单工无线呼叫系统

单工无线呼叫系统（D题）组员：金牛岳学斌向佳姚忍苏果陈荣峰摘要：单工无线呼叫系统分发射和接收两大部分。

发射部分采用锁相环式频率合成器技术，MC145152和MC12022芯片组成锁相环，将载波频率精确锁定在35MHz，输出载波的稳定度达到4×10-5，准确度达到3×10-5，由变容二极管V149和集成压控振荡器芯片MC1648实现对载波的调频调制；末级功放选用三极管2SC1970，使其工作在丙类放大状态，提高了放大器的效率，输出功率达到设计要求。

接收部分以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片CXA1191M为主体，灵敏度、镜像抑制、信噪比等各项性能指标均达到设计要求； AT89S52作为整个系统的控制部分，程序设计采用C语言在KEIL51的编译器上编程实现；显示采用128×64点阵型液晶显示。

经测试，整机功能齐全,接收机灵敏度可达5uv，传输距离可达228m。

各项性能指标符合系统要求，接收波形稳定，无明显失真。

关键词：锁相环、压控振荡器、灵敏度、编码/解码一、总体设计方案1. 设计思路题目要求设计一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。

设计分发射和接收两大模块，方框图如图1所示。

发射部分采用数字频率合成技术，由变容二极管和集成压控振荡器芯片实现振荡频率的电压控制及对载波的调频调制；加入由频率合成芯片、高速分频器、运算放大器和晶体振荡器等组成的数字锁相环路，使输出频率稳定度达到与参考晶振同等水平；收音电路以超大规模AM/FM立体声收音集成芯片为主体，用一个固定的电压值控制振荡器的振荡频率，使其接收频率与发射频率对应。

采用编码解码电路实现题目所要求的一点对多点、主站具有拨号选呼和群呼功能以及数据传输业务的功能；显示部分利用液晶显示模块，显示呼叫方式、业务类型以及英文短信内容。

为了尽量增加传输距离和降低系统的波形失真，必须采取有效的措施。

图1 系统基本框图2 方案论证与比较（1）调制体制的方案论证与选择方案一：采用调幅体制。

一般调幅发射机的组成框图如图2所示，其工作原理是：载波振荡器产生标准的载波信号，一路是线路输入和话筒输入的语音信号经语音放大后在AM调制器中进行幅度调制。

调制后，功放级将调制后的信号的功率放大到所需发射的功率，再经天线发射出去。

图2 调幅发射组成框图方案二：采用调频体制。

它由三部分组成，即频率合成器、音频处理器和FM 波的缓冲放大器。

频率合成器的作用是产生一个振荡频率稳定度极高的FM 信号，它是调制器的核心部件；音频处理器的作用是将各种各样的音频信号经过处理后，变成输出阻抗和电平基本一样的信号，再将这些信号加至压控振荡器的变容二极管上；射频缓冲放大器起缓冲、放大、匹配和滤波的作用。

方案选择：本系统可以采取调幅体制或调频体制。

调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。

故本系统采用调频体制。

（2）载波信号产生电路的设计方案论证与选择方案一：采用LC 振荡电路。

比如西勒振荡电路，具体电路图如图3所示。

该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。

电路的振荡频率为)(21)(214343C C L C C L f +≈+'=ππ，式中3221323213C C C C C C C C C C +++='。

但其调试比较复杂。

图3 西勒振荡电路方案二：采用晶体振荡器产生基准频率，再用选频网络加放大器选出它的谐波实现倍频。

该方案稳定度较高，但存在35MHz 的1/N 频率的晶体谐振器难以获得、N 太大和选频网络调节较为麻烦等缺点。

具体方框图如图4所示。

图4 晶振电路产生载波方框图方案三：PLL 频率合成。

用MC145152和VCO 电路进行频率合成，采用闭环控制。

故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号，本题目要求发射频率在30MHz~40MHz 之间，选定35MHz 作为载波信号。

原理框图如图5所示。

图5 频率合成原理框图方案选择：载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。

方案一和方案二的电路比方案三的电路简单，但是其短期频率稳定度均只能达到10-2～10-3；而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度，可达10-5～10-6；且失真度很小。

故本设计采用方案三。

（3）接收模块的设计方案论证与选择FM 专业收音电路常采用大规模集成IC CXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。

方案一：采用CXA1019作为接收机电路的核心IC 。

CXA1019是日本索尼公司研制的单片大规模接收机电路，它包含了AM/FM 收音机从天线输入、高频放大、混频、本振到中频放大、检波直至低频（音频）功率放大的所有功能。

除此之外，还具有调谐指示，电子音量控制等一些辅助功能。

方案二：采用CXA1238作为接收机电路的核心IC 。

CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM 立体声收音集成电路。

它的电源电压适应范围宽：2～10V 范围内电路均能正常工作，且具有立体声和调谐指示LED 驱动电路以及FM 静噪功能等。

方案选择：上述两种方案实现的功能基本相同，但CXA1019具有灵敏度高、调整简单等优点；且它的灵敏度是CXA1238所力所不能及的。

故选用方案1。

（4）关于尽量增加传输距离的分析传输距离是单工无线呼叫系统的综合性能指标。

根据单工无线传输距离公式(1)如下 minmax S G G P KR r t t = (1)式中，P t 为发射机天线端辐射的有效功率，S min 为接收机的最小检测功率，G t 、G r 分别为发射机天线和接收机天线的增益，K 值在发射频率确定的情况下基本是一个常量。

要增大传输距离R max 应从如下几个方面考虑：① 在发射机接50Ω假负载，其功率不大于20mW 的情况下，尽量提高发射机天线辐射的有效功率P t 。

当f =35MHz 时，λ=8.5657m ，当拉杆天线长1m ，直径3mm 时，通过MATLAB 仿真计算可得，拉杆天线的等效阻抗Z r 为1.11544.5j jXR Z LL r -=-=由此可见，发射机输出端阻抗与天线严重失配。

为使天线辐射功率最大，如图6所示必须在天线端口接一个电感L ，使L 与C L 形成串联谐振，抵消C L 的作用。

同时使发射机输出阻抗R i =50Ω与R L 匹配，中间必须接一个降阻网络。

图6 发射部分阻抗匹配示意图② 提高接收机灵敏度。

由式(1)可知，提高接收机灵敏度（即降低接收机的S min ）与提高发射机天线辐射功率P t 对增加传输距离是同等重要的。

故接收机采用超外差体制，并且对接收机要调准，使接收机灵敏度最高。

③ 在接收机输入端和拉杆天线之间必须加装升阻网络。

一方面使天线阻抗与接收机输入阻抗匹配，同时加装一个电感，使之与天线等效电容形成串联谐振，接收机高放电路采用低阻抗输入的共基电路。

本设计采用的CXA1019M 芯片内部已集成了该电路。

如果在天线输入端再加一级低噪声天线放大器，会提高接收机的灵敏度从而增加作用距离。

④ 因本设计收发天线均采用拉杆天线或导线，其长度≤1m 。

为提高收发天线的增益，应使拉杆天线的长度等于1m或略小于1m。

并且要注意收发信号时，使收发天线的极化一致，且方向调在最合适的位置。

⑤当频率为35MHz时，波长λ为8.6m，其传输特性按直线传输，如果中间有障碍物则会产生反射和折射现象，对传输距离有很大的影响。

所以测试应在空旷地方，中间不能有障碍物或屏蔽物。

⑥根据电波传输理论，如图7所示。

在距离为(2n-1)λ/4时，会出现波谷，收听效果最差；在距离为nλ/2时，会出现波峰，收听效果最好。

其中n为自然数。

图7 电波传输理论示意图二、系统设计系统主要分为发射和接收两大模块，经过方案比较与论证，发射和接收部分的组成框图分别如图8和图9所示。

其中发射部分的集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、音频处理器、数据编码器、单片机进行数据处理、按键处理、LCD驱动。

接收部分由收音模块、锁相环频率合成模块以及控制模块四大部分组成，单片机起控制作用。

由于电路中既有数字电路又有高频电路，需将高频地和数字地分开以及高频电路用金属屏蔽隔离，以减小交叉调制等干扰。

图8 发射部分组成框图图9 接收部分组成框图1. 单元硬件电路设计发射部分电路的设计（1）压控振荡器的设计压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐振回路构成。

MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。

为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的Q L≥100。

电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz 。

图10为压控振荡器电路图.图10 压控振荡器电路图（2） 音频处理器音频处理如图 11所示。

由图可见，运放A （1）主要起到将平衡输入变为不平衡输出，运放A （2）完成电压放大的作用。

音频处理器的作用就是将不同输入阻抗、不同输入电平各种信号变成基本一样的输出阻抗和VCO 所需要的电平。

图11 音频处理器（2） 锁相环电路设计（射极电阻R E2上产生的压降来提供的。

当放大器的输入信号υt 为正弦波时，集电极的输出电流i c 为余弦脉冲波。

利用谐振回路L 2C 2的选频作用获得输出基波电压υc1、电流i c1。

集电极基波电压p m c m c R I V 11=式中，I c1m 为集电极基波电流的振幅；R C 为集电极负载阻 抗。

集电极输出功率 cm c c m c mc m c c R V R I I V P 212111212121⋅===（4）阻抗变换电路设计根据MATLAB 仿真，对于1m 长的拉杆天线，当f =35MHz 时，其等效阻抗为Z =R +jX =5.44-j 115.1。

要使发射机的输出阻抗50Ω与天线匹配，必须加装降阻匹配网络，又因1m 长天线呈容性阻抗，必须采用串联谐振，使之天线辐射出去的功率最大。

本设计采用的是L 型的LC 网络来实现阻抗匹配，L 型电路只有两个元件，两个要求，所以它的解是唯一的，下面为L 型电路的匹配原理和计算方法。

如图14所示。

R 1、R 2为欲匹配的电阻值。

R2图14 L 型匹配网络221111C j XC j X ωω==221212112212112122121211212112122121111121111)(R X R X R X X R X R XX R X R X R X R X X R X R X R XX R X R =--+-=+---=+--=++⋅）（　022121121=+-∴X X R X R 即 0221221121=-+X X X R X R22121211R X R X R =--解此方程得21211R R R R C ω-=ω)(2122R R R L -=计算可得L=562NH ，C1=280PF接收部分电路的设计 （1） 收音模块设计CXA1019接收模块，电路原理图如图15所示：输入信号经阻抗变换网络后从天线端输入。