单工无线呼叫系统.docx
《单工无线呼叫系统.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单工无线呼叫系统.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
单工无线呼叫系统
单工无线呼叫系统
作者：
吴旦昱余璠刘旭
赛前辅导教师：
肖看文稿整理辅导教师：
肖看
摘要
本系统由发射主站和接收从站组成。
主站对话音信号进行FM调制，对数字信号进行FSK、FM二次调制。
从站采用接收芯片CXA1019和滤波器进行数模分离解调。
系统可同时发送语音和英文短信，实现了广播、组播、点播。
主从站的工作频率均可数控调整。
系统采用软件调制，载波频率和FM调制度可精确控制，并且从站数量可在不增加带宽的基础上扩展。
Abstract
Thissimplexcommunicationsystemconsistsofatransmitterandamobilereceiver.ThetransmittermodulatesbothanalogsignalwithFManddigitalsignalwithFSKandtransmitsitwithinasinglechannel.ThereceiverusesaCXA1019FMdemodulationchipandfilterstoseparateanddemodulateanaloganddigitalsignals.Thesystemcantransmitbothvoiceanddigitalsignalatthesametime.Thecoresoftwareradiomodulationprocesscanbeeasilycustomizedtomaximizetheoverallperformance.
一、
方案设计与论证
1、调制方式选择
方案一：
模拟信号采用AM调制；数字信号采用ASK调制。
该方案的优点是调制解调实现简单，占用频带窄，缺点是抗干扰能力差。
方案二：
模拟信号采用FM调制；数字信号采用FSK调制。
该方案的优点是抗干扰能力强，可靠性好，易于用DDS实现，缺点是占用频带较宽。
为了实现可靠的和高质量的语音和数字通信，选择方案二。
2、数字信号编解码方案论证
在发送端和接收端需要对数字信号进行信道编码和解码，来降低误码率，实现可靠的数字信号传输。
可采用如下方案：
方案一：
采用重复码，这种编码方式最为简单可行，有一定的纠错能力，但需要有位同步，而且降低了发送速率。
方案二：
采用单片机的UART串口通信协议，由单片机内部硬件实现位同步，且UART本身具有奇偶校验功能，有一定程度的检错能力。
方案三：
采用两层校验机制。
底层采用单片机的UART串口通信协议进行位同步和奇偶校验，高层采用帧校验，发现错误帧则丢弃，以保证传输正确。
该方案可靠性较方案二更高，且不需要再另行设计编码解码器，简单易行。
综上，选择可靠性好且简单易行的方案三。
3、主站发射机调制方案论证
主站发射机需完成模拟信号和数字信号的发送，并且可以区分不同的从站，其中完成数字与模拟信号的发送为其关键。
方案一：
采用载波频分复用。
数字信号和模拟信号采用不同的信道传输，互不干扰。
数字信道为监听和命令信道，从站时刻监测是否有信号，并通过信令来识别站点、后续信息性质，并且控制是否调转至模拟信道，当一段时间未接收到信号则调回至监听信道继续监听。
优点：
实现了模拟信道与数字信道的分离，避免了模拟信号于数字信号之间的干扰，提高了信噪比。
缺点：
从站在监听信道和模拟信道间的切换会造成从站状态的不稳定，抗干扰能力不强。
当从站受到干扰后调回监听信道则会遗失主站后继发送的语音信号。
频分复用增加了占用带宽。
方案二：
采用基带频分复用。
语音基带信号集中在300~3400Hz，可以把数字信号先经过FSK调制在24-36kHz频段，然后与语音基带信号的A/D采样进行数字混合，由FPGA控制DDS实现FM调制。
该方案的优点是语音信号与数字信号可同时传输。
此外，采用了数字调制，性能优于模拟调制，调制方法、载波频率与调制度均可以软件控制，方案灵活，并且高精度A/D的量化噪声远小于模拟调制电路所引入的噪声，提高了信噪比。
缺点是方案较复杂。
综合考虑后，我们选择方案二，数字信号调制后先与模拟信号混合，然后进行二次调制。
主站的基本框图如图1所示。
单片机发送数字信号至FPGA，语音信号A/D转换后送至FPGA，FPGA对数字信号进行一次调制后，与模拟信号进行程控混合，输出相应控制字控制DDS完成二次调制。
4、接收从站方案论证
主站发送的是二次调制信号，从站需先进行FM解调，再用低通和带通滤波器来区分数字模拟信号后，对FSK调制的数字信号进行二次解调。
FM解调方案：
方案一：
采用二次变频进行FM解调。
可采用FM解调芯片MC3362或MC13135进行解调。
优点是克服了调谐回路性能会变差的问题，可以通过对二中频的处理，提高整体电路的选择性，提高镜象抑制比。
提高二中频的放大倍数可提高灵敏度。
缺点是被解调信号的频偏范围较小。
方案二：
采用一次变频进行FM解调。
可采用FM解调芯片CXA1019进行解调，优点是技术成熟，稍微改变外围电路便可以工作在30~40MHz频带内，解调的基带频率可以至40KHz，有利于实现语音与数字FSK调制信号的基带频分复用。
综合上述因素，考虑到主站信号的数模共用信道特点，选用方案二。
接收站框图如图2所示。
接收到的FM信号先经过CXA1019进行解调，解调信号经缓冲后进行采用有源低通和带通滤波器将模拟和数字调制信号分离。
语音信号由CXA1019的片内音频放大电路放大。
数字调制信号输入CD4046的鉴相器端。
CD4046将调制信号与本振相比较，输出二进制电压信号，相当于频压转换，以此实现FSK解调。
解调的信号由施密特触发器消除抖动和毛刺，转换为数字电平后输入单片机进行进一步处理。
二、电路设计与程序流程图
1、发射主站部分
（1）数字调制模块
数字调制模块以FPGA+DDS为核心，可以更加灵活地控制调制方式。
FPGA完成A/D芯片的控制、内部语音数字FSK信号的混合、控制DDS芯片进行FM调制的功能。
内部模块如图所示。
图3FPGA内部模块
（2）发射模块
该模块采用AD811和HFA1112实现，AD811作为第一级宽带放大器，HFA1112驱动能力很强，在此作为第二级放大器，接50
假负载或匹配后的拉杆天线。
具体电路如下图所示。
图4末级功放电路
另外设计有功率检测模块，由AD8361和MAX1236完成。
由AD8361的应用文档可知，其输入阻抗为225
，由输入输出电压关系图可知：
在AD8361工作在对地参考模式的时候，其线性区为0~0.42Vrms，因此将AD8361串联一个820
电阻，测量分压后的输出。
图5AD8361输入输出电平关系图
图6AD8361功率检测电路图
2、接收从站部分
（1）FM解调接收模块
采用CXA1019单片FM/AM解调芯片完成。
其内部模块如下图所示。
图7CXA1019内部模块
FM解调过程（结合其内部模块）：
输入FM信号进入FMFE模块，经放大得到FM RF信号，然后对其粗略选频，再与本振信号FMOSC混频。
所得信号为一中频信号，进入FMIF模块，信号通过10.7M陶瓷滤波器滤波，然后通过鉴相模块（FMDISCRIMINATOR）得到音频信号，最后输入到音频放大模块AFPOWERAMP进行放大。
具体电路如下图8所示。
图8CXA1019应用电路
调谐回路中的中使用变容二极管，可由电压控制谐振频率，在本系统中由锁相环输出电压控制。
在典型应用电路中，24脚DETOUT口本来外接有一个0.22uF电容，结合内部电路图10。
可知内部有一电阻，实际上电阻和0.22uF是一个RC的低通滤波器，滤除高频信号保留语音信号，并有去加重效果。
为了在一个频道上同时传播数字模拟信号，需要提高CXA1019的响应截止频率，并且进行数模分离，因此省去0.22uF的滤波电容，并外接数模分离滤波电路。
图9CXA1019DETOUT口的内部电路
本振频率由锁相环控制，锁相环以BU2614为核心，BU2614鉴相器输出无法直接接无源低通滤波器控制压控振荡器，必须外配具有反相功能的环路滤波器，环路滤波器如图10所示，Q1、Q2构成复合管承担放大与倒相任务，同时也通过R1、R2、C、C7构成积分式低通滤波器，R9、C14构成低通滤波器进一步滤除VCO控制电压的纹波。
BU2614环路滤波器参数设计：
，
，
，
，
，由：
可得
取
，可得
经实际测试调整最终取
。
具体电路图如下所示：
图10BU2614锁相环电路
（2）数模分离模块
数字信号与模拟信号分离用低通和带通滤波器实现。
滤波器采用Butterworth滤波器，使用滤波器设计软件FilterSolutionv8.1设计，具体有源滤波器设计如下。
有源低通滤波器及其频率特性如图：
图11Butterworth有源低通滤波器及其幅频相频特性
有源带通滤波器及其频率特性：
图12Butterworth有源低通滤波器及其幅频响应
（3）FSK解调模块
数模分离电路的带通滤波器的输出即为所需的FSK信号，经过一级放大后进入HEF4046锁相环进行频率解调，这里HEF4046不作为锁相环使用，而是直接把输入信号和本振信号进行鉴相，输入FSK频率为24KHz和35KHz，本振频率控制在30KHz左右。
当输入频率比本振频率高时，鉴相输出为低电平。
鉴相输出先经一级RC低通滤波后再由一级减法器输出，最后用LM311进行迟滞比较转换成数字信号后输出至单片机串口。
具体电路如图：
图13FSK解调电路
图中R3、R4、C2控制本振的中心频率，调节R2分压可以使本振频率调整至30KHz左右，HEF4046的13脚为PC2OUT的输出，时序图如下所示：
图14HEF4046鉴相器2输出时序图
经实际测试，PC2OUT经一阶低通滤波输出后，当输入频率略大于本振频率时输出一直为高电平，反之则一直为低电平。
因为鉴相器输出对相位非常敏感，所以用来鉴频时效果比较好。
3、软件设计：
（1）数据传输设计
为了保证数据的正常传输，采用了数据成帧方式。
帧格式如下图所示，每一数据帧包括同步头，命令字，数据载荷，效验字在内的56bit。
再加入奇偶效验、数据起始、数据结束，每一帧的实际长度为77bit。
当采用1kbps的UART串口协议传送时，可实现415.6bps的有效数据传送速率。
图15数据帧结构
为了使接收机在任何时候开关都不影响对于信息的接收，特别设计了控制广播帧。
每隔2秒钟发送一次，包含接收机开闭信息，全部接收机都可接收到，以确定是否打开模拟信道接收语音信息。
这种方式要求可以同时传输数字模拟信息，所以只有采用数字模拟共用信道时才可以实现这项功能。
具体控制广播帧的帧结构如下图所示。
图16控制广播帧结构
（2）发射接收软件设计
发射机软件框图如下所示。
图17发射机软件框图
接收机软件接收流程图如下图所示。
图18接收机软件流程图
（3）程控数模混合
由于采用了数模共用信道，虽然高性能的滤波器可以将数模信号之间的干扰降的很低，但仍不可避免。
为了将干扰降至最低，系统采用了程控的数字与模拟信号混合，可以在不改变模拟信号幅度的情况下，即时改变数字与模拟信号的混合比例。
当信道较差时，加大数字信号的强度，以降低误码率。
当信道较好时，将数字信号的强度降低，使得对模拟信号的干扰减小。
系统提供了８种不同的混合比例，以适应不同信道条件下的信号传输。
经实验证实，该方法是十分有效的。
三、系统测试数据
1、测试所用仪器
QF1055A高频信号发生器
CA1640P20型函数发生器
BT3SE扫描图示仪
AS2271超高频毫伏表
FLUKE17B数字万用表
TDS3032B数字示波器
2、发射机载波频率
发射机采用的是数字调制，FPGA控制DDS，载频实现了数控。
将发射机的输出接示波器测试，测量的发射机载波频率为39.299MHz，显示载波频率为39.3MHz。
由测试结果可见，数字控制进行调制的误差是很小的。
3、发射峰值功率测试
主站留出末级功放测量端用于接假负载50
，使用高频毫伏表测试。
数据如下表所示：
表1、峰值功率测试数据表
频率/MHz
38
38.5
39
39.5
实际输出电压有效值
0.96
0.95
0.94
0.96
4、发射距离测量
在室内一般环境测量，发射机接收机载波频率调在相同频率，天线垂直于地面测试最远可响应距离。
表2、发射距离测试数据表
载波频率39.3MHz
正常传输距离
语音正常传输距离/米
10
英文短信正常传输距离/米
10
5、主站拨号选呼和群呼功能测试
从站数量扩展为32个，通过主站发送的控制广播帧来控制从站的信道选通，如果主站选择通路1，从站为站点1，则可以通信，从站的站点号为其他，则不能通信。
表3、选呼和群呼功能测试
主站选择的从站站点
可以接收到信号的从站号
0
1
2，17，31
2，17，31
群呼
全部32个站
6、接收波形测试
在信号接入口输入单频正弦波信号，发射与接收端间接20dB衰减器，在接收端观测信号的波形。
表4、接收波形测试
发射单频信号频率/Hz
从站接收效果
400
良好，无明显失真
1000
良好，无明显失真
2500
良好，无明显失真
7、模拟信道与数字信道的串扰抑制测试
模拟信道对数字信号的抑制比的测量方法：
当数字信道发送数据，模拟信道不发送信号时时，分别测量数字信道与模拟信道上的解调输出，计算其抑制比。
表5、模拟信道对数字信号抑制比测量
载波频率/MHz
数字信道信号幅值/V
模拟信道信号幅值/mV
抑制比/dB
38
2
102
25.8
39
2.1
104
26.1
由测量结果可知，模拟信道对数字信号有较大的抑制比，同一信道传输数字语音信号时不会出现较大的干扰。
四、结论
该系统不仅完成了题目所规定的基本功能和指标，完成了发挥部分的各项要求，而且在不少方面都有发挥。
主要特色：
1、大部分为软件控制部分，具有很好的灵活性和可移植性。
载频信号和频偏准确，而且精确可控。
2、主站从站均可设置工作的频段。
主站以2Hz中断速率发送控制广播码，控制从站模拟信号接收的开启和关闭，避免了从站因开关操作遗失信息。
3、短信传输中用了UART的奇偶校验和信息帧的帧校验，有较强的防误码能力，从站不会收到乱码的英文短信。
4、采用了红外遥控操作，主站制作了良好的人机交互界面，操作简单。
参考文献
[1]张肃文，陆兆熊。
高频电子线路[M]。
第三版。
北京：
高等教育出版社，1993。
[2]罗亚非。
凌阳16位单片机应用基础[M]。
第一版。
北京：
北京航空航天大学出版社，2003。
[3]袁俊泉，孙敏琪，曹瑞。
VerilogHDL数字系统设计及其应用[M]。
第一版。
西安：
西安电子科技大学出版社，2002。
[4]樊昌信，许炳祥，吴成柯等。
通信原理[M]。
第五版。
北京：
国防工业出版社，2001。
升级会员 