基于FM调制方式的语音传输

1、基于FM调制方式的语音传输基于FM调制方式的语音传输徐更春,陈益波,熊慧萍(浙江工业大学信息学院,浙江杭州310014)摘要当今世界无线通信已经在全球范围得到了迅猛发展,采用无线手段提供数据业务的应用成为新的通信热点.无线通信主要涉及到信号调制发射及调频信号接收与解调两部分内容,而无线通信中主要解决就是噪声干扰问题.我们针对这些方面进行了初步的研究,设计了调制发射电路和调频信号接收与解调电路,并对电路的信号发射技术,调制解调技术和传输方式等进行了具体的分析.经过实践论证:本系统传输距离可达100m以上,工作点频率94.1MHz,传输音质清晰,系统稳定性好.关键词无线通信噪声干扰信号调制发射调频

2、信号接收与解调WirelessvoicetransmissionsystemXuGeng-chun,ChenYi-bo,XiongHui-ping(CollegeofElectronicandInformationEngineering,ZhejiangUniversityOfTechnology,Hangzhou310014,China)AbstractWirelesscommunication,intodaysworld,hasdevelopedrapidlyintheglobalscope.whatsmore,wirelessdataservicestoprovidethemeansof

3、communicationbecomesanewhotspot.Wirelesscommunicationismainlyrelatedtothesignallaunchandmodulationsignalreceptionanddemodulation.andnoiseinterferenceisthemainproblem.Wefocusedontheseaspectsanddotheinitialresearch,wedesignthemodulationtransmitterandFMsignalreceptionanddemodulationcircuits,andmakeaspe

4、cificanalysisofsignaltransmissiontechnology,modulationanddemodulationtechniquesandmethodsoftransmission.Conclusion:Thissystemtransmissiondistanceofupto100mabove,thefrequencyat94.1MHz,transmission,soundclarityandthesystemisgoodstability.Keywordswirelesscommunications,noiseinterference,signalmodulatio

5、nandlaunch,FMsignalreceptionanddemodulation1研究内容本课题的研究内容为语音信号的高频调制及传输技术.其关键研究内容为如何产生出中心频率偏移度低,振辐大而且稳定的调频信号,如何提高该调制系统的抗干扰能力,如何提高信号的信噪比,如何不失真的解调解调及语音信号的采集及放大等内容.2系统原理2.1系统框架图本系统由语音信号调制发射及调频信号接收与解调两大部分组成.a)语音信号调制部分由音频放大模块,高频振荡与调频模块,缓冲隔离模块,高频功放等四个模块组成.信号在模块间传送路线如下:图2.1信号在模块间传送路线图b)调频信号接收与解调部分由STC89C52控制

6、模块TEA5767FM解调模块低频语音信号放大模块组成模块关系图如下:图2.2低频语音信号放大模块关系图2.2调制发射部分具体原理2.2.1调制与解调概要为了实现信息的远距离传输,在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制,收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号.所谓的调制就是用携带信息的输入信号ui来控制载波信号uC的参数,使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化.载波信号的参数有幅度、频率和位相,所以,调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)三种.调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等,幅度随输入信号幅度的变化而变化;调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,频率随输入信号幅度

7、的变化而变化;调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等,相位随输入信号幅度的变化而变化.调幅波和调频波的示意图如图2.3所示.图2.3调幅波和调频波的示意图上图的(a)是输入信号,又称为调制信号;图(b)是载波信号,图(c)是调幅波和调频波信号.解调是调制的逆过程,它可将调制波VO还原成原信号Vi.2.2.2变容二极管的调频原理实现调频的方法很多,大致可分为两类,一类是直接调频,另一类是间接调频.直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率(实质上是改变振荡器的定频元件),变容二极管调频便属于此类.间接调频则是利用频率和相位之间的关系,将调制信号进行适当处理(如积分)后,再对高频振荡进

8、行调相,以达到调频的目的.两种调频法各有优缺点.直接调频的稳定性较差,但得到的频偏大,线路简单,故应用较广;间接调频稳定性较高,但不易获得较大的频偏.常用的变容二极管直接调频电路如图2.4所示.图中D为变容二极管,C2、L1、和C3组成低通滤滤器,以保证调制信号顺利加到调频级上,同时也防止调制信号影响高频振荡回路,或高频信号反串入调制信号电路中.调制级本身由两组电源供电.图2.4变容二极管调频电路图2.5变容调频原理图对高频振荡信号来说,L1可看作开路,电源EB的交流电位为零,R1与C3并联;如果将隔直电容C4近似看作短路,R2看作开路,则可得到图(b)所示的高频等效电路.不难看出,它是一个电

9、感三点式振荡电路.变容二极管D的结电容Cj,充当了振荡回路中的电抗元件之一.所以振荡频率取决于电感L2和变容二极管的结电容的值,.变容二极管的正极直流接地(L2对直流可视为短路),负极通过R1接+EB,使变容二极管获得一固定的反偏压,这一反偏压的大小与稳定,对调频信号的线性和中心频率的稳定性及精度,起着决定性作用.对调制信号来说,L2可视为短路,调制信号通过隔直流电容C1和L1加到变容二极管D的负极,因此,当调制信号为正半周时,变容二极管的反偏电压增加,其结电容减小,使振荡频率变高;调制信号为负半周时,变容二极管的反偏压减小,其结电容增大,使振荡频率变低.由上可见,变容二极管调频的原理是,用调

10、制信号去改变加在变容二极管上的反偏压,以改变其结电容的大小,从而改变高频振荡频率的大小,达到调频的目的.由变容二极管结电容Cj变化实现调频的波形示意图如图2.5所示.2.2.3原理图:图2.6原理图2.2.3.1音频放大模块图2.7音频放大模块图音频放大模块的作用是通过MICROPHONE把音频信号转换为电压信号.然后将通过三极管以甲类工作方式进行放大.实验结果及数据分析1)三极管T4的静态工作点为:Vb=2.7vVc=6.2vVe=2.0v本级的电源来自经R14连接的最上面这条电源线,经测试约8.1V左右.由上图可知三级管的电压为电源线电压经R16,R17分压后所得,R16:R17=1:2易

11、得基级电压约为2.7V,测试数据与理论分析相符.2)放大倍数测试经测试,放大倍数约为10左右.2.2.3.2高频振荡与调频模块电路图:1)其中高频振荡部分的高频等效电路图为:图2.8高频等效电路图此时的振荡频率为实验中,我们制作的振荡频率为:F=94.1MHz2)调频部分的功能是将音频信号从电容C18,通过变容二极管进行调频,即将音频信号调制到高频上去.最终的已调信号将在电容C8端输出.3)三极管T1的静态工作点为:Vb=2.9vVc=6.8vVe=2.2v,基级电压由9V电源电压经R1,R2分压所得,R1:R2=1:2,所以基级电压约为3V,测试电压与理论值分析基本相同.另外本原理图最右边语

12、音放大级输入点的静态电压由R6,R8分压所得.正常情况应为9*8/(10+8)=4V,如果变容二级管反接将被钳位在0.7V4)本级电路的振荡类型为电容式三端式振荡器.其交流等效电路如下所示:图2.9交流等效电路图其中C3,C2,构成了三端式振荡器BE,CE极的电容元素.另外L1,C6,Cx,C5,C4共同构成BE极的电感元素.其中Cx的电容值受语音性号控制.从而使该振荡器的电感元素受音频控制.最终使得整个电路的振荡频率受音频信号控制.图2.10缓冲隔离模块图2.2.3.3缓冲隔离模块电路图如图2.10所示:该电路为射极跟随器,作用是隔断振荡器的输出端与功率放大级的输入端的直接,减少了功率放大级

13、对振荡器的影响,提振荡器的稳定性.由于是射随电图信号输入输出基本不会产生变化.峰峰值270mV左右三极管T2的静态工作点为:Vb=5.4vVc=9vVe=4.8v基级电压由电源电压经R7,R8分压所得,9*12/(12+8)=5.4V,测试数据与理论分析相符.2.2.3.4高频功放模块电路图为:图2.11高频功放图1)此模块电路为甲类功率放大电路,作用是将之前的已调信号进行功率放大,以保证发射足够远的距离.信号在基级输入,C11为旁路电容,C19为偶合电容,L3与C10构成选频网络.用于选频和放大.输出经放大后信号峰峰值在2.5V上下有小波动.放大倍数约为10倍.2)三极管T3的静态工作点为:

14、Vb=2.9vVc=9vVe=2.2v基级电压由电源电压经R10,R11分压所得,R10:R11=1:2;所以该点电压约为3V,测试数据与理论基本相符2.3接收部分具体原理接收部分主要应用了TEA5767内部的锁相环进行了有效的信号解调.2.3.1TEA5767解调模块电路原理图4图2.12解调模块电路原理图2.3.2锁相环原理3锁相环路是一种反馈控制电路,简称锁相环(PLL).锁相环的特点是:利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位.因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪,所以锁相环通常用于闭环跟踪电路.锁相环在工作的过程中,当输出信号的频率与输入信号的频率相等时

15、,输出电压与输入电压保持固定的相位差值,即输出电压与输入电压的相位被锁住,这就是锁相环名称的由来.锁相环通常由鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)三部分组成,锁相环组成的原理框图如图2.13所示.图2.13锁相环组成的原理框图锁相环中的鉴相器又称为相位比较器,它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差,并将检测出的相位差信号转换成uD(t)电压信号输出,该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC(t),对振荡器输出信号的频率实施控制.图2.14鉴相器电路如图2.锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成,利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图2.14所示.鉴相

16、器的工作原理是:设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为:(8-4-1)(8-4-2)式中的0为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率,称为电路的固有振荡角频率.则模拟乘法器的输出电压uD为:用低通滤波器LF将上式中的和频分量滤掉,剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压uC(t).即uC(t)为:(8-4-3)式中的i为输入信号的瞬时振荡角频率,i(t)和O(t)分别为输入信号和输出信号的瞬时位相,根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为:即(8-4-4)则,瞬时相位差d为(8-4-5)对两边求微分,可得频差的关系式为图2.15压控振荡器的压控特性图(8-4

17、-6)上式等于零,说明锁相环进入相位锁定的状态,此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态,uc(t)为恒定值.当上式不等于零时,说明锁相环的相位还未锁定,输入信号和输出信号的频率不等,uc(t)随时间而变.因压控振荡器的压控特性如图2.15所示,该特性说明压控振荡器的振荡频率u以0为中心,随输入信号电压uc(t)的变化而变化.该特性的表达式为(8-4-6)上式说明当uc(t)随时间而变时,压控振荡器的振荡频率u也随时间而变,锁相环进入频率牵引,自动跟踪捕捉输入信号的频率,使锁相环进入锁定的状态,并保持0=i的状态不变.2.3.3锁相环在调频和解调电路中的应用调频波的特点是频率随调制信号

18、幅度的变化而变化.由8-4-6式可知,压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度.当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率0相等时,压控振荡器输出信号的频率将保持0不变.若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通滤波器输出的信号uc外,还有调制信号ui,则压控振荡器输出信号的频率就是以0为中心,随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号.由此可得调频电路可利用锁相环来组成,由锁相环组成的调频电路组成框图如图2.16所示.图2.16调频电路组成框图图2.17解调电路组成框图根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图2.17所示.3.锁相环在频率合成电路中的应用在现代电子技术中,为了得到高精度的振荡频率,通常采用石英晶体振荡器.但石英晶体振荡器的频率不容易改变,利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术,可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出.输出信