无线话筒扩音系统设计

刘小琴 魏东梅 朱波 方和平

摘 要：针对会场对低功耗无线扩音的需求，设计一套低功耗无线话筒扩音系统。该系统分为无线发射与无线接收两部分，无线发射部分使用STM32F103C8T6单片机和LMX2571射频合成器等构成无线发射装置，使用两节1.5 V干电池供电，将语音信号调制到88～108 MHz频带内并发射出去。无线接收部分包括解调电路和加法器电路，对两路调频信号进行解调并相加，通过放大电路驱动扬声器工作，实现混音扩音。测试结果表明，无线话筒扩音系统能够实现21.5 m范围内无失真混音扩音。

关键词：无线通信;直接数字频率合成;STM32;LMX2571;解调;加法器

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2019）05-00-03

0 引 言

目前，会场中广泛使用无线话筒进行通信。无线话筒是一种通过无线电波传输声音的设备，可将声音调制到88～108 MHz无线电波发射出去，距离可达到30～50 m，用普通调频收音机或者带收音机功能的手机就可接收[1]。为了满足低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等需求，常采用直接数字频率合成技术（DDS）实现调频调制[2-3]。DDS通常结合DSP或FPGA使用[4]，因此成本较高，功耗也较大。针对上述问题，本文对无线调频发射机和接收机进行研究，重点探讨低功耗无线合成器LMX2571的使用，设计一套低功耗无线话筒扩音系统，用于会场扩音。

1 发射部分硬件设计

无线发射部分的硬件包括供电单元、语音信号采集单元、STM32F103C8T6主控单元、LMX2571射频合成器单元、扫频单元、OLED显示单元及相关外围电路。无线发射硬件原理如图1所示。

1.1 主控接口设计

无线发射部分使用两节普通干电池提供的3 V电源供电。STM32F103C8T6是发射部分的控制核心，LMX2571用于FM调制，两者之间通过Microwire串行接口进行通信。通过Microwire串行接口，STM32控制LMX2571进行初始化、设置载波频率、设置频偏等操作。

STM32通过I2C总线接口与扫频单元和OLED显示单元进行通信。声音传感器将输出的模拟语音信号连接至STM32的模拟量输入引脚，进行模数转换。

1.2 LMX2571原理

LMX2571是一款低功耗、高性能的RF合成器，输出频率范围为10～1 344 MHz，可通过编程支持直接数字FSK调制[5]。

LMX2571可工作在合成器模式与锁相环模式下，本文设计中其工作于合成器模式。LMX2571内部由R分频器、乘法器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器、N分频器、输出分频器组成，其具体参数存储于LMX2571内部的寄存器中，并均可通过编程进行设置。其中R分频器与乘法器用于对输入的晶振频率进行分频与倍频，控制输入到PLL的频率。鉴相器、环路滤波器、压控振荡器与N分频器构成锁相环（PLL）。N分频器包括整数部分与分数部分，程序通过改变N分频器的值实现FSK调制。PLL输出的频率经输出分频器分频后，即可得到对应的载波频率。

确定晶振输入频率与LMX2571输出频率后，即可计算各个参数的取值。LMX2571工作流程及其在输出88 MHz载波时各参数的配置如图2所示。

其中，N分频的整数部分为24，分子为800 000，分母为1 250 000。计算最大频偏为75 kHz下的FSK数字基带

信号[5-6]。得到最大的FSK数字基带信号为26250。ADC采集值范围为0～4 095，所以ADC采集值到FSK数字基带信号的转换公式为：

根据式（2），将检测到的声音信号幅值转换为FSK数字基带信号，从而改变输出LMX2571的输出频率。通过实时检测声音信号并实时改变输出频率，即可实现频率调制。

2 发射软件设计

无线发射软件部分包括STM32初始化、读取信道占用情况、采集声音信号电压值、LMX2571初始化、设置载波频率、设置频偏等操作。系统上电后，STM32首先进行初始化，然后通过I2C接口读取扫频单元检测的信道占用情况，并根据信道占用情况在88～108 MHz频率范围内选取一个未被占用的频率，计算出LMX2571相关寄存器的预设值，将这些预设值写入LMX2571并使能LMX2571的信号输出。

程序每隔10 μs采集一次声音信号的幅值，根据声音幅值与FSK数字基带信号的函数关系，计算出当前声音信号对应的FSK数字基带信号，并将其写入LMX2571寄存器中，完成频偏设置。无线发射软件设计流程如图3所示。

3 接收机硬件设计

为了实现混音，需要两套接收系统。其中一套接收系统包含解调单元与电源管理单元两个部分;另一套接收系统则包括解调单元、加法器电路与电源管理单元三个部分。

3.1 解调原理

经过调制的语音信号通过天线接收，调谐回路选出发射端的输出信号，送到变频器与本机振荡电路送出的本振信号进行混频，然后选出差频作为中频输出[7]。中频信号经过检波器检波后输出语音信号。解调出来的语音信号比较微弱，要驱动8 Ω扬声器负载还需经过低频放大与功率放大。

3.2 加法器电路设计

加法器电路的主要功能是将两路语音信号加在一起后，经过低频放大与功率放大后通过扬声器播放出来，具体电路图如图4所示。

解调后的两路语音信号经过UA741运算放大器组成的加法器实现两路语音信号的相加，即进行混音，其运算关系为：

加法器具有5倍的低频放大功能，相加后的信号进入LM386进行功率放大。在LM386的1脚与8脚之间接一个10 μF电容，放大器的增益可以达到200。混音信号经过LM386功率放大后驱动8 Ω扬聲器播放混合的语音信号。当不需要混音，直接接收的是一路语音信号时，就需将加法器的任一输入端（P1或P2）通过跳线帽进行短接，相当于将一路输入接地。

4 实验与测试

4.1 测试条件

本文主要使用TSB110型双踪示波器、MG4102型函数发生器、VICIRVC97万用表及TECSUM收音机对本套设计进行测试。

4.2 测试结果与分析

4.2.1 无线话筒及其收音机的通信距离测试

通信距离测试结果见表1所列。

测试结果表明，本文设计的通信距离可以大于21.5 m，满足室内无线扩音话筒的需求。

4.2.2 音频输出功率测试

使用函数发生器产生带宽为40 Hz～15 kHz的音频信号，将产生的正弦波信号加入到发射部分进行模拟调频与发射。在接收部分通过扬声器作为8 ?负载，使用示波器测试不同基带信号下的输出波形情况及峰峰值大小，测试数据见表2所列。

测试结果表明，本文设计能够检测40 Hz～15 kHz的音频信号。根据公式，要使输出功率为0.5 W，测得的最小峰峰值应约为5.6 V。本文设计在不失真的情况下，最大峰峰值为9.4 V，其功率约为1.38 W。

5 结 语

本文针对会场无線扩音进行研究，设计了一种低功耗会场无线通信系统。语音信号采集单元将采集到的语音信号传送至STM32单片机，同时扫频单元将空气中已占用信道信息传递至STM32单片机。STM32单片机在88～108 MHz间选取一个未占用的频率设置为载波频率，将语音信号转换为对应的数字基带信号，并将其传递至LMX2571进行调制，调制后的信号经过天线发射。无线接收单元将接收到的信号进行解调，并经过加法器电路实现混音，同时进行低频放大与功率放大，驱动扬声器发声，最终实现混音扩音。该系统基于无线通信原理进行设计，适用范围广，抗干扰能力强，同时也能满足无线话筒对低功耗的要求，具有广阔的应用前景。

参 考 文 献

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