1、奖励项目：第二十届 “运河杯” 课外科技竞赛三等奖，指导教师 王涌（信息工程学院 副教授） 。基金项目：浙江工业大学信息工程学院建龙基金资助。作者简介：陈益波（1986） ，男，浙江台州人，信息学院通信 05 级学生；徐更春（1988） ，男，浙江临安人，信息学院电子信息工程 05 级学生；熊慧萍（1987） ，女，浙江丽水人，信息学院电子信息 05 级学生。基于 FM 调制方式的语音传输徐更春，陈益波，熊慧萍（浙江工业大学信息学院，浙江杭州 310014）摘 要 当今世界无线通信已经在全球范围得到了迅猛发展，采用无线手段提供数据业务的应用成为新的通信热点。无线通信主要涉及到信号调制发射 及
2、调频信号接收与解调两部分内容，而无线通信中主要解决就是噪声干扰问题。我们针对这些方面进行了初步的研究，设计了调制发射电路和调频信号接收与解调电路，并对电路的信号发射技术，调制解调技术和传输方式等进行了具体的分析。经过实践论证：本系统传输距离可达 100m 以上，工作点频率 94.1MHz，传输音质清晰，系统稳定性好。关键词 无线通信 噪声干扰 信号调制发射 调频信号接收与解 调Wireless voice transmission systemXu Geng-chun,Chen Yi-bo,Xiong Hui-ping(College of Electronic and Information
3、 Engineering, Zhejiang University Of Technology, Hangzhou 310014, China)Abstract Wireless communication, in todays world, has developed rapidly in the global scope .whats more, wireless data services to provide the means of communication becomes a new hot spot. Wireless communication is mainly relat
4、ed to the signal launch and modulation signal reception and demodulation .and noise interference is the main problem. We focused on these aspects and do the initial research, we design the modulation transmitter and FM signal reception and demodulation circuits, and make a specific analysis of signa
5、l transmission technology, modulation and demodulation techniques and methods of transmission. Conclusion: This system transmission distance of up to 100 m above, the frequency at 94.1 MHz, transmission, sound clarity and the system is good stability. Keywords wireless communications, noise interfer
6、ence, signal modulation and launch ,FM signal reception and demodulation1 研究内容本课题的研究内容为语音信号的高频调制及传输技术。其关键研究内容为如何产生出中心频率偏移度低，振辐大而且稳定的调频信号，如何提高该调制系统的抗干扰能力，如何提高信号的信噪比，如何不失真的解调解调及语音信号的采集及放大等内容。2 系统原理2.1 系统框架图本系统由语音信号调制发射 及 调频信号接收与解调两大部分组成。a)语音信号调制部分由音频放大模块,高频振荡与调频模块 ,缓冲隔离模块,高频功放等四个模块组成.信号在模块间传送路线如下:高频振荡
7、与频率调制音频放大缓冲隔离高频功放调制信号图 2.1 信号在模块间传送路线图b)调频信号接收与解调部分由 STC89C52 控制模块 TEA5767FM 解调模块低频语音信号放大模块组成模块关系图如下：调制信号+噪声信号TEA5767解调模块语音放大模块STC89C2 控制模块图 2.2 低频语音信号放大模块关系图2.2 调制发射部分具体原理2.2.1 调制与解调概要为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。所谓的调制就是用携带信息的输入信号 ui 来控制载波信号 uC 的参数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化
8、。载波信号的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM） 、调频（FM）和调相（PM）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化而变化。调幅波和调频波的示意图如图 2.3 所示。图 2.3 调幅波和调频波的示意图上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信号，图（c）是调幅波和调频波信号。解调基于 FM 调制方式的语音传输 3是调制的逆过程，它可将调制波 VO 还原成原信号 Vi。2.2.2 变容二极管的调频
9、原理实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但不易获得较大的频偏。 常用的变容二极管直接调频电路如图 2.4 所示。图中 D 为变容二极管， C2、L1、和 C3 组成低通滤滤器，以保证调制信号顺利加到调频级上，同时也防止调制信号影响高频振
10、荡回路，或高频信号反串入调制信号电路中。调制级本身由两组电源供电。图 2.4 变容二极管调频电路 图 2.5 变容调频原理图对高频振荡信号来说，L1 可看作开路，电源 EB 的交流电位为零，R1 与 C3 并联；如果将隔直电容 C4 近似看作短路，R2 看作开路，则可得到图（ b）所示的高频等效电路。不难看出，它是一个电感三点式振荡电路。变容二极管 D 的结电容 Cj，充当了振荡回路中的电抗元件之一。所以振荡频率取决于电感 L2和变容二极管的结电容 的值， 。变容二极管的正极直流接地（L2 对直流可视为短路）jCjCLf21，负极通过 R1 接+EB ，使变容二极管获得一固定的反偏压，这一反偏
11、压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的稳定性及精度，起着决定性作用。对调制信号来说，L2 可视为短路，调制信号通过隔直流电容 C1 和 L1 加到变容二极管 D 的负极，因此，当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减小，使振荡频率变高；调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压减小，其结电容增大，使振荡频率变低。 由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在变容二极管上的反偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振荡频率的大小，达到调频的目的。由变容二极管结电容 Cj 变化实现调频的波形示意图如图 2.5 所示。2.2.3 原理图：基于 FM 调制方式的语音传输
12、4图 2.6 原理图2.2.3.1 音频放大模块图 2.7 音频放大模块图音频放大模块的作用是通过 MICROPHONE 把音频信号转换为电压信号。然后将通过三极管以甲类工作方式进行放大。基于 FM 调制方式的语音传输 5实验结果及数据分析1）三极管 T4 的静态工作点为： Vb=2.7v Vc=6.2v Ve=2.0v 本级的电源来自经 R14 连接的最上面这条 “电源线”，经测试约 8。1V 左右。由上图可知三级管的电压为“电源线”电压经 R16，R17 分压后所得，R16 ：R17=1：2易得基级电压约为 2.7V，测试数据与理论分析相符。2）放大倍数测试经测试，放大倍数约为 10 左右
13、。2.2.3.2 高频振荡与调频模块电路图：1) 其中高频振荡部分的高频等效电路图为：图 2.8 高频等效电路图此时的振荡频率为 1/2(/34)6(5/1)FLCCx实验中，我们制作的振荡频率为：F=94.1MHz2) 调频部分的功能是将音频信号从电容 C18，通过变容二极管进行调频，即将音频信号调制到高频上去。最终的已调信号将在电容 C8 端输出。3）三极管 T1 的静态工作点为：Vb=2.9v Vc=6.8v Ve=2.2v，基级电压由 9V 电源电压经 R1，R2 分压所得，R1 ：R2=1：2，所以基级电压约为 3V，测试电压与理论值分析基本相同。另外本原理图最右边语音放大级输入点的
14、静态电压由 R6，R8 分压所得。正常情况应为 9*8/（10+8 ） =4V，如果变容二级管反接将被钳位在 0.7V4）本级电路的振荡类型为电容式三端式振荡器。其交流等效电路如下所示：基于 FM 调制方式的语音传输 6图 2.9 交流等效电路图其中 C3，C2 ，构成了三端式振荡器 BE，CE 极的电容元素。另外 L1，C6，Cx,C5,C4 共同构成 BE极的电感元素。其中 Cx 的电容值受语音性号控制。从而使该振荡器的电感元素受音频控制。最终使得整个电路的振荡频率受音频信号控制。图 2.10 缓冲隔离模块图2.2.3.3 缓冲隔离模块电路图如图 2.10 所示：1） 该电路为射极跟随器，
15、作用是隔断振荡器的输出端与功率放大级的输入端的直接，减少了功率放大级对振荡器的影响，提振荡器的稳定性。由于是射随电图信号输入输出基本不会产生变化。峰峰值 270mV 左右2） 三极管 T2 的静态工作点为：Vb=5.4v Vc=9v Ve=4.8v基级电压由电源电压经 R7， R8 分压所得，9*12/（12+8） =5.4V，测试数据与理论分析相符。2.2.3.4 高频功放模块电路图为：基于 FM 调制方式的语音传输 7图 2.11 高频功放图1) 此模块电路为甲类功率放大电路，作用是将之前的已调信号进行功率放大，以保证发射足够远的距离。信号在基级输入,C11 为旁路电容 ,C19 为偶合电
16、容,L3 与 C10 构成选频网络。用于选频和放大.输出经放大后信号峰峰值在 2.5V 上下有小波动。放大倍数约为 10 倍。2) 三极管 T3 的静态工作点为：Vb=2.9v Vc=9v Ve=2.2v基级电压由电源电压经 R10， R11 分压所得，R10：R11=1：2；所以该点电压约为 3V，测试数据与理论基本相符2.3 接收部分具体原理接收部分主要应用了 TEA5767 内部的锁相环进行了有效的信号解调。2.3.1 TEA5767 解调模块电路原理图4基于 FM 调制方式的语音传输 8图 2.12 解调模块电路原理图2.3.2 锁相环原理3锁相环路是一种反馈控制电路，简称锁相环（PL
17、L ）。锁相环的特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。因锁相环可以实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，所以锁相环通常用于闭环跟踪电路。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD）、环路滤波器（ LF）和压控振荡器（VCO）三部分组成，锁相环组成的原理框图如图 2.13 所示。图 2.13 锁相环组成的原理框图锁相环中的鉴相器又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成 uD（t）电
18、压信号输出，该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压 uC（t ），对振荡器输出信号的频率实施控制。图 2.14 鉴相器电路如图基于 FM 调制方式的语音传输 92锁相环的工作原理锁相环中的鉴相器通常由模拟乘法器组成，利用模拟乘法器组成的鉴相器电路如图 2.14 所示。鉴相器的工作原理是：设外界输入的信号电压和压控振荡器输出的信号电压分别为：（8-4-1）（8-4-2）式中的 0 为压控振荡器在输入控制电压为零或为直流电压时的振荡角频率，称为电路的固有振荡角频率。则模拟乘法器的输出电压 uD 为：用低通滤波器 LF 将上式中的和频分量滤掉，剩下的差频分量作为压控振荡器的输入控制电压 u
19、C（t）。即 uC（t）为：（8-4-3）式中的 i 为输入信号的瞬时振荡角频率，i （t）和 O（ t）分别为输入信号和输出信号的瞬时位相，根据相量的关系可得瞬时频率和瞬时位相的关系为： 即 （8-4-4）则，瞬时相位差 d 为（8-4-5）对两边求微分，可得频差的关系式为图 2.15 压控振荡器的压控特性图（8-4-6）基于 FM 调制方式的语音传输 10上式等于零，说明锁相环进入相位锁定的状态，此时输出和输入信号的频率和相位保持恒定不变的状态，uc（t）为恒定值。当上式不等于零时，说明锁相环的相位还未锁定，输入信号和输出信号的频率不等，uc（t）随时间而变。因压控振荡器的压控特性如图 2
20、.15 所示，该特性说明压控振荡器的振荡频率 u 以0 为中心，随输入信号电压 uc（t）的变化而变化。该特性的表达式为（8-4-6）上式说明当 uc（t）随时间而变时，压控振荡器的振荡频率 u 也随时间而变，锁相环进入“频率牵引”，自动跟踪捕捉输入信号的频率，使锁相环进入锁定的状态，并保持 0=i 的状态不变。2.3.3 锁相环在调频和解调电路中的应用调频波的特点是频率随调制信号幅度的变化而变化。由 8-4-6 式可知，压控振荡器的振荡频率取决于输入电压的幅度。当载波信号的频率与锁相环的固有振荡频率 0 相等时，压控振荡器输出信号的频率将保持 0 不变。若压控振荡器的输入信号除了有锁相环低通
21、滤波器输出的信号 uc 外，还有调制信号 ui，则压控振荡器输出信号的频率就是以 0 为中心，随调制信号幅度的变化而变化的调频波信号。由此可得调频电路可利用锁相环来组成，由锁相环组成的调频电路组成框图如图 2.16 所示。图 2.16 调频电路组成框图 图 2.17 解调电路组成框图根据锁相环的工作原理和调频波的特点可得解调电路组成框图如图 2.17 所示。3锁相环在频率合成电路中的应用在现代电子技术中，为了得到高精度的振荡频率，通常采用石英晶体振荡器。但石英晶体振荡器的频率不容易改变，利用锁相环、倍频、分频等频率合成技术，可以获得多频率、高稳定的振荡信号输出。输出信号频率比晶振信号频率大的称
22、为锁相倍频器电路；输出信号频率比晶振信号频率小的称为锁相分频器电路。锁相倍频和锁相分频电路的组成框图如图 2.18 所示。图 2.18 锁相倍频和锁相分频电路的组成框图2.4 系统性能指标（一） 工作点频率：94.1MHz（二） 发射信号峰峰值: 2.8V（三） 发射距离：100m 以上（在存中四楼发音，可在校门口马路 对面的小区里收到音） ；（四） 音质：很好，很清晰，无杂音（五） 稳定性：很好3 结束语：在当飞速发展的信息时代，信息科学技术已成为 21 世纪国际社会和世界经济发展的新强大动力。信基于 FM 调制方式的语音传输 11息作为一种资源，只有广泛的传播与交流才能充分的体现其价值。坚信通过这种无线通信方式的联系，各国之间将合作更紧密，社会将发展更迅速。参考文献1 朱广信,张江鑫.高频电路实验指导书A.2 张肃文.高频电子线路第四版M, 北京: 高等教育出版社,2004.11.3 王恒山.调频解频技术M, 北京: 高等教育出版社,1989.10.4 李泰桢.调频收音机及立体声收音机原理和维修A,北京:人民邮电出版社,1984.附图：图一：发射机实物图图二：接收机实物图基于 FM 调制方式的语音传输 12图三：发射机 PCB 图图四：接收机 PCB 图
