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。
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。 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。 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。
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。 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 略 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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