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無(wú)線(xiàn)擴音系統的廣泛應用，解決了實(shí)際工程中的布線(xiàn)和移動(dòng)使用的難題。無(wú)線(xiàn)傳輸方式也從傳統的U段、V段無(wú)線(xiàn)擴音發(fā)展到今天的紅外線(xiàn)、藍牙和2.4 GHz頻段的無(wú)線(xiàn)數字傳輸方式。傳統的模擬信號無(wú)線(xiàn)擴音設備發(fā)射器的使用會(huì )受到同頻、鄰頻或外界電波干擾，擴音的回輸較大，而且高頻電波輻射大，擴音回輸會(huì )對人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數字信號傳輸過(guò)程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強。數字無(wú)線(xiàn)擴音系統可廣泛應用于教學(xué)、會(huì )場(chǎng)、現代辦公、家居生活等領(lǐng)域。 工作于2.4 GHz的ISM。頻段有4億個(gè)可用地址碼，可通過(guò)跳頻詢(xún)址技術(shù)保證在同一場(chǎng)所同時(shí)使用而不串頻。發(fā)射信號的頻帶寬度大于所傳信息必需的最小帶寬，而頻帶的展寬是通過(guò)擴展功能實(shí)現，與所傳信息數據無(wú)關(guān)，并只有發(fā)射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調來(lái)解擴及恢復所傳信息數據。數據被所有的跳頻點(diǎn)所攜帶，如果噪音沒(méi)有影響到所有的跳頻點(diǎn)，信息就可以被修復，一定條件下可以有多個(gè)系統在同一頻率范圍內共存。文中介紹使用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)智能跳頻數碼擴音器設計方案。利用智能跳頻詢(xún)址技術(shù)，使發(fā)射機可更迅速地自動(dòng)被接收機識別，任意發(fā)射機可以匹配任意接收機，匹配后自動(dòng)鎖定直至發(fā)射機關(guān)閉或者離開(kāi)無(wú)線(xiàn)電覆蓋范圍。在無(wú)障礙物的直線(xiàn)傳輸條件下輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離≤60 m。 1 系統分析與設計 系統由MCU、發(fā)射和接收系統構成。音頻信號由發(fā)射端的前端信號處理電路放大后送往MCU內部A/D進(jìn)行采樣，MCU將采樣所得數據打包通過(guò)RF模塊發(fā)送出去。接收端MCU從RF模塊讀取數據包，并將其送至MCU內部的TIMER1進(jìn)行PWM調制，然后輸出至外部低通濾波器，最后還原得到相應的音頻信號。系統原理如圖1所示。 1.1 主控MCU模塊 MCU選用AVR系列的ATmega8，其是基于增強AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega8的數據吞吐率達1 MIPS/MHz，16 MHz時(shí)性能達16 MIPS，因此可緩減系統在功耗和處理速度之間的矛盾。工作電壓2.7～5.5 V，內部集成8路10位ADC、SPI串行接口、16位帶PWM調制輸出的定時(shí)器、512 Byte的EEPROM。其內部資源能滿(mǎn)足發(fā)射端和接收端MCU的要求。 1.2 RF模塊 nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 cHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置�？蛇M(jìn)行地址及CRC檢驗功能。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA;接收時(shí)，工作電流12.3 mA，多種低功率工作模式使節能設計更方便。收發(fā)雙方傳輸信號的載波按照預定規律進(jìn)行離散變化，以避開(kāi)干擾、完成傳輸�？傊�，跳頻技術(shù)FHSS不是抑制干擾而是容忍干擾。由于載波頻率是跳變，具有抗高頻及部分帶寬干擾的能力，當跳變的頻率數目足夠多和跳頻帶寬足夠寬時(shí)，其抗干擾能力較強。利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的作用，從而使系統具有抗多徑衰落的能力。利用跳頻圖案的正交性可構成跳頻碼分多址系統，共享頻譜資源，并具有承受過(guò)載的能力。 1.3 音頻放大 如圖2所示，該電路U5A、R8、C17、R7、R14、R9、R16、R13負責麥克風(fēng)輸入信號的放大，放大倍數為10倍。其中R8給麥克風(fēng)提供直流偏置，經(jīng)過(guò)C17耦合至運放U5A。R7、R14、R9用于給運放提供一個(gè)虛擬地。如果有3.5 mm的音頻信號接頭插入J5時(shí)，后續電路會(huì )斷開(kāi)和前級放大的連接，從而實(shí)現MIC聲音和外部音頻輸入的切換。U5B、R11、R15、R17、R19、C21負責輸入MIC和外部音頻信號的放大，放大倍數為5倍，原理與前級放大相似。運放選用LMV358，LMV358是一款Rail to Rail雙運放，工作電壓在2.7～5 V，增益帶寬乘積為1 MHz，工作電流140μA，適合電池供電。 1.4 電源穩壓 LDO選用PAM3101，為正向線(xiàn)性穩壓器系列，其特色是低靜態(tài)電流和低壓降，是電池供電應用的理想選擇。小體積SOT--23和SOT-89封裝對于便攜式和發(fā)射設備具有吸引力。熱關(guān)閉和電流限制可防止器件在極端的工作環(huán)境下失效。 2 系統接口設計 2.1 發(fā)射端系統接口 如圖3所示，ATmega8通過(guò)SPI與NRF24L01連接。在對NRF24L01初始化之前，必須對IO口進(jìn)行初始化，方向寄存器DDR設置如圖上的箭頭所示。ATmega8工作頻率為16 MHz，故通過(guò)設置SPCR、SPSR寄存器讓SPI工作于時(shí)鐘加倍模式，可使SPI時(shí)鐘頻率達8 MHz。內部A/D工作時(shí)鐘通過(guò)64分頻后為250 kHz;單次轉換周期為52μs;在連續轉換模式下，采樣頻率約為20 kHz、8 bit精度。每次完成轉換后將觸發(fā)ADC中斷。電源部分作為電路的重要組成部分，其性能好壞直接影響輸出音質(zhì)。由于發(fā)射端RF模塊工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)瞬間電流較大，如果模擬器件和RF模塊使用同一LDO，則輸出音頻會(huì )受到嚴重干擾，故模擬器件和數字器件各自使用獨立LDO，力求將影響減到最小。 2.2 接收端系統接口 如圖4所示，ATmega8與NRF24L01連接方式與發(fā)射端相同，IO方向設置也與其相同。為了防止NRF24L01返回ACK時(shí)造成的電源波動(dòng)，模擬器件和數字器件都各自使用獨立LDO。由于A(yíng)Tmega8的IO口較少，內部數個(gè)硬件接口使用同一個(gè)IO，導致接口沖突。SPI的MOSI和Timer2的OC2共用PB3，SS與Timer1的OC1B共用PB2，最后只有16 bit的Timer1OC1A可使用。通過(guò)修改TCCR1A寄存器讓Timer1工作在8bit PWM模式，工作頻率為62.5 kHz。修改OCR1則可以改變OC1B上輸出的PWM占空比。Timer2在比較匹配模式下工作，每隔52μs中斷一次，并修改緩沖區的數據送至Timer1，讓其改變PWM占空比，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去PWM高頻成分后，最終得到音頻信號。 3 主控軟件流程 3.1 發(fā)射端軟件流程 MCU上電復位后，首先會(huì )對SPI接口進(jìn)行初始化，再進(jìn)行IO設置。接著(zhù)再對外設NRF24L01和Timer0初始化。完成對NRF24L01的初始化后，緊接著(zhù)就是對接收機的搜索。流程圖內附有簡(jiǎn)略算法。與接收機建立握手后就開(kāi)始對A/D初始化，并開(kāi)始對音頻信號進(jìn)行采樣，將數據保存至A、B兩個(gè)緩沖區，一旦A緩沖區溢出后新采樣的數據就傳輸至B緩沖區，并將A緩沖區的數據打包發(fā)送。緊接著(zhù)進(jìn)入接收模式并等待接收端返回ACK。與此同時(shí)采集的數據將保存到B緩沖區內。當收到ACK后將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。如果10 min內不斷發(fā)送數據且沒(méi)有收到ACK則認為和接收端的連接已經(jīng)中斷，這時(shí)將進(jìn)入待機狀態(tài)。定時(shí)器每10 ms觸發(fā)中斷，對當前連接狀態(tài)通過(guò)紅綠LED進(jìn)行顯示。正常狀態(tài)時(shí)綠色LED長(cháng)亮，一旦出現丟包現象則只有紅LED長(cháng)亮，用于告知發(fā)射端和接受端的距離過(guò)遠或信號受到障礙物阻擋、干擾。 3.2 接收端軟件流程 接收端的軟件實(shí)現流程為發(fā)射端的逆過(guò)程。首先對ATmage8的IO、SPI、定時(shí)器、NRF24L01進(jìn)行初始化，其設置與發(fā)射端一致。接著(zhù)設置NRF24L01為接受狀態(tài)，MCU將搜索發(fā)射端握手信號和空閑頻道，如果搜索不到握手信號時(shí)將在空閑頻道上等待發(fā)射主動(dòng)搜索到該頻道。完成信號握手后接收端將會(huì )一直等待發(fā)射端發(fā)送數據包，并把數據包內的數據移至緩沖區，10 min后收不到數據包則進(jìn)入待機狀態(tài)。Timer2工作 于比較匹配模式，一旦TNCT2等于OCR2時(shí)，MCU會(huì )對TNCT2硬件清零，從而產(chǎn)生一個(gè)周期為52μs的比較匹配中斷，并利用這個(gè)中斷去從緩沖區讀取音頻數據至Timer1用于輸出PWM占空比。與此同時(shí)，timer也將產(chǎn)生一個(gè)10 ms的中斷用于LED顯示連接狀態(tài)，實(shí)現原理與發(fā)射端的一致。 4 性能測試 無(wú)線(xiàn)智能跳頻數碼擴音器實(shí)現射頻頻率在2.4～2.5 CHz的數碼傳輸。在無(wú)遮擋直線(xiàn)傳輸的條件下，有效距離達60 m。收、發(fā)機可自動(dòng)應答和重發(fā)。頻響為100 Hz～10 kHz。信噪比>45 dB。在125個(gè)可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。發(fā)射器工作狀態(tài)電流最大為12 mA，靜待狀態(tài)電流最大為0.06 mA，輸出功率5 W，數據速率為2 Mbit·s-1。 5 結束語(yǔ) 無(wú)線(xiàn)智能跳頻數碼擴音器設計方案，是利用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件，以及智能跳頻詢(xún)址技術(shù)進(jìn)行開(kāi)發(fā)的，在可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。在無(wú)障礙物的直線(xiàn)傳輸條件下實(shí)現輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離在60 m以?xún)�。ATmega8 MCU的應用雖然降低了該擴音器的成本，但ATmega8 MCU的性能限制，使擴音效果存在音頻爆音現象。處理的方法有不少，其中可采用窄帶高頻及中頻選頻濾波，外加噪聲數碼抑制電路，有效避免脈沖雜音，多種增強主音源，最大限度抑制了背景噪音，提高了傳音質(zhì)量。 |
