电赛专题 | G题-双路语音同传

有幸邀请到了在2019大学生电子设计大赛的获奖优秀队员为本公众号投稿，将分几次推文为大家介绍几只优秀队伍的作品。

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本次推文为大家分享西安电子科技大学微电子学院的团队的作品，团队成员为：步枫   施炜洛   魏巍（排名不分先后），指导教师：蔡觉平 康海燕。该团队选择完成了电赛G题_双路语音同传的无线收发系统的设计，最终获得国家二等奖的好成绩。

下面开始介绍他们团队的作品。

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双路语音同传的无线收发系统设计报告

学    校：西安电子科技大学 

作    者：步枫   施炜洛  魏巍

指导教师：蔡觉平 康海燕 

摘  要：本系统采用频分复用的思想，将两路语音信号调制成不同的频带，从而实现了双路语音同传的功能。使用压控振荡器MAX2605对语音信号进行FM调制、锁相环LMX2571对FM波解调、乘法器AD835和加法器VCA810对双路语音信号进行合成，带通滤波器和AD835对解调信号进行语音分离，完美的完成了题目的各项要求。并且通过对各级电路之间进行合理的级联和阻抗匹配、在电路传输过程中综合应用了去耦电容、滤波、使用屏蔽线传输信号以及使用屏蔽罩等，降低环境噪声对系统中信号传输的影响。在天线发射前接入功率射频放大模块，提高了天线发射接收的距离，降低了噪声对接收信号的影响。此外，我们在发挥其他部分加入双路音乐播放功能和播放广播功能。

关键词：双路语音同传 频分复用 锁相环解调 无线模拟信号传输 调频广播接收 

一、系统构成

根据该题的各项技术指标要求，双路语音信号的同步传输、对48.5Mhz信号进行FM调制与解调、无线通信系统中载波的抗干扰能力的提高是本题的重点，也是确定方案时需要综合考虑的问题。本系统通过频分复用的思想，完美的实现了对同频双路语音信号进行同步调制与解调，采用混频器AD835将语音信号B的频谱进行搬移，然后通过加法器将两路信号合成，从而得到调制信号。本系统为了满足对48.5Mhz信号进行FM调制与解调的要求。系统使用LMX2571，通过对锁相环的原理进行仔细分析，参考LMX2571芯片的数据手册，我们自制基于锁相环的FM解调电路，完美得到调制信号；为了在解调后将语音信号无失真还原，采样高阶带通滤波器，将信号分离还原。

综合考虑后，决定将电路定为四部分，其中第一级主要进行双路语音信号的同传合路处理；第二级进行FM波的调制与发射，将FM波以载波为48.5Mhz发射；第三级进行FM波的接收与解调，得到语音合成信号；第四级进行双路语音信号的分离处理与还原。

1.1发射的双路语音合路

方案一：模拟数字合成，将一路语音信号转为只有高、低电平的TTF信号，然后使用加法器将两路信号相加，得到一个模拟与数字信号合成的信号。该方法复杂，不宜操作。

方案二：使用分频复用方法，只将一路语音信号与混频器进行混频，另外一路语音信号不进行频谱搬移，将两路语音信号A、B使用加法器进行相加放大，得到一个有不同频带的语音合成信号。此方法电路简单，合成信号后解调无明显失真

综合考虑，采用方案一。

1.2 FM调制波的产生

方案一：使用变容二极管直接调频的方法，用合成的语音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FM调频的目的。此方案的优点是线路简单，但直接调频的稳定性较差、得到的频偏大，故不采用此方法。

方案二：采用锁相环调制原理，可以将语音合成信号接入压控振荡器MAX2605，产生一个载波频率为48.5MHz的FM调制波。此方案方法简单，能完成题目的要求。

综合考虑，采用方案二 。

1.3 FM波的解调

方案一：使用LM331频率电压转换电路，将FM波转换成为AM波，然后使用包络检波的方法，得到调制波。此方案的缺点是不能完美的将调制波解调出来。

方案二：使用相干解调的方法，通过DDS信号源得到一个稳定可靠的本振信号，通过混频器后将调制波的频谱搬移到中频，然后通过中频滤波器、鉴相器得到解调的调制波。此方案电路复杂，不易制作。

方案三：采样集成的锁相环芯片，通过对锁相环电路进行仔细分析，结合LMX2592的数据手册，制作一个FM解调模块，只需要在时钟端接入已有的FM调制波，即可通过内部VCO的输出经过低通滤波器之后，得到解调后的调制波。此方案电路简单，解调的调制波无明显失真，且对无线系统的频漂有缓存效果。

综合考虑，采用方案三。

1.4双路语音信号的分离处理与还原

   方案一：使用数字解调，通过使用FPGA和告诉DAC，通过对解调后的信号采样，然后通过调用FPGA内部的IP核，使用两个带通滤波器对信号进行处理，然后使用两路高数的DAC将波形重新建立。此方案复杂，虽然可以很好的将双路语音信号分离，但工作量大，不宜采用。

方案二：使用模拟方式解调，将解调后的信号分为两路分别接入两个相应通频带的高阶有源带通滤波器，分离出不同频段的两路语音信号，即可先还原第一路语音信号，然后用乘法器对高频带的第二路语音信号进行下混频、低通滤波，即可还原第二路语音信号。此方案电路简单，容易操作，实际测试得到的还原信号无明显失真。

综合考虑，采样方案二。

二、理论分析与计算

2.1 发射的双路语音合路处理分析与计算

语音信号的频率范围是300Hz—3400KHz,双路语音信号无法进行简单的相加后传输，根据频分复用的思想，我们需要先将其中一路的语音信号进行频谱搬移，然后将两路语音信号通过加法器相加得到语音合成信号。考虑到语音信号的带宽为：3400-300=3100Hz。

为了防止合成信号出现频率混叠现象，对信号频率的搬移必须超过3100Hz,为了使得信号搬移和后期解调处理的方便，我们采用10.8KHz的信号作为本振信号进行频谱搬移。 

原理图如下：

2.2 接收的双路语音信号分离处理分析与计算

解调后的调制信号是混有两个不同频带的信号，我们通过分析发现，语音信号A采样低通滤波器得到，语音信号B进行带通、混频、低通得到。

    原理图如下：

2.3无线收发系统频漂处理分析与计算

载波频率是在信号传输的过程中，并不是将信号直接进行传输，而是将信号负载到一个固定频率的波上，这个过程称为加载，这样的一个固定频率。严格的讲，就是把一个较低的信号频率调制到一个相对较高的频率上去，这被低频调制的较高频率就叫载波频率，也叫基频。而载波飘移，则是指信号在传输过程中，因为没有两个振荡器的频率能够完全相同，两天线之间载波频率不同。最后，表现为无线信道的频率干扰。

我们采样锁相环对FM调制信号进行解调，其基本原理如图： 

我们将调制信号引入鉴相器，然后锁相环会自动进行追踪、锁定，知道压控振荡器产生的信号与调制波同步，这是我们可以在低通滤波器输出端得到解调信号。

采用锁相环结构进行解调，我们通过比赛期间对电路系统的测试，发现系统可以曾受的最大频偏900KHz，系统的解调信号无明显失真。

三、电路与程序设计

3.1电路设计

本系统是包括双路语音信号的同传合路处理电路、FM波的调制与发射电路、FM波的接收与解调电路、双路语音信号的分离处理与还原电路、基带带通滤波器和系统电源。

其中，双路语音合路处理电路采样混频器AD835、加法器VCA810；FM调制端使用压控振荡器MAX2065；接收端使用锁相环电路；双路语音信号分离处理电路采用带通滤波器模块。

 本系统是包括双路语音信号的同传合路处理电路、FM波的调制与发射电路、FM波的接收与解调电路、双路语音信号的分离处理与还原电路、基带带通滤波器和系统电源。

其中，双路语音合路处理电路采样混频器AD835、加法器VCA810；FM调制端使用压控振荡器MAX2065；接收端使用锁相环电路；双路语音信号分离处理电路采用带通滤波器模块。

图3.1 双路语音信号合成电路 

图3.2 FM波的解调电路 

噪声抑制与干扰措施：

（1）为了合理减少电源纹波对芯片工作状态的影响，制作了特定电源板以减少电源的纹波，在芯片的电源端 V+和V-与地之间搭T型滤波；前级包裹屏蔽盒，提高抗干扰能力。

（2）因手工焊接实现高速电路的指标不尽如人意，根本无法达到题目中带宽要求，故方案制订后，本组立刻开始自画PCB印制板， 系统电路通过合理布局，各元器件采用表贴封装、排布紧凑，连接线尽量短、线宽适当、长度均等，并兼顾阻抗匹配；电路板下面大面积接地，上面多孔接地，减小地线上的噪声。

3.2软件设计

 系统软件显示友好菜单模式的人机交互界面，控制AD9959模块和LMX5292模块和DAC8563模块，简单方便，可以轻松切换各种模块的控制。软件原理图、界面如图D-1-6所示。

四、测试方案与测试结果

4.1测试仪器清单

测试仪器清单如表D-1-1所示。

4.2测试方案及结果 

基础部分测试：

(1)制作FM无线收发系统。

FM信号的载波频率设定为48.5MHz,相对误差满足1‰要求，峰值频偏不大于25KHz,天线长度小于0.5m。

(2)无线收发系统任意传输一路语音信号测试。

A路语音可传输频率为300Hz-3500Hz,无线传输距离2m,在接收端无明显失真。

B路语音可传输频率为300Hz-3500Hz,无线传输距离2m,在接收端无明显失真。

（3）无线收发系统同时传输双路语音信号测试。

A路信号于B路信号可以同时FM无线传输，无线传输距离2m,在接收端解调出的双路信号无明显失真。

发挥部分测试：

（1）载波频率的调节。

可以通过信号发生器产生一个电压信号，加在发射电路端用来模载波频率的噪声。

（2）调节电压信号，产生不小于300KHz频漂，调节时间小于5s指标测试。

通过控制信号发生器，采用周期20s的信号模拟一个直流偏置，在保证系统能正确进行无线解调、无明显失真的前提下，FM信号的载波频率偏移可以达到900KHz。

（3）动态频率偏移的测试。

通过使用信号发生器，对三角波的参数进行调整，使信号发生器产生一个如图4-1所示的波形，进行无线模拟信号载波漂移的模拟。实际测试发现，在题目要求的条件下，该系统可以承受900KHz的频率漂移。

（4）其他部分。

使用音频播放装置，在接收端可以听到播放的音乐，和无线广播。 

五、结束语

本系统以题目的要求为主要指标，通过不断地理论分析和计算，我们设计的系统基本覆盖所有任务的功能，可以实现基本的语言传输功能。

六、参考资料

[1]黄智伟．射频小信号放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2008

[2]刘光，张玉兴.天线应用射频微波电路设计.北京：电子工业出版社，2004

[3]黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程．北京：电子工业出版社，2005‘

[4]惠意欣．运算放大器—理论与设计．北京：清华大学出版社，2006

[5]童诗白，华成英．模拟电子技术基础．北京：高等教育出版社，2001

[6]黄智伟．射频功率放大器电路设计．西安：西安电子科技大学出版社，2009

[7]LMX2592 芯片手册

[8]MAX2606 芯片手册

[9]AD820 芯片手册

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