无线数字对讲系统.doc
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目录
目录 II
摘要 I
Abstract II
第1章引言 1
1.1无线对讲机的特点及发展状况 1
1.2无线对讲机的分类 1
1.3无线对讲机的重要指标 2
1.4方案比较与选择 4
1.4.1基于nRF401无线数字对讲系统的设计 4
1.4.2基于RDS功能的对讲系统的设计 5
第2章发射模块设计 7
2.1发射模块硬件设计 7
2.1.1声音采集电路的设计 7
2.1.2音频放大器 7
2.1.3FM发射电路设计 8
2.1.4单片机控制电路的设计 11
2.1.5键盘控制电路 13
2.1.6射频放大电路 14
2.2发射部分软件设计 15
2.2.1QN8027的源程序 15
2.2.2键盘操作源程序 21
2.2.3单片机控制QN8027的源程序 24
2.2.4I2C总线源程序 29
第3章接收模块设计 34
3.1接收模块硬件设计 34
3.1.1FM接收电路设计 34
3.1.2单片机控制电路的设计 34
3.1.3音频放大电路的设计 35
3.2接收部分软件设计 36
3.2.1QN8025的源程序 36
3.2.212864源程序 44
2.2.3单片机控制QN8025的程序 51
2.2.4I2C总线的源程序 54
第4章对讲系统功能实验与调试 59
4.1用户切换 59
4.2系统调试 61
结论 65
参考文献 66
致谢 67
附录 68
摘要
无线对讲机作为一种简单的通信工具，由于它不需要中转和地面的交换机站的支持，就可以进行移动通信。
目前广泛应用于生产、保安、野外工程等领域的小范围通信工程中。
无线数字对讲机技术是很多无线移动通信技术的基础，目前应用广泛的蜂窝式移动电话技术，就是在无线双工对讲机的基础上，发展起来的新兴现代通信技术。
很好的熟悉掌握无线对讲机内部的电路的工作原理和测试、调整技术，对今后从事通信工程领域的技术工作，无疑是十分重要的。
本文主要讲述了无线数字对讲系统的基本原理，本系统主要设计一个基于RDS功能的调频数字对讲机。
采用嵌入式处理器芯片STC89C52RC控制FM发射芯片QN8027实现立体声的发射，通过PC机发送信息给调频发射芯片QN8027，然后通过QN8027将信息无线发射出去供QN8025接收，并通过液晶显示屏LCD12864显示信息，且通过4*4的矩阵键盘来控制发射机发射的频率和接收机的开关机，完成语音通信。
关键词：
调频发射、调频接收、用户切换、完成语音通信
Abstract
Interphoneisansimplecommunicationequipment.WithWirelessInterphoneWecancompletemobilecommunicationservicewithoutthesupportofthetransferstation.WirelessInterphonehasbeenusedwildlyinthefieldofproductionandsoon.Thetechnologyoffrequencydivisiondoplexwirelessinterphoneisthebaseofourmodernmobilecommunicationsystems.Inthisthesis,Ibuildamodelforareceiversystemofawirelessinterphone.AndIexplainhowtochosethefrequencyofthecarrier.howtochangethefrequencyofthesignalandhowtoselectthewaytoenlargethesignalpower.Inmythesis,thereceiversystemisbasedonthetechnologyofsuperheterodyne.Thereare7partsinthissystem,theyare:
receivingantennareceivingbandpassfilter..highfrequencypoweramplify.thefirstfrequencymixingcircuitthesecondfrequencymixingcircuit.lowfrequencyamplify.powersurcecircuit
ThemaindesignbasedonaRDSfunctionFMtransmittersystem.UsingtheembeddedprocessorchipSTC89C52RCcontrolFMtransmittingchipQN8027torealizethestereotransmitter,throughthePCtosendinformationtotheFMchipQN8027,andthentheinformationistransmittedbyQN8027forthereceiverQN8025,anddisplaytheinformationthroughtheLCD12864screen,andthroughthe4*4matrixkeyboardswitchtocontrolthefrequencyofthetransmitterandthereceiver.
Keyword:
FMsend、FMaccept、userchange、finishvoicecommunication
I
无线数字对讲系统设计
第1章引言
1.1无线对讲机的特点及发展状况
对讲机（Tranceiver）又叫步话机（Walkie-Talkie、Two-wayradio）它作为一种便携式无线移动通信产品，最早使用于第二次世界大战的军队通信。
从1948年摩托罗拉推出全球第一台商用无线对讲机，到90年代欧、美等国家和地区相继开放家用对讲机市场，对讲机已广泛使用在公共安全、交通运输（铁路、机场、港口）、建筑、制造、水利、电力、林业、旅游、酒店、服务等各种领域。
对讲机一般分为专业和家用两种类型。
所谓专业对讲机，是指运用在专门领域内（例如公安、铁路、军队等）的对讲机。
由于应用环境的相对恶劣，专业对讲机在使用温度范围，频率稳定度，抗干扰性等电性能指标方面有更严格的要求，并且结构要经过雨水、灰尘、盐雾、撞击等方面的可靠性测试。
它的发射功率一般为1-5w，直接传输距离为3-8公里。
若经过中转台（基站）系统，则可达数十公里。
专业对讲机的使用要经过政府有关部门的批准国家用对讲机无论指标和使用都比较宽松，它的发射功率小于0.5W属于免执照使用。
我国也在2001年11月为家用对讲机开放了409MHz的频点资源。
在对讲机的使用操作中，到今天还主要使用PTT（PushToTalk）键，即双向同频单工工作方式。
同频单工的优点是:
第一、设备相对简单。
第二、组网方便，在场强覆盖范围内，本系统的任意两个移动台都可使用同一频率通话，且第三方也能插入通话，通播和电话会议方式交易实现。
第三、收发信机交替工作，所以不会造成发射对接收的干扰。
第四、不发话时发射机不工作，功耗小。
用一句话来说，对讲机就是一按即通，迅速沟通。
对讲机通信的另一特点就是不产生通话费用，这也使得即使在公众GSM.CDMA数字移动通信特别发达的今天，对讲机的使用市场几十年来仍然得到稳定的发展。
在对讲机的功能和实现技术方面，随着大规模集成电路技术、微处理器技术的应用，对讲机的性能和功能都具有了质的进步。
无线对讲机己由传统的点对点通信，发展到了现在所具有的集群通信功能。
1.2无线对讲机的分类
无线对讲机技术是很多无线移动通信技术的基础，目前应用较广泛的蜂窝式移动电话技术，就是在无线双工对讲机的基础上，发展起来的新兴现代通信技术。
很好的熟悉掌握无线对讲机内部电路的工作原理和测试、调整技术，对今后从事通信工程领域的技术工作，无疑是十分重要的。
对讲机的电路形式较多，主要可按以下方式进行分类。
从调制方式上可分为调幅式和调频式对讲机
调幅式指用调制信号的幅度特性改变载波的幅度变化规律的调制方式。
调频式指用调制信号的频率特性改变载波的频率变化规律的调制方式。
从通信工作方式上，单工式机和双工式对讲机
可分为单工式[SimplexCommunication]、半双工式[HalfduplexCommunication]和双工式[FullduplexCommunication]。
单工式[SimplexCommunication]对讲机同一时间内，只能工作在一种状态下、即：
接收或者发射状态．而不能同时处于收发状态，单工对讲机工作时，要不停的切换开关来控制收发状态，所以使用起来不太方便。
单工机根据频率使用情况，又分为同频单工机（或称单频机）和异频单工机（或称双频机、准双工机、半双工机）。
同频单工机是指发射和接收都工作在同一频率上。
其优点是：
仅使用一个频率工作，它能最有效地使用频率资源，由于是收发信机间断工作，线路设计相对简单、价格也较便宜。
缺点是：
双方要轮流说话，即对方讲完之后，我方才能讲话。
使用起来不如打电话那样方便、习惯。
但从频率资源的利用来讲，单工机是主流机型。
异频单工机只是在有中转台的无线电通信系统中才有使用。
现在很多单工机既能同频工作又能异频工作。
而双工式[FullduplexCommunication]对讲机，可以收发电路同时工作，使用起来如同普通电话机一样，应用起来比较方便，但由于双工对讲机电路复杂，造价高，耗电量大等缺点，所以应用较少。
这种发射机和接收机分别在两个不同的频率上（两个频率差有一定要求）能同时进行工作的双工机也称为异频双工机。
而单工式对讲机，则由于它造价低，体积小，耗电低等优点，被大量应用。
目前市面上常见到的对讲机大多属于单工调频式。
1.3无线对讲机的重要指标
对讲机工作性能的优劣，常用以上几项电气参数来表示，其指标内容含意如下：
①灵敏度：
接收机在接收信号时，是不是灵敏，主要是指它接收微弱的信号能力,如果接收机能在极微弱的信号下良好的工作，并能够输出己定功率、性能良好的解调信号，那么这部接收机就具有较高的灵敏度。
反之就是灵敏度低。
衡量灵敏度的单位常用场强值的毫伏或微伏为单位。
因此、灵敏度是衡量接收机接收微弱信号能力的重要指标。
②选择性：
接收机工作时，要在众多的信号中把有用的信号选择出来，这种选择信号的能力称为接收机的信号选择性。
接收机在工作时，它所要接收的信号频率附近，常常会同时存在很多的干扰信号。
这些干扰信号有强有弱。
如果接收机能在很强的干扰信号情况下，选择出自己的有用信号，那它的信号选择性就很高。
反立，如果连很弱的干扰也无法抑制掉，那它的选择性能就很低。
选择性能的指标，一般用接收电路对通频带以外信号的衰减量计量单位为db。
③限幅灵敏度：
限幅灵敏度是指，当接收机的中放的输出信号出现限幅时，所需的最小输入信号电压值称为限幅灵敏度。
限幅灵敏度的高低，和接收机的高放、中放电路的电压增益有直接的关系。
它和灵敏度指标一样，也是衡量接收机接收微弱信号能力的重要指标。
④频率稳定度：
对讲机电路中发射及接收的频率是否稳定，直接关系到能否正常通信。
一般对讲机的频率稳定度主要由晶体的品质来决定，同时也受工作电压、环境温度、环境湿度等因素的影响。
频率稳定度的高低，一般用指数来表示，指数的绝对值越大，表示稳定度越高。
⑤调制频偏：
调制频偏或者称频偏量，是指调制信号（音频）对载波信号频率（fo）调制后使载波的中心频率产生的频率偏移量。
调制频偏可以用相对量百分比来表示。
也可以用绝对量正负值来表示。
⑥静态工作电流：
对讲机的静态工作电流，是指对讲机的接收电路，在无通话的待机状态下，所消耗的电流量。
由于一般对讲机都采用电池供电。
静态电流越小。
对讲机的待机时间就越长。
静态工作电流的高低，用电流值来表示，单位为mA。
⑦高频输出功率：
高频输出功率也称载波输出功率。
它是指发射机将高频载波送往发射天线上的高频发射功率。
是对讲机的一个重要性能指标。
发射机输出功率的大小，直接关系到对讲机通信距离的远近。
高频输出功率的大小。
一般用功率瓦特来表示。
输出功率的测量，一般要用专业的高频功率计来测量。
⑧发射机工作效率：
发射机工作效率是指发射电路，将电路将所消耗的电源直流功率，转换为高频发射功率的效率。
或者称发射有用功率和电路实际消耗功率之比。
发射机工作效率的高低，一般用百分比来表示，即：
电源消耗功率比高频输出功率。
它们的比值越小，表示能源转换效率越高。
⑨音频输出功率：
音频输出功率是指，对讲机解调信号输出的最大不失真功率值。
一般测量音频输出功率时，均以啦叭两端所获得的1KHz正弦波电压为准，当所测量的音频信号波形没有明显失真时，进行测量。
测量方法和一般交流功率测量一样。
1.4方案比较与选择
1.4.1基于nRF401无线数字对讲系统的设计
nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHzISM（Industrial,ScientificandMedical）频段。
它采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强，并采用PLL频率合成技术，频率稳定性好，发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为－105dBm，数据传输速率可达20Kbps，工作电压在+3～5V之间。
nRF401无线
nRF401无线收发芯片所需外围元件较少，并可直接接单片机串口。
nRF401芯片内包含有发射功率放大器（PA）、低噪声接收放大器（LNA）、晶体振荡器（OSC）、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、混频器（MIXFR）、解调器（DEM）等电路。
在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声效大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后变换成数字信号输出（DOUT端）。
在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。
由于采用了晶体振荡和PLL合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，抗干扰能力强。
50Ω的单端天线通过差分转换匹配网络连接到nRF401的ANT1和ANT2引脚。
使用nRF401的ANT1和ANT2引脚是接收时低噪声接收放大器LNA的输入，以及发送时发射功率放大器PA的输出。
连接nRF401的天线可以以差分方式连接到nRF401，一个50Ω的单端天线也可以通过一个差分转换匹配网络连接到nRF401。
环形天线nRF401，整个环形天线可以做在PCB上，对比传统的鞭状天线或单端天线，不仅节省空间和生产成本，机构上也更稳固可靠，图1.1基于nRF401无线收发设计的框图。
前置放大
nRF401
话筒
功效
单片机
图1.1基于nRF401无线数字对讲系统设计的框图
1.4.2基于RDS功能的对讲系统的设计
调频发射部分：
与QN8025接收机模块配对的是以QN8027芯片为中心的发射模块，可以实现音频和RDS的发射。
单片机我们使用开发板，这样解决了我们编写软件时没有硬件的问题，并且开发板每个管脚可以用跳线引出，接线方便。
QN8027是一颗高性能、低能耗、全功能的立体声调频发射单芯片，主要适用于便携式音频和视频播放器、汽车配件、手机及GPS个人导航设备等。
QN8027集成了完整的FM发射、空台扫描，以及天线自动调谐等功能。
先进的数字架构使变量输入增益可编程，可选预加重，提供了精确的MPX立体声编码，基于PLL的低噪声调制以及纯净的频谱。
QN8027凭借其体积小巧，所需外部元件数量少，并且支持多个时钟频率，很容易被集成到多种小型低功耗便携式应用中。
QN8027集成了稳压器使它可以直接连接电池，并提供高电源纹波抑制比可以更高效地抑制噪声。
具有低功耗待机模式，能充分延长电池使用时间。
所有管脚都有静电保护。
QN8027应用高可靠性的CMOS制程制造。
调频接收机：
在众多的FM接收模块中我们选择使用QN8025芯片为中心的模块。
QN8025是一个高度数字化的低中频芯片，允许外部信号进行调整。
接收射频信号首先由一个低噪声放大器，然后向下转换为一个中间频率传给正交混频器。
为了改善音质，抑制噪音，正交混频器可被编程在高端或低端注入。
每个通道使用滤波器抑制干扰信号。
它还可以接收RDS信息，内容可以通过LCD显示。
高功率32Ω负载音频输出，直接耳机驳接，无需外接音频放大，图1.2基于QN8027、QN8025无线收发系统设计框图。
FM射频放大
8027
前置放大
话筒
单片机
扬声器
音频功放
8025
单片机
图1.2基于QN8027、QN8025无线数字对讲系统设计框图
综上比较两种方案，考虑系统的便携性，效率以及成本问题nRF401虽然可以符合设计要求，所需外围较少，可直接与串口相接，但是QN8025开发板每个管脚可以用跳线
引出，接线方便,QN8027应用高可靠性的CMOS制程制造,更加适合本设计的要求，因此采用方案二来实现这个系统。
第2章发射模块设计
2.1发射模块硬件设计
2.1.1声音采集电路的设计
在语音目标探测识别系统中，从语音信号探测识别的硬件部分出发，它主要依靠语音传感器对语音进行感应、采集、处理、提取特征及识别。
在语音测量和评价中所使用的传感器称为传声器，俗称话筒或麦克风（Microphone）它能接受声波并将其转化为特定的电信号及其他的后续处理电路，可以用于语音测量、语音通信、录音、广播等等场合。
语音传感器的种类很多，可以根据换能原理、声场作用方式、电信号传输方式、指向性以及用途来分类。
语音传感器的输出形式有源极输出接法和漏极输出接法，如图2.1所示。
（A）源极输出接法（B）漏极输出接法
图2.1语音传感器的输出形式
2.1.2音频放大器
语音信号放大器主要负责把语音传感器输出的弱信号进行尽可能地无失真地放大，达到A/D转换器所要求的值，为了尽可能少地引入放大器本身的噪声，这里选用了低噪声运放CPAMP作为放大器件。
首先确定所需的放大倍数，根据经验数据得到在声波信号最强时驻极体声传感器输出的最大幅值约为8mv，由于后面A/D转换器的参考电压为4.096v，所以最后确定最大放大倍数：
采用两级放大，第一级50倍，第二级10倍，为了能适应各种不同的环境场合，对放大器的增益设计成在一定范围内可调，这里选为50~500倍，电路如图4.2所示，通过调节R5就能改变其增益。
图2.2声音前置放大电路图
2.1.3FM发射电路设计
QN8027是一个高性能、低能耗、全功能的立体声调频发射单芯片，主要适用于便携式音频和视频播放器、汽车配件、手机及GPS个人导航设备等。
QN8027集成了完整的FM发射、空台扫描，以及天线自动调谐等功能。
QN8027凭借其体积小巧，所需外部元件数量少，并且支持多个时钟频率，很容易被集成到多种小型低功耗便携式应用中。
QN8027集成了稳压器使它可以直接连接电池，并提供高电源纹波抑制比可以更高效地抑制噪声。
具有低功耗待机模式，能充分延长电池使用时间。
所有管脚都有静电保护。
QN8027应用高可靠性的CMOS制程制造。
QN8027共有10个管脚，ANT管脚接天线的连接电路，L_LN和R_LN分别接左、右音频接入电路，音频信号经过放大、预加重等处理，变成可以发射的信号，VCC接电源电路，GND接地，DATA与CLK管脚与微控制器芯片管脚相连，接收I2C串行总线传送的数据和时钟信号。
在QN8027芯片中，有19个可供用户使用的控制寄存器，每个寄存器
都有其特有的功能，其中寄存器CID1、CID2和STATUS是只可以读取信息的寄存器，而其他寄存器只可写入。
下面是控制寄存器的基本介绍：
表一：
用户寄存器概述
寄存器
名称
控制功能
00h
SYSTEM
设置设备模式,复位
01h
CH1
频道检索低8字节
02h
GPLT
音频控制,导航频率偏差增益
03h
REG-XTL
XCLK引脚控制
04h
REG-VGA
TX模式输入阻抗,晶振频率设置
05h
CID1
设备ID序号
06h
CID2
设备ID序号
07h
STATUS
设备状态指标
08h
RDSD0
RDS数据字节0
09h
RDSD1
RDS数据字节1
0Ah
RDSD2
RDS数据字节2
0Bh
RDSD3
RDS数据字节3
0Ch
RDSD4
RDS数据字节4
0Dh
RDSD5
RDS数据字节5
0Eh
RDSD6
RDS数据字节6
0Fh
RDSD7
RDS数据字节7
10h
PAC
PA输出功率控制
11h
FDEV
指定所有TX频率偏差
12h
RDS
指定RDS频率偏差,RDS模式选择
其中寄存器SYSTEM的第2位用来作为RDS发射准备信号，而第0和第1位作为频道检索的高2位，其频道的频率设置为（76+CH*0.05）MHZ。
寄存器RDS0-RDS7是芯片的RDS的数据字节，用来传送数据。
QN8027主要特性如下：
1.支持全球FM波段发射
2.76MHz~108MHz全波段调，步长50/100/200kHz
3.50/75µs预加重
4.易于集成，小封装3x3x0.95mm MSOP10，仅需要两个外部元件
5.天线自动调谐，GPS和手机通讯频段的低杂散
6.对TDMA（GSM/GPRS）突发噪音的强抗干扰性能，支持多种晶振频率，I2C及3线控制接口，低功耗，7.0mAFCC输出电平
7.集成了稳压器，可直连电池，省电IDLE和待机模式，高性能FM发射机（FMT）
8.65dB立体声信噪比,0.04%THD，最大119dBμVpRF输出电平，34dB调节范围
9.自动输入音频传感，60秒内没有音频输入，PA自动关断，支持美国和欧洲的数据服
务：
包括TMC（交通信息频道）
图2.3QN8027内部FM图
2.1.4单片机控制电路的设计
单片微型计算机简称单片机，是一种典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母缩写MCU表示，它不是完成某一逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成在一个芯片上。
单片机作为计算机发展的一个重要分支领域，已经渗透到我们生活的各个方面，电话、手机、计算器、电子玩具、家用电器、掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机。
单片机的系统结构简单，使用方便，容易实现模块化；可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；处理功能较强，速度快；低电压，低功耗；控制功能强，环境适应能力强。
MC51单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、时钟电路、多种I/O
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