语音_文字短信无线收发系统设计

　 　·1096 ·　　　　　 计算机测量与控制 . 20 06 . 14 ( 8) 　 Computer Measurement & Control 　 与应用 收稿日期 :2005 - 11 - 18 ; 　修回日期 :2005 - 12 - 23。 基金项目 :湖南省教育厅课题 (04C545) 。 作者简介 :黄智伟 (1952 - ) ,男 ,湖南省平江县人 ,教授 ,主要从事计 算机遥测和遥控技术研究。 文章编号 :1671 - 4598 (2006) 08 - 1096 - 03 　　　　　　中图分类号 : TN919 　　　　　　文献标识码 :A 语音/ 文字短信无线收发系统设计 黄智伟 , 李 　圣 , 刘 　宏 , 胡乡城 , 蒋成军 (南华大学 电气工程学院 , 湖南 衡阳 　421001) 摘要 : 语音/ 文字短信无线收发系统是嵌入式智能家居系统的重要部件 , 分发射和接收两大部分 ; 发射部分采用锁相环式频率合成器 技术 , 输出载波频率 35 M Hz , 稳定度达到 4 ×10 - 5 , 准确度达到 3 ×10 - 5 , 采用变容二极管和集成压控振荡器实现对载波的频率调制 , 末级功放工作在丙类放大状态 , 输出功率达到 20mW ; 接收部分采用 AM/ FM 立体声收音集成芯片 , 灵敏度可达 - 90dBm , 音频功率放大器采用芯片 ; 采用编码器/ 解码器芯片和 A T89S52 单片机实现文字短信数据传输业务 , 以及对机号的选择与控制等功能 , 音频输入/ 输出和文字短 信数据输入输出可自动转换 , 显示采用 128 ×64 点阵型液晶显示。 关键词 : 无线电发射机 ; 无线电接收机 ; 编码器 ; 解码器 ; 单片机 Design of Transceiver System for Sound and Letter Note Huang Zhiwei , Li Sheng , Liu Hong , Hu Xianchen , J iang Chenjun (College of Elect rical Engineering , Nanhua University , Hengyang 　421001 , China) Abstract : The t ransceiver system of sound and let ter note is a important part of embedded intelligent home system , it consist s of two part s : Transmitting part and receiving part . The t ransmit ter adopt s t he phase - locked loop pattern of f requency synt hesizing technology. The f requency of t he carrier - wave is at 35M Hz. The stabilization of t he carrier - wave can be 4 ×10 - 5 , t he accuracy can be 3 ×10 - 5. The f requency modulation of t he carrier - wave is realized by t he varactor and t he integration voltage - cont rol oscillator chip . The end power am2 plifier works in t he t hird magnifying state , t he output power reaches 20mW. The receiver uses t he AM/ FM stereo sound radio integration chip , t he sensitivity reach - 90dBm. The audio f requency power amplifier adopt s t he integration chip . It uses coder / decoder circuit to real2 ize t he data t ransmission operation as well as t he platform - choosing function. The input/ output of t he audio f requency and t he data can be automatically t ransformed. A T89S52 is used as t he cont rolling part of t he whole system. The display adopt s 128 ×64 lat tice L CD to show. Key words : wireless t ransmitter , Wireless receiver , encoder , decoder , microcont roller 图 1 　语音/ 文字短信无线发射机的系统方框图 1 　系统组成[1 - 4 ] 语音/ 文字短信无线收发系统由发射机和接 收机两部分组成。发射机系统的组成方框图如 图 1 所示 , 由集成电路 MC1648、MC145152、 MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率 合成器、音频处理器、数据编码器、A T89S52 单片机、按键、128 ×64 点阵型 LCD 等部分组 成。接收机系统的组成方框图分别如图 2 所示 , 其由接收、音频输出、数据解码及控制等部分 组成 , 单片机完成数据处理和控制 , 采用 128 × 64 点阵型液晶器 LCD 显示。 2 　电路设计[5 - 8 ] 211 　发射机电路设计 21111 　压控振荡器电路 (VCO) VCO 主要由压控振荡器芯片 MC1648、变容二极管 V149 以及 LC 并联谐振回路构成。电源采用 + 5V 的电压。 MC1648 需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回 路 , 电容采用一对串联变容二极管 , 背靠背与电感相连 , 调节 加在变容二极管上的电压值 , 使 VCO 的输出频率稳定在 35 M Hz。对于 f c = 35 M Hz , CVD = 20 p F , L = 1. 04μH。为达 到最佳工作性能 , 要求 LC 并联谐振回路的 QL ≥100。 MC1648 引脚端 3 为缓冲输出 , 一路供前置分频器 MC12022 , 一路经功率放大后输出。该芯片的引脚端 5 是自动 增益控制电路 (A GC) 的反馈端。将功率放大器输出的电压 V out1通过一反馈电路接到该引脚端 , 可以在输出频率不同的情 况下自动调整输出电压的幅值 , 使其稳定 , 由于本设计的频率 固定在 35 M Hz , 且其反馈幅度不大 , 因此引脚端 5 经电容接 地。 21112 锁相环电路 锁相环电路采用 MC145152 芯片 , MC145152 芯片集鉴相 器、可编程分频器、参考分频器于一体 , 分频器的分频系数可 由并行输入的数据控制。 参考晶振接入 MC145152 的 OSCin 、OSCout 引脚端 , 芯片 第 8 期 黄智伟 , 等 : 语音/ 文字短信无线收发系统设计 　 ·1097 ·　　 内部的 ÷R 参考分频器提供 8 种不同的分频系数 , 对参考信号 进行分频。R 值由其引脚端 RA0 、RA1和 RA2设定 , RA0 RA1 RA2 设定范围为 000～111 , 对应的分频系数为 8～2048。本设计 中 , 参考晶振为 10124 M Hz , 所以取 RA0 RA1 RA2 = 101 时 , 即 R = 1024 , 对参考晶振频率进行 1024 分频。 图 2 　语音/ 文字短信无线接收机的系统方框图 图 3 　吞咽脉冲计数器原理图 为使分频系数连续可调 , 可编程分频电路采用的是吞咽脉 冲计数器 , 由 ECL 的高速分频器 MC12022 及 MC145152 内部 的 ÷A 减法计数器 , ÷N 减法计数器构成。如图 3 所示。 21113 功率放大电路 功率放大器电路采用 2SC1970 功放管 , 丙类放大 , 采用 感性负载。当放大器的输入信号υt为正弦波时 , 集电极的输出 电流 ic为余弦脉冲波。利用谐振回路 L C的选频作用获得输出 基波电压υc1 、电流 ic1 。 21114 天线阻抗变换电路 根据 MA TLA 仿真 , 对于 1m 长的拉杆天线 , 当 f = 35 M Hz 时 , 其等效阻抗为 Z = R + j X = 5144 - j1151 , 呈容性。 要使发射机的输出阻抗 50 Ω与天线匹配 , 必须对发射机的输 出电路添加降阻匹配网络 , 及采用串联谐振 , 抵消天线呈容性 负载的影响 , 使天线辐射出去的功率达到最大。天线阻抗变换 电路采用两节 L C网络 , 从 50 Ω→16 Ω→5144 Ω逐步变换阻 抗。 图 4 　天线匹配网络电路图 21115 编码电路 编码电路采用具有地址和数据编码功能的编码芯片 PT2262 , PT2262 输出的编码信号由地址码、数据码、同步码 组成一个完整的码字。PT2262 发射芯片地址编码输入有“1”、 “0”和“开路”三种状态 , 数据输入有“1”和“0”两种状 态 , 用加入到各引脚端的不同状态 , 来确定相应地址和数据的 编码 , 从输出端 Dout 输出。通过改变引脚端 15 (OSC1) 和 16 (OSC2) 之间所接的电阻值 , 可改变 Dout 输出频率。6 个 数据位 (D0～D5) 由单片机引脚端 ( P20～P25) 预置 , 同时 6 个地址码也由单片机引脚端 ( P00～ P05) 预置。Dout 输出 的信号通过左声道加入到 VCO 电路中的变容二极管上进行调 制后发射出去。 21116 发射机控制、显示和键盘电路 发射机控制器采用单片机 A T89S52 , 利用 PT2262 编码器 芯片和 A T89S52 单片机实现文字短信数据传输业务以及对机 号的选择与控制等功能。文字短信数据可采用按键或者键盘输 入 , 输入音频输入和文字短信输入可自动转换 ; 显示采用 128 ×64 点阵型液晶显示。 212 　接收机电路设计 21211 　接收电路 接收电路以 CXA1238S 为主体 , 它是索尼公司推 出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一 体的 AM/ FM 立体声收音集成电路。天线接收到的信 号经过 30～40 M Hz 带通滤波器 , 从 FM 天线输入端 (引脚端 18) 进入芯片内部 , 通过选频网络将选出的电 台信号送入 FM 前置放大器 , 放大后与本振进行混频 , 得到 1017 M Hz 的中频频率。引脚端 22 外接 FM 本振 调谐回路。引脚端 20 外接 FM 高放调谐回路。1017 M Hz 中频频率由引脚端 16 输出 , 连接到 1017M Hz 的陶瓷滤 波器上。信号经过陶瓷滤波器滤波 , 输入到引脚端 13 的中频 输入端。在芯片内部进行中频放大和鉴频。鉴频后的信号分为 两路 , 一路由引脚端 12 驱动调谐指示电路 , 外接发光二级管 D2 (当接收信号最大时 , L ED 显示最亮) ; 另一路由 IC 内的 直流放大器放大后进行自动混合和 FM 静噪。 经检波后的立体声复合信号 (或单声道信号) , 由 IC 内直 流放大器放大、滤波后变换成 A FC 控制电压、由引脚端 10 输 出并通过一个 100 kΩ的电阻反馈至引脚端 23 , 用于改变变容 二极管的等效电容 , 以达到修正 FM 本振频率 , 进行频率跟踪 的目的。 VCO 的振荡频率可以通过引脚端 27 外接的微调电位器 RP1调整 , 可调整跟踪导频信号的捕捉范围。 解调、放大后的立体声信号分左、右两路分别从两个声道 的输出口 (引脚端 5、6) 输出。信号通过去加重网络进行去 加重处理后 , 送到用于音量调节的数字电位器 X9511 , 经过音 频放大后 , 进而驱动扬声器发声。 由于本系统没有涉及到调幅 , 所以芯片中的 14 脚 ( AM 中频输入) 、15 脚 (波段选择) 、19 脚 (AM 天线输入) 和 24 脚 (AM 本振) 均接电容到地。 21212 　天线输入网络 天线输入匹配网络电路图如图 4 所示。首先必须计算出拉 杆天线的等效阻抗和接收机的输入阻抗。对于 L = 1m , D = 5mm 的拉杆天线 , 利用 MA TLAB 仿真 , 在 f = 35M Hz 时其 等效阻抗为 Z = R - j X = 5144 - j11511。拉杆天线阻抗可等效 一个纯阻 R = 5144Ω和一个容量 CL = 11511p F 的电容串联。 实测输入电阻为 R i≈50Ω , 可求得 L 1 = 523149 n H , C1 ≈ 28112 p F , L 2 ≈ 1314 n H , C2 ≈ 16018 p F , L 3≈76 n H。 21213 　输入选频回路 本设计要求接收部分所接收的频率值为 35 M Hz , 输入选 频回路电路为在 CXA1238S 的引脚端 20 和引脚端 21 连接的一 　·1098 ·　　 计算机测量与控制　 第 14 卷 个 L C回路 , 调节可变电容的值得到所需要的频率。 21214 　本机振荡器谐振回路 本机振荡器电路用于产生本地振荡信号 , 信号频率比接收 信号高出 1017 M Hz , 连接至 CXA1238 的引脚端 22 和引脚端 21。本设计采用的本振电路的调谐回路和输入选频回路电路一 致 , 原理相同 , 只是参数不同。 21215 　音频功率放大器 音频功率放大器采用专用音频功率放大器芯片 L M386 , 电压增益内置为 20 , 在引脚端 1 和引脚端 8 之间增加一只外 接电阻和电容 , 便可调节电压增益值 , 最大值为 200。 21216 　解码电路 解码电路采用与 P T2262 配套的解码器芯片 P T2272 - M6。解码芯片 P T2272 具有地址和数据解码功能 , 数据输出 具有“暂存”和“锁存”两种方式。后缀为“M”为“暂存 型”, PT2272 - M6 则表示数据输出为 6 位的暂存型解码器芯 片 , PT2272 的暂存功能是指当发射信号消失时 , PT2272 的对 应数据输出位即变为低电平。6 个数据位 (D0～D5) 输出到单 片机引脚端 ( P20～P25) , 同时 6 个地址码也由单片机引脚端 ( P00～P05) 控制。 21217 　接收机控制、显示和键盘电路 图 5 　发射机主程序流程图 接收机控制器采用 A T89S52 单片机 , 利用 PT2272 解码 器芯片和 A T89S52 单片机实现了文字短信传输业务以及对机 号的选择与控制等功能。输入音频输出和文字短信数据输出可 自动转换 ; 显示采用 128 ×64 点阵型液晶显示。 3 　系统程序设计[9 - 10 ] 311 　发射机的程序设计 发射机的程序主要可分为按键处理模块、液晶显示模块、数 据处理模块以及字符转换模块等几部分 , 程序流程图如图 5 所示。 312 　接收机的程序设计 接收机的程序主要是完成输入音频输出和文字短信数据输 出转换、接收频率和文字短信显示、按键处理以及台号的转换 等功能 , 程序流程图如图 6 所示。 图 6 　接收机程序流程图 4 　系统抗干扰措施 在本系统中既有低频信号 , 又有中频和高频信号 ; 既有模 拟信号 , 又有低频基带的数字 (脉冲) 信号和锁相环生成的各 种频率的数字 (脉冲) 信号。各种信号交叉调制 , 会形成频谱 很宽的内部干扰信号 , 加上外部各类干扰信号的窜扰。这些干 扰信号不仅影响音频信号的传输质量 , 更重要的还会影响主从 站的呼叫 , 文字短信的传输质量 , 造成呼叫出差错和文字短信 出错误。系统采用的抗干扰措施有 : (1) 将发射机调制器之前的音频输入级加以屏蔽 , 防止 50 Hz 交流信号干扰和数字 (脉冲) 信号干扰。 (2) 电源隔离。模拟部分和数字部分的电源单独供电 , 如 共用一个直流稳压电源 , 必须采用电感和电容等退耦电路。 (3) 地线隔离。由于电路中既有数字电路又有高频电路 , 绘制 PCB 板时需将高频地和数字地分开 , 以及高频电路用金 属屏蔽隔离 , 以减小交叉调制等干扰。PCB 板地线设计尽可能的粗 , 甚至大面积接地 , 除了元器件引线、电源走线、信号线之外 , 其余部分均作为地线。同时模拟地要与数字 地分开。 (4) 模数隔离。模拟部分会受数字部分 的脉冲干扰影响 , 绘制 PCB 板时 , 必须将数 字部分和模拟部分的布线拉开一定的距离。 (5) 数数隔离。本系统采用了锁相环 , 会产生各种频率的脉冲信号。呼叫信号和文 字短信也是数字信号 , 这两类数字信号要相 互隔离 , 若前者干扰后者 , 造成呼叫或文字 短信传递出差错 , 而后者干扰前者造成分频 错误 , 从而影响锁相的稳定的。 (6) 凡是用电解电容作为退耦电容的地 方 , 一定要并接一个容量较小的瓷片电容 , 并千万注意电解电容的极性不能反接 , 否则 会产生很大的噪声干扰。 (下接第 1102 页) 　·1102 ·　　 计算机测量与控制　 第 14 卷 β4 = 410931。 验证系统取 f ( x , x·, x··, t) = - 015 x - (1 - x2 ) x·- x·· | x·· | , 仿真结果如图 6. 图 6 　三阶验证系统仿真结果 ( f ( x , x·, x··, t) = - 015 x - (1 - x2) x·- x··| x··| ) 从上面的仿真结果可以看出 , 基于神经网络的扩张状态观 测器可以很好地跟踪系统的各阶状态变量以及系统的“扩张状 态量”。再将该观测器用在其他的同阶系统上 , 可以发现 , 在 一定的范围内 , 该观测器可以很好地跟踪其他同阶系统的各阶 状态变量和系统的总扰动。这也说明采用文中所提出的设计方 法是切实可行的。另外 , 验证系统的仿真结果也表明所设计出 的扩张状态观测器具有良好的鲁棒性。 4 　结束语 本文提出了一种基于神经网络的扩张状态观测器参数整定 的设计 , 该方法具有以下特点 : (1) 选取满足条件的不同 的非线性函数 , 可以得到不同形式的非线性扩张状态观测器 ; (2) 适当选取非线性函数和有关参数 , 非线性扩张状态观测器 对一定范围内的不确定系统具有很好的鲁棒性 , 能够很好的跟 踪系统的各状态变量和系统的总扰动量 ; (3) 文中所提出的参 数整定方法具有一定的扩展性 , 可以设计任意阶不确定系统的 非线性扩张状态观测器。 参考文献 : [ 1 ] Luh J Y S , Walker M W , Paul R P C. 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