单工无线呼叫系统1

单工无线呼叫系统

作者：王志伟何彪胜付明

摘要

本系统实现1个主站至8个从站的单工语音及数据传输业务。主站具有拨号选呼和群呼功能，从站身份号码可以任意改变。在ARM7和AD9851的平台上利用DDS原理实现直接数字调频，载波频率、频偏可以自由设定。FSK调制实现数据传输业务。窄带调频调解专用芯片MC13135实现接收端解调功能。接收端数字业务处理由FSK解调芯片XR2211和微控制器F020配合完成。本系统功能完备，完成题目所有要求。

关键字：单工、DDS 、窄带调频、数据传输

一、方案论证与比较

1、调制方法选择

方案一：调幅方式，发送端用调制信号直接对载波进行幅度调制，接收端用包络检波技术恢复原调制信号。此法载波占有带宽小，频率资源利用效率高，但抗干扰能力差。

方案二：调频方式，发送端用调制信号直接对载波进行频率调制，接收端用鉴频器将调制信号恢复。此法占有一定带宽，但抗干扰能力相对较强。

题目要求传输数字信号，为减少误码率，选择抗干扰较强的调频制。

2、数字信号传输方案选择

方案一：直接把数字信号进行幅度处理后加到音频信号上，再对载波进行频率调制。；接收端解调、滤波、整形后恢复数字信号，再做进一步处理。

方案二：先用数字信号对4.5kHz的载波进行调制，再把4.5kHz的次级载波加到3.4kHz以下的音频信号上，对主载波进行调制；接收端经两次解调可恢复数字信号。

数字信号的频带较宽，如果直接与音频信号相加需要很大的基频才能让数字信号落在语音频率之外而不受其干扰，对窄带调频不合理，舍弃实现简单的方案一；而方案二的二次调制就可以不需很大带宽的情况下，准确的恢复数字信号，故选方案二。

3、发射机方案

方案一：锁相调频。只要把调制信号加在锁相环路压控振荡器的频率控制端，使压控振荡器的频率随调制信号作线性变化，即达到调频目的。能实现调制的条件是调制信号的频谱要处于低通环路滤波器的通带之外。这样调制信号对锁相环路无影响，锁相环路的中心频率锁定在稳定的参考分频上，稳定度很高。另外通过改变参考分频比，可以自由设定中心频率。但是调制信号需控制在低通滤波器的通带之外，不能达到题目的语音信号的调制要求，我们放弃这一方案。

方案二：晶体振荡器调频。将变容二极管和石英谐振晶体串联或并联后，接入振荡回路构成调频振荡器。这种电路输出频率较稳定，但由于石英谐振晶体的感性区很窄，调制频偏很难做大，控制不太灵活。此方案不宜采用。

方案三：DDS方法实现数字方法直接调频。由DDS直接合成频率的一个特点

是它的频率可以由频率控制字方便的控制。把调制信号采样量化后，利用量化值计算出对应的频偏，以采样的速率加到频率控制字上，即实现了DDS数字调频。此方案对中心频率、频偏等可以自由、方便、定量的控制。方案的难点在于需要一个高速的DDS频率合成器。AD9851是一种专用高速 DDS 芯片，它的时钟频率可达 180MHz，输出频率可达 70 MHz，分辨率为 0.04Hz，能很好的胜任本题的要求。另外选择ARM7微控制器STM32F103ZE作为本系统的主控制器，其内置A/D 采样模块，主频可达72MHz,能够实现发射机的灵活控制。比较三种方案的优缺点，方案三最合理，故选之。

发射机的总框图如图1.1所示。

图1.1发射机的总框图

4.接收机方案

方案一：选用常用的收音机接收芯片，如CXA1691是调幅、调频专用收音机集成电路，使用一次变频技术，可以接收较宽的基带。但灵敏度不高，要实现发挥部分的较长距离通讯很困难，放弃此方案。

方案二：选用窄带调频专用接收芯片MC13135作为解调电路。MC13135采用二交变频技术，具有低供电电压、低功耗、宽的输入频带和高信噪比、高镜像抑制能力，收信场强指示器（RSSI）具有70dB的动态范围，灵敏度可达1.0uVrms。能够很好的达到题目指标，故选此方案。框图如图1.2。

图1.2 接收机的总框图

二、理论分析与计算

1.语音信号A/D采样速率及精度分析

A/D采样的质量直接关系到后级语音的数字化质量，对A/D的要求主要包括采样速率和位数。采样速率主要由信号带宽决定，同时必须考虑采样后系统处理的能力以及现有A/D采样速度。A/D的位数必须满足一定的动态范围要求以及数

字部分处理精度要求。

以远大于Nyquist采样率进行采样的方法称之为过采样技术，采用过采样技术的好处：首先，高速采样可降低对前级抗混叠滤波器性能的设计需求，高的采样率意味着抽样频域中信号频谱的各个拷贝相距较远，这样，由于前级滤波器在截止频率附近阻带衰减不够，所产生的混叠效应将会减轻，因而恢复后信号的失真也会减少。其次，过采样技术还可以提高信噪比。我们用ARM7自带的12位ADC作采样，它的最高采样率为1MHz，考虑到每采样一点处理器都要进行一定的运算，我们设采样率为30kHz，大于Nyquist采样率6.8kHz，能够高保真的恢复原语音信号。

2.频偏的计算

根据DDS原理，我们知道：

（2.1）

其中f0为中心频率，f C为系统时钟，N为频率控制字的长度，K为频率控制字。

根据频率调制原理，调制信号的幅度与频偏成正比，而调制信号的频率决定载频的变化速度。有：

（2.2）

其中，为频偏，为最大频偏，A为实际幅度的量化值，M为ADC的位数，减去半个最大频偏是为去掉ADC采样时的偏置。

实际输出频率为：

（2.3）

其中为频率控制字的变化量，由式2.1、2.3可得：

（2.4）

本系统设定=7kHz，频率控制字字长N为32位，A/D采样分辨率M为12位，结合式2.2、2.4以及以上参数可得的值，然后加到载频的频率控制字K 上即可达到DDS数字调频目的。

3.单工数字通讯误码解决方法

为降低单工通信误码率，将所有数据连续发送三次且加上校验位。对于数据帧有效标志位和首部的两个八位数据，将校验位设为它们的的反码。对于表示短信内容的数据，则将短信所有内容相加取其低八位作为校验位。接收端在接收三次重复的数据内，有一次校验成功，则接收有效。

三、电路与程序设计

1.语音拾取前期处理电路

语音拾取前期处理电路，主要是语音信号A/D采样前的信号调理。PGA2310程控运放用于信号幅度的控制。八阶低通滤波器Max297把输入信号控制在3.4kHz以下，以免干扰4.5kHz的FSK数字信号传输。另外加法器把可调的偏置电压加到信号上，以便A/D采样。具体电路及其参数如图3.2所示。