[G-双路语音同传的无线收发系统] G题_湖北赛区_华中科技大学——双路语音同传的无线收发系统设计报告

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学校:华中科技大学  作者:邓茜 陈琳 吴晓杰

指导教师:尹仕  肖看
摘 要
   本设计实现的 FM 无线收发系统,可以实现一个信道同时传输两路语音信号的功能,接收机输出的语音信号波形无明显失真。系统由信号采集模块、调制发射模块、接收解调模块、信号恢复模块四部分组成,FPGA 采集双路语音信号并合路,发射端以 FM 的方式调制合路信号,由天线发出;接收端通过天线接收信号,FM 解调后即进入 FPGA 中恢复出原始双路语音信号。经测试,本系统可在3m 通信距离下,实现双路语音无失真同传,发射机载波频率漂移范围可达到 1400kHz。
  关键词:FM 调制;锁相环;语音传输;无线收发;

一、  系统方案
1.方案描述
      系统框图如图 1 所示。本系统主控采用 Xilinx Artix-7 系列 FPGA。FPGA 控制 ADC 对双路语音信号以及控制电压信号进行采样,然后对双路语音信号进行频域混合,以FM 的方式调制信号至中频,且载波频率可调;DAC 输出的信号通过乘法器进行上变频,得到的信号经滤波放大后由天线发射;接收端天线接收到的信号先通过混频器进行下变频,再由高频锁相环进行解调,FPGA 控制 ADC 采样解调后的信号,并在频域上恢复原始双路语音信号,最终控制 DAC 输出。
QQ截图20191022105720.png
图1 系统框图
2.比较与选择
2.1 FM调制方案
  方案一:模拟方案。采用集成调制芯片将双路语音信号调制到48.5MHz频段进行发射。
  方案二:数字+模拟方案,用双路ADC采集语音信号,在数字域中以FM的方式,将基带信号调制至中频,中频信号经模拟混频电路上变频后进行发射。
  方案选择:方案一,电路模块简单,但载波频率漂移受器件限制;方案二,电路模块复杂,对硬件部分的要求较高,但便于实现载波频率漂移以及双路语音信号同传的功能。综合考虑,使用方案二。
2.2 FM解调方案
  方案一:数字+模拟方案。采用混频器将接收到的信号下变频至中频,由FPGA解调中频信号。
  方案二:模拟方案。采用混频器将接收到的信号下变频至中频,由集成锁相环与解调电路进行解调。
  方案选择:方案一,中频信号频率较高,需要高速ADC对其进行采样,成本较高,电路模块实现较为复杂;方案二,电路简单可靠,易于实现。综合考虑,使用方案二。
2.3 双路语音同传方案
  方案一:时分复用。发送端将两路语音信号交替调制后发送,接收端根据发送端的交替频率对信号进行拆分。
  方案二:频分复用。发送端将其中一路信号调制至另一频段,两路信号在不同频段同时调制,接收端将信号解调后再对频段进行拆分,恢复原始两路信号。
  方案选择:方案一,接收端信号还原较为困难,易出现失真情况;方案二,在FPGA中使用数字信号处理技术实现简单,削弱了噪声影响,输出波形不容易失真。综合考虑,使用方案二。
二、 理论分析与计算
1.发射的双路语音合路处理分析与计算
1.1 路语音合路分析与计算
  语音信号有效频率为300Hz~3.4kHz,A声道传输的语音信号即为该频段;将B声道与5kHz的单频信号进行混频,得到双边带信号,频率范围分别为1.6kHz~4.7kHz与5.3kHz~8.4kHz,之后使用FIR高通滤波器进行滤波,B声道的频率范围即为上边带;将两路语音信号相加,得到频分复用后的基带信号,有效频率范围为300Hz~8.4kHz。
1.2 上变频分析与计算
       混频器输出信号频率的计算公式为:
fout=flo±fin
  其中,flo为本振信号频率。上变频时,fout>flo,取和频成分,滤除差频成分,使载波频率提高;下变频时则相反。根据系统所需要的频率成分,在后级设计不同的滤波器滤除多余的频带,可以得到变频后的信号。
  本振信号频率flo=30MHz,要将18.5MHz的中频载波变频至48.5MHz,经计算得到混频器的输出信号频率为11.5MHz和48.5MHz,在后级设计滤波器将11.5MHz的信号滤除,即可得到载波频率为48.5MHz的信号。
2.接收的双路语音信号分离处理分析与计算
2.1接收及FM解调分析与计算
  接收机采用混频器下变频,得到低频FM信号,并由集成锁相环芯片进行解调。解调时,根据中心载波频率,合理设置用于控制频率的电容的参数,关系式为:
fo≈1/[22Rc(C1+Cs)]
  其中,C1为外部电容,Cs为杂散电容,Rc=100Ω。
2.2双路语音信号分离分析与计算
  使用FIR滤波器,将解调得到的基带信号分别进行低通滤波和高通滤波得到频带为300Hz~3.4kHz的A信号,以及经过上变频的频带为5.3kHz~8.4kHz的B信号,将后者与5kHz的单频信号进行混频,进行低通滤波,可将频带为300Hz~3.4kHz的B信号恢复出来。将两路语音信号使用DAC输出。
3.无线收发系统频漂处理分析与计算
3.1  发射机频漂处理分析与计算
  发送机使用ADC 在3V的参考电压下采集频率漂移控制电平,其输入范围为-3V~+3V,映射到的频率漂移范围为-1MHz~+1MHz。因此,DDS输出频率为f(FM)+U*333.33kHz/V,其中f(FM)为经过FM调制的频率,U 为 ADC 采集到的电压值。
3.2  接收机频漂处理分析与计算
  接收机采用锁相环,能够自适应发射机载波频率的漂移。锁相环由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器三部分组成。鉴相器检测输入信号与输出信号的相位差,并将相位差转化为电压信号,关系式为:
u(D)=K*ui(t)uo(t)=KUmUom*sin[
ω
it+θi(t)]*cos[
ω
0t+θ0(t)
]
通过环路滤波器得到
uD
的差频成分
uc(t)
,控制压控振荡器的输出频率,当uc(t)
为定值时,相位被锁定。在接收机的调频电路中,锁相环能够跟踪FM
信号的载波频率变化,在
发射机载波频率发生漂移时,接收机仍然能够成功解调信号。
三、电路与程序设计
1.上变频与信号发射电路设计
  题目要求无频率偏移时,发射机的载波频率为 48.5MHz,在前级模块中已经将双路语音信号合路并调制到了18.5MHz的中频上,选用输出带宽为250MHz的四象限乘法器AD835,可满足信号带宽的要求;乘法器将信号与30MHz的本振信号进行混频,能够将载波频率调节到 48.5MHz;混频后的信号用一个中心频率为48.5MHz,通带宽度为 2MHz 的一阶带通滤波器滤除多余的频带;后级设计一级同相放大电路和射频功率放大器为信号提供约 45dB 的增益,以保证 20dBm 左右的发射功率足够大;发射端通过匹配将天线的工作频率设置在 48.5MHz,电路如图 2 所示。
222.png
图2 信号发射电路
2.下变频电路设计
  信号接收端选用混频器 AD607 和高频锁相环 NE564,AD607 内部带有自动增益控制(AGC),与外部电容配合构成的 AGC回路可以保持输出幅值稳定。接收端先用 AD607 信号与有源晶振产生的 50MHz 本振信号进行混频,然后用一个中心频率为 1.5MHz 的无源滤波器滤除多余频带,下变频电路如图 3 所示。
333.png
图3  下变频电路
3.解调电路设计
  下变频电路将信号载波频率降至 1.5MHz 后,输入到锁相环 NE564中进行解调,输出的信号是经频分复用后的合路语音信号,用 ADC 将信号采样输入 FPGA,最终可以恢复双路语音信号的波形。电路如图 4 所示。

444.png
图4 解调电路
4.软件程序设计
4.1发送机程序设计
  发送机程序流程如图 5 所示,双路语音信号通过 ADC 进入 FPGA 后,利用数字信号处理技术,进行频分复用以及 FM 调制,并且采集频漂控制电平,FM 中心载波频率受其控制。
4.2 接收机程序设计
  接收机程序流程如图 6 所示,ADC 接收解调后的信号,将其双路信号做频域分离,恢复出语音信号后输出到双路 DAC 上。
555666.png
四、测试方案与测试结果
1.测试环境
示波器:       Tektronix    MDO2022B 型数字示波器;  
频谱分析仪:    Tektronix    RSA306B型频谱分析仪;
信号发生器:    RIGOL       DG5351型任意波形发生器;DG1062 型任意波形发生器,
电源:        RIGOL       DP832型可编程线性直流电源;


2.测试方案
2.1 FM载波频率以及峰值频偏测试
  将 FM 输出接口接入频谱仪,将语音输入接口短路,读取频谱仪峰值频率;将信号源接入语音输入接口,读取频谱仪计算峰值频偏。
2.2 双路语音信号传输测试
  调节发送机与接收机的距离为 2m,将发射机双路语音输入端口接入信号源,接收机双路语音输出端口接入示波器,在频率为300Hz~3.4kHz的范围内,设定输入信号 A、B 为峰峰值 1V 的正弦波,调节 A、B 信号的频率,观察输出波形,测量输出信号频率与峰峰值。
2.3 频率漂移测试
  将发送机双路语音输入端口接入信号源,输入频率 1kHz,峰峰值 2Vpp 的正弦信号,FM 输出端口接入频谱仪,将接收机双路语音输出端口接入示波器,将另一路信号源接入频率漂移控制端口,输出−3V~+3V的不同直流电平,在 5s 内调节完成,测量频谱仪中心频率,观察示波器是否恢复出语音信号;将频率漂移控制端口的信号替换为频率0.5Hz, 峰峰值 5Vpp 的三角波,测量频谱仪中心频率漂移范围,观察示波器是否恢复出语音信号。
3.测试结果与数据
4.测试结果分析
4.1 FM 载波频率以及峰值频偏测试分析:由数据结果知,载波频率以及峰值频偏均满足题目要求。误差主要来源于晶振产生的频率偏差。
4.2 双路语音信号传输测试测试分析:由数据结果知,在300Hz~3.4kHz的语音频率范围内双路信号均能无失真地恢复出来。
4.3频谱漂移测试分析: 由数据结果知,5 秒内手动调节在300kHz的载波偏移下, 能够不失真的传输信号并恢复出来;将控制电平接入三角波,最大能在约1400kHz 的频率漂移范围下恢复信号。
五、  参考文献
[1]. 罗杰,谢自美.电子线路-设计·实验·测试(第五版).2015,电子工业出版社.
[2]. 康华光.电子技术基础(模拟部分)(第六版).2013,高等教育出版社.
[3]. [美]BruceCarter.运算放大器权威指南(第四版).2014,人民邮电出版社.
[4]. 樊昌信,曹丽娜.通信原理(第七版).2015,国防工业出版社.
[5]. 王贞炎.FPGA 应用开发和仿真.2018,机械工业出版社.










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哇,豁然开朗,厉害啊

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发表于 2020-3-10 20:33:30   只看该作者
您好!认真拜读过贵团队的方案,关于双路语音解调部分有些问题希望和您讨论一下。我理解您的方案中,上变频时是直接混频实现,相当于将其中一路进行了DSB调制。那么解调时单频信号(即5kHz)不需要与发射部分载波相干吗?这样直接混频,会不会出现信号失真?希望能够得到解答!:)

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发表于 2020-11-5 11:29:22   只看该作者
棒棒的,感谢楼主的分享

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发表于 2021-4-12 19:15:12   只看该作者
想问一下,楼主用的电路仿真软件是什么呀?multisim吗
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