对讲机制造业的一项重要任务，这样自然就有了进一步提高和创新的基础[2]。
1.3设计内容
系统设计了一款基于D1800的音频信号处理硬件平台，该平台有接收电路，发送电路，调制电路，混频电路，放大电路，振荡电路等，其中主要以接收电路和发送电路为主。
此外，根据系统要求（如性能、价格、功耗、供货商）选择电路芯片型号。
设计好电路后使用AltiumDesigner6.6画出原理图，并设计成PCB板，最终印刷成电路板并实现调试工作。
在设计PCB板时考虑了原件的封装、尺寸、以及板子的尺寸，同时在元器件布局的时候也考虑了系统的抗干扰性、电磁兼容性、稳定性等等。
基于具有如此大的市场需求加上此领域技术和人才的缺乏，将调频收音机对讲机列为院校的教学工具，作为科研实验素材，既是应社会之需，为其提供更多的专业人才，也是给学生一个很好的学习平台。
第2章系统总体方案设计
2.1系统分析
本套件用的核心芯片为D1800，它作为收音接收专用集成电路，功放部分选用D2822，对讲发射部分采用两级放大电路。
第一级为振荡兼放大电路；第二级为发射电路，采用专用的发射管使发射效率和对讲距离大大提高。
它具有造型美观、体积小、外围元件少、灵敏度高、性能稳定、耗电省、输出功率大等优点。
只要按要求装配无误，装好后稍加调试即可收到电台，无需统调[3]。
系统基本结构如图2.1所示。
它由接收电路，发送电路，调制电路，混频电路，放大电路，振荡电路等几个部分组成。
图2.1系统发射、接收框图
2.1.1对讲发射原理
变化着的声波被驻极体转换为变化着的电信号，经过R1、R2、C1阻抗均衡后，由VT1进行调制放大；C2、C3、C4、C5、L1以及VT1集电极与发射极间的结电容Cce构成一个LC振荡电路，在调频电路中，很小的电容变化也会引起很大的频率变化，当电信号变化时，相应的Cce也会有变化，这样频率就会有变化，就达到了调频的目的；经过VT1调制放大的信号经C6耦合至发射管，VT2再通过TX、C7向外发射调频信号，VT1为9018是振荡放大三极管，VT2为D40是专用发射管[4]。
2.1.2收音机（或接收）原理
调频信号由TX接收，经C9耦合到IC1的19脚内的混频电路。
IC1第1脚内部为本机振荡电路，1脚为本振信号输入端，L4、C、C10、C11等元件构成本振的调谐回路；在IC1内部混频后的信号经低通滤波器后得到10.7MHz的中频信号，中频信号由IC1的7、8、9脚的内部电路进行中频放大、检波，7、8、9脚外接的电容为高频滤波电容；此时，中频信号频率仍然是变化的，经过静噪的音频信号从14脚输出耦合至12脚内的功放电路，第一次功率放大后的音频信号从11脚输出，经过R10、C25、RP，耦合至IC2进行第二次功率放大，推动扬声器发出声音[5]。
2.1.3系统总体原理图
图表2.2系统原理图
2.2芯片选型
2.2.1D1800芯片介绍
D1800为单片FM/AM收音机电路，FM部分包含混频，本振中放，鉴频，静噪，低通滤波器等；AM部分包括高放检波，此外还有音频驱动级和功放电路，用一块D1800电路和少数外围元件，可制作完整的收音机。
其主要特点有外接元器件少，功耗低为5.6mA/FM，工作电压较低，其工作电源电压范围为2.5V~5V。
引脚功能如表2.1所示：
表2.1D1800引脚功能
引出端序号
功能
符号
引出端序号
功能
符号
1
FM本振输入
FMOSC
12
功放输入
PWIN
2
AM高频控制
IF
13
静噪
MUTE
3
电源
Vcc
14
前置输出
OUT
4
滤波
LPF
15
FM/AM移换开关
CHANG
5
滤波
LPF
16
移相端
PHASE
6
滤波
LPF
17
移相端
SHIFTER
7
滤波
LPF
18
地
GND
8
滤波
LPF
19
FM输入
FMIN
9
滤波
LPF
20
混频器旁路
MIXDET
10
FM鉴频旁路
FMDET
21
AGC控制
AGC
11
功放输出
PWOUT
22
AM输入
AMIN
其特性曲线如所示：
图2.3D1800特性曲线
2.2.2D2822芯片介绍
D2822用于便携式录音机和收音机作音频功率放大器。
电源电压降到1.8V时仍能正常工作，交越失真小，静态电流小，可作桥式或立体声式功放应用，外围元件少，通道分离度高，开机和关机无冲击噪声，软限幅[5]。
引脚功能如表2.2所示：
表2.2D2822引脚功能
引出端序号
功能
符号
引出端序号
功能
符号
1
1通道输出
1OUT
5
2通道反相输入
2IN-
2
电源
Vcc
6
2通道同相输入
2IN+
3
2通道输出
2OUT
7
1通道同相输入
1IN+
4
地
GND
8
1通道反相输入
1IN-
其特性曲线如图2.4所示：
图2.4D2822特性曲线
2.3本章小结
本章从全局出发根据系统设计的要求，探讨了基于D1800的音频信号处理硬件平台的总体设计方案，阐述了系统的基本结构和工作过程，并根据各个功能模块特点对主要处理器芯片的选型进行了分析。
第3章系统硬件设计
3.1通信系统基本设计
在通信系统中，一般要进行两种变换和反变换。
在发送端，第一个变换是输入变换器，它把传递的信息变换成电信号，该信号一般是低频的，通常称该信号为基带信号；第二种变换是发射机将基带信号变换成其频带适合在信道中有效传输的信号形式，并送入信道，这种变换称为调制。
在接收端，接收机从信道中选取欲接收的已调波并将其变换成为基带信号，此变换成为解调；输出变换器最后将基带信号变换为相应的信息。
在无线通信中，必须把基带信号变成射频已调信号原因有二：
第一是为了有效的把信号用电磁波辐射出去，而为了有效的将信号的能量辐射到空间，必须要求天线的长度和信号的波长比拟（例如至少十分之一），因此为了有效的辐射，发射信号的频率必须是高频。
第二是为了有效的利用频带，一般要传送的基带信号频率范围都差不多，比如对讲机的工作频率范围为88MHz—108MHz，如果对讲机直接发射这些信号，就会相互干扰，令接收机无法区分，只有将不同频率的音频信号调制到对应的不同频率的载波上，变成中心频率的频带信号，接收机才能任意选择所需要的音频信号而抑制其余不需要的干扰[3]。
通信系统的基本组成如图3.1所示：
图3.1通信系统的基本组成框图
3.1.1阻抗均衡电路
阻抗均衡是校正因频率不同而引起的衰减（即传输损耗）及相位差不同的网络。
能校正衰减与频率关系的，称为“衰减均衡器”；能校正相位差与频率关系的称为“相位均衡器”。
均衡器通常串接在放大器的电路中，是为平衡电缆传输造成的高频、低频端信号衰减不一致而设置，因为电缆的衰减特性随频率的升高而增加。
常用的衰减均衡器，又称为幅度均衡器，一般由线圈、电容器、电阻等元件组成[6]。
变化着的声波被驻极体转换为变化着的电信号，经过R1、R2、C1阻抗均衡后，由VT1进行调制放大。
如图3.2所示：
图3.2阻抗均衡电路
3.1.2LC振荡电路
C2、C3、C4、C5、L1以及VT1集电极与发射极间的结电容Cce构成一个LC振荡电路，在调频电路中，很小的电容变化也会引起很大的频率变化，当电信号变化时，相应的Cce也会有变化，这样频率就会有变化，就达到了调频的目的[7]。
如图3.3所示：
图3.3LC振荡电路
3.1.3调制放大电路
信号经过VT1振荡放大三极管调制放大后经C6耦合至发射管，再由VT2发射管通过TX、C7向外发射调频信号，其中L3和C8构成LC选频回路。
如图3.4所示：
图3.4调制放大电路图
3.1.4收音机接收电路
调频信号由TX接收，经C9耦合到IC1的19脚内的混频电路。
IC1第1脚内部为本机振荡电路，1脚为本振信号输入端，L4、C、C10、C11等元件构成本振的调谐回路；在IC1内部混频后的信号经低通滤波器后得到10.7MHz的中频信号，中频信号由IC1的7、8、9脚的内部电路进行中频放大、检波，7、8、9脚外接的电容即C17、C18、C19为高频滤波电容；此时，中频信号频率仍然是变化的，经过静噪的音频信号从14脚输出耦合至12脚内的功放电路[8]。
如图3.5所示：
图3.5D1800接收电路
第一次功率放大后的音频信号从D1800的11脚输出，经过R10、C25、RP，耦合至IC2进行第二次功率放大，推动扬声器发出声音。
如图3.6所示：
图3.6IC2功率放大电路
3.2系统波形测试
由驻极体输入的电信号，测试幅度为200mV，频率为7.353KHZ，如图3.7所示：
图3.7电信号
经VT1进行调制放大，得到FM波，其幅度为280mV，频率为6.061KHZ，如图3.8所示：
图3.8FM波
经过VT1调制放大的信号经C6耦合至发射管，VT2再通过TX、C7向外发射调频信号，其幅度为202mV，频率为90.09MHZ，如图3.9所示：
图3.9发射信号
3.3PCB板设计
在PCB设计中，布局布线是完成产品设计的重要步骤，设计时一定要严格按照布局布线的规则，否则会造成电磁干扰，对板卡采集数据的准确性有很大的影响。
本文所设计的系统的电路图及PCB布线都是在AltiumDesigner6.6下完成的[9]。
本文的PCB板为两层板。
3.3.1PCB板布局布线设计
在PCB板的设计中，器件的布局尤为重要，器件布置应遵循以下原则：
1.相关器件应尽量放的靠近些。
2.远离易产生噪声的器件。
3.高速和低速电路分开，相关元器件分别集中在一起。
在PCB板的设计中，地线和电源线的布局布线很重要。
正确的接地与屏蔽可以解决大部分的干扰问题，在进行电路板地线设计时应注意以下几个问题：
1.单点接地与多点接地选择。
在低频电路中，导线与元器件间的间隔影响较小，而接地电路中的环流引起的干扰对系统影响较大，因而屏蔽采用一点接地，在高频电路中，地线阻抗变得很大，此时应尽量降低地线阻抗，应采用就近多点接地法。
2.数字信号地与模拟信号地分开连接，最终通过磁珠单点相连，消除地电路经过公共阻抗而产生的干扰。
3.接地线尽量加粗，尽可能减小地线阻抗，从而减小因公共阻抗耦合而产生的干扰。
如图3.10所示：
图3.10地线加宽
在电源线布置上，除了要根据电流的大小尽量加大线宽度外，还可以利用电源线高频阻抗小的特点，将它与逻辑信号线平行布线，走向与数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。
但电源线应远离敏感信号线，防止不必要的干扰。
在电源的布局布线中应注意一下几点：
1.配置去藕电容
在印刷板的各个关键部位配置去耦电容是印刷板电路设计的一项常规做法，它包括以下几个方面：
a）在电路板电源输入端跨接一个10-100uF（或更大）的电解电容，消除电源中的低频干扰。
b）在每个关键集成电路芯片的电源输入端跨接一个0.01uF的陶瓷电容或钽电容，消除电源中的高频干扰。
c）去耦电容的引线不能太长，特别是高频旁路电容不能有长引线，即去耦电容要尽量靠近芯片的电源管脚。
2.电源或耳机插座的布局
插座布置在印刷板的四周，电源或耳机插座与其相连的汇流条接线端应布置在同侧。
特别应注意不要把插座及其它焊接连接器布置在连接器之间，以利于这些插座、连接器的焊接及电源线缆的设计和扎线。
插座及焊接连接器的布置间距应考虑方便电源插头的插拔。
如图3.11所示：
图3.11耳机插座布局
3.放置过孔
电源和地的管脚要就近打过孔，过孔和管脚之间的引线越短越好，因为它们会导致电感的增加。
同时电源和地的引线要尽可能粗，以减少阻抗。
在信号换层的过孔附近放置一些接地的过孔，以便为信号提供最近的回路。
甚至可以在PCB板上大量放置一些多余的接地过孔。
当然，在设计时还需要灵活多变。
若设计多层板并且每层均有焊盘的情况下，我们可以将某些层的焊盘减小甚至去掉。
特别是在过孔密度非常大的情况下，可能会导致在铺铜层形成一个隔断回路的断槽，解决这样的问题除了移动过孔的位置，我们还可以考虑将过孔在该铺铜层的焊盘尺寸减小[7]。
3.3.2系统干扰
在高频电路设计过程中存在的最严重的问题是信号干扰问题，高频情况下，印刷线路板上的引线，过孔，电阻、电容、接插件的分布电感与电容等不可忽略；电容的分布电感不可忽略，电感的分布电容不可忽略。
电阻产生对高频信号的反射，引线的分布电容会起作用，当长度大于噪声频率相应波长的1/
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