教学扩音系统的分析与改进

Digiin数字跳频无线麦克风在教学扩音中的应用分析摘要：分析了移频功放，V/U段无线麦克风、红外无线麦克风的不足。提出应用跳频传输技术来设计无线麦克风对授课者语音进行扩音，避免了传统V/U段无线麦克风的串扰问题，并且由于采用数字化语音信号进行高速率的传输方式，达到了高保真的语音还原度。经过实际应用证明，该方法开发设计的DIGIIN数字跳频无线麦克风体积小，重量轻，功耗低，无串扰，可充电循环使用，是一种备受教育工作者欢迎的新型教学专用麦克风，大大提高了目前多媒体课室扩音系统的应用水平。

关键词：；HFSS；数字化语音处理；2.4GHz无线传输。

引言

老师因经常大声授课，咽喉病便成为了缠绕老师的职业病。据调查显示有七成以上的教师患有咽喉炎，因此教学用扩音系统成为老师减轻教学强度的重要工具之一。

众所周知，众所周知移频增音是通过改变输入语音信号的频率来不断回避房间峰点施加的影响，从而破坏构成声反馈的条件，最终达到防止啸叫的目的，声音经过移频器必定产生失真，其结果是音质效果差，有损学生，特别是中小学学生的听力。为此移频功放目前属于逐步淘汰阶段。

从九十年代开始发展多媒体教育的这十几年，在教育专用扩音系统中，由于价格和管理问题，使用无线麦克风的教室实际上为数不多，反而大量采用了移频功放来进行教学扩音。进入21世纪，国内V/U段无线麦克风技术已经非常成熟，价格也跌落至民用产品范围，但是依旧不能代替移频功放应用于教学扩音，究其原因是现阶段教学用的传统V/U段无线麦克风，在解决了老师上课扩音问题的同时也体现了它的一些不可改变的弊病，导致无法在教学行业大量推广。

V/U段无线麦克风、红外无线麦克风的分析

现阶段教学V/U段无线麦克风主要弊病如下:

1)笨重，体积较大。手持麦克风无法解放老师的双手，领夹麦克风又存在一个佩戴难的问题，

尤其是对女教师，问题更为突出。

2)电池消耗成本高。若一套麦克风一天6小时使用一对价格为三元的5号干电池，除去假期，

每年使用180天计，则一年费用为3×180=540元，这还不包括设备维护费用。

3)故障率高。频繁更换电池，因此麦克风电池盒盖及电池簧片容易损耗；领夹麦发射机与拾

音器之间的连线也是容易出现故障的地方。

4)易串窜。在教学应用中同一校区几十甚至几百只麦克风同时使用的情况非常普遍。现在的

U段麦克风也只可以提供一百几十个频点，因此窜扰现象严重。

5)难管理。因采用固定频点，发送机和接收机必须对频使用和对频购买配件，非常不便。更

不可能做到把发射机分配给教师个人进行自行使用、管理了。

针对以上问题，各生产商都作了改良，例如采用开机后扫描频点的方法，因此能任意对频，但其频点锁定后不变，同样容易串扰。再者就是红外无线麦克风，其红外传输方式能解决串扰和自由匹配问题。但红外线光波极其容易受遮挡，在实际使用过程中甚至连老师的摆手动作都导致断音，不是很实用。

跳频技术

跳频通信技术（FHSS）最早被美军用于战场上的加密通信，其原理是发射和接收双方按一定规律不断变换通信频段，把窄带的信号扩展到一定的宽频段上进行传输，是一种扩展频谱通信的手段。其基本概念如下：

⏹发射信号占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽

⏹频带的展宽是通过扩展功能(编码及调制)来实现的，与所传信息数据无关，并只有发射

器和接收器知道

⏹在接收端则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信息数据

跳频技术可以看成下面的两个过程:

⏹数据调制到无线载波上.

⏹无线载波的中心频点在“扩展序列”的基础上被携带.

跳频扩频的效应：

⏹数据被所有的跳频点所携带.

⏹如果噪音没有影响到所有的跳频点，信息就可以被修复.

⏹一定条件下可以有多个系统在同一频率范围内共存.

DIGIIN数字跳频无线麦克风的设计

本文设计的跳频无线麦克风是完全数字化的麦克风，发射机的驻极体话筒信号（语音）通过音频AD转换器转换成数字音频信号，然后使用高速MCU（或者DSP）对这些数字信号进行封装，最后调制到2.4GHz ISM 频段，使用跳频方式传输給接收机，接收机对信号流进行处理后通过DA 转换器将音频信号转换为模拟信号传输給音频功率放大器进行扩音。由于采用双向通信方式，其发射机和接收机可以通过地址码识别、锁定等软件手段，实现发射机和接收机的自动匹配、任意匹配。并且，采用高速嵌入式系统和DSP系统，能对高达96k，24bit的语音信号进行采样、处理和传输，因此语音效果达到高保真质量。

DIGIIN数字跳频无线麦克风软硬件系统、通信协议、语音算法均为生产者自主知识产权，因

此整个系统可以针对教学应用开发，非常适合教育工作者使用，其表现如下：辐射低：是国际标准的八分之一。专业的天线波瓣设计及自适应功率算法使得无线电覆盖范围和功率辐射恰到好处，既能满足课室范围的扩音要求，又提供低辐射传输。

天线安装方便：天线安装在讲台前面或者黑板附近即可，无需安装在课室屋顶，发射机任意手持无断音。

无线电智能匹配方式：发射机在天线半米内即可自动被接收机识别，任意发射机可以匹配任意接收机，匹配后自动锁定直至发射机关闭或者离开无线电覆盖范围（也可以按接收机匹配键强制重新匹配）。

无串扰：跳频通信方式，智能匹配，1000台以上设备同一学校（不同教室）同时使用无串扰。

高保真音质：32－96K，16－24Bit的语音数字信号，内建可调数字语音均衡器。

节约：锂电池供电，充一次电可连续使用8-10小时。

小巧：发射机双指宽、一指高，45克。

佩戴方便：拾音头、机壳、夹扣一体化的实用设计，可直接夹上衣服使用，也可配专用挂绳。

廉价利于普及：通过优化设计，尽量把处理任务移到接收机，大大降低发射机成本。

教学麦克风新应用模式：教师人手一个发射机，自行保管，干净卫生，走到哪用到哪。

结束语

本文提出了一种改进目前教学无线麦克风的方法，应用跳频扩频通信技术，数字化语音技术来设计新一代的教学无线麦克风，是提高当前教学扩音系统的创新思路。该方案已经应用于DIGIIN DF系列数字无线跳频麦克风中，深受教育工作者欢迎。

参考资料

1.胡中豫主编，现代短波通信，国防工业出版社，2005.1

2.卢官明，宗昉编著，数字音频原理及应用，机械工业出版社，2005.1

3.（美）路德维格（Ludwig,R.）等著，王子宇等译. 射频电路设计－－理论与应用，电子

工业出版社，2002.5