|
無線擴音系統的廣泛應用，解決了實際工程中的布線和移動使用的難題。無線傳輸方式也從傳統的U段、V段無線擴音發展到今天的紅外線、藍牙和2.4 GHz頻段的無線數字傳輸方式。傳統的模擬信號無線擴音設備發射器的使用會受到同頻、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，擴音回輸會對人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數字信號傳輸過程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強。數字無線擴音系統可廣泛應用于教學、會場、現代辦公、家居生活等領域。 工作于2.4 GHz的ISM。頻段有4億個可用地址碼，可通過跳頻詢址技術保證在同一場所同時使用而不串頻。發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擴展功能實現，與所傳信息數據無關，并只有發射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴及恢復所傳信息數據。數據被所有的跳頻點所攜帶，如果噪音沒有影響到所有的跳頻點，信息就可以被修復，一定條件下可以有多個系統在同一頻率范圍內共存。文中介紹使用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發器件進行開發的無線智能跳頻數碼擴音器設計方案。利用智能跳頻詢址技術，使發射機可更迅速地自動被接收機識別，任意發射機可以匹配任意接收機，匹配后自動鎖定直至發射機關閉或者離開無線電覆蓋范圍。在無障礙物的直線傳輸條件下輸出功率為5 W、發射和接收有效距離≤60 m。 1 系統分析與設計 系統由MCU、發射和接收系統構成。音頻信號由發射端的前端信號處理電路放大后送往MCU內部A/D進行采樣，MCU將采樣所得數據打包通過RF模塊發送出去。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。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega8的數據吞吐率達1 MIPS/MHz，16 MHz時性能達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調制輸出的定時器、512 Byte的EEPROM。其內部資源能滿足發射端和接收端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，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。可進行地址及CRC檢驗功能。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發射時，工作電流9 mA;接收時，工作電流12.3 mA，多種低功率工作模式使節能設計更方便。收發雙方傳輸信號的載波按照預定規律進行離散變化，以避開干擾、完成傳輸。總之，跳頻技術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，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負責麥克風輸入信號的放大，放大倍數為10倍。其中R8給麥克風提供直流偏置，經過C17耦合至運放U5A。R7、R14、R9用于給運放提供一個虛擬地。如果有3.5 mm的音頻信號接頭插入J5時，后續電路會斷開和前級放大的連接，從而實現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，為正向線性穩壓器系列，其特色是低靜態電流和低壓降，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射設備具有吸引力。熱關閉和電流限制可防止器件在極端的工作環境下失效。 2 系統接口設計 2.1 發射端系統接口 如圖3所示，ATmega8通過SPI與NRF24L01連接。在對NRF24L01初始化之前，必須對IO口進行初始化，方向寄存器DDR設置如圖上的箭頭所示。ATmega8工作頻率為16 MHz，故通過設置SPCR、SPSR寄存器讓SPI工作于時鐘加倍模式，可使SPI時鐘頻率達8 MHz。內部A/D工作時鐘通過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。由于發射端RF模塊工作于發射狀態時瞬間電流較大，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連接方式與發射端相同，IO方向設置也與其相同。為了防止NRF24L01返回ACK時造成的電源波動，模擬器件和數字器件都各自使用獨立LDO。由于ATmega8的IO口較少，內部數個硬件接口使用同一個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，經過低通濾波器濾去PWM高頻成分后，最終得到音頻信號。 3 主控軟件流程 3.1 發射端軟件流程 MCU上電復位后，首先會對SPI接口進行初始化，再進行IO設置。接著再對外設NRF24L01和Timer0初始化。完成對NRF24L01的初始化后，緊接著就是對接收機的搜索。流程圖內附有簡略算法。與接收機建立握手后就開始對A/D初始化，并開始對音頻信號進行采樣，將數據保存至A、B兩個緩沖區，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送。緊接著進入接收模式并等待接收端返回ACK。與此同時采集的數據將保存到B緩沖區內。當收到ACK后將進入下一個循環周期。如果10 min內不斷發送數據且沒有收到ACK則認為和接收端的連接已經中斷，這時將進入待機狀態。定時器每10 ms觸發中斷，對當前連接狀態通過紅綠LED進行顯示。正常狀態時綠色LED長亮，一旦出現丟包現象則只有紅LED長亮，用于告知發射端和接受端的距離過遠或信號受到障礙物阻擋、干擾。 3.2 接收端軟件流程 接收端的軟件實現流程為發射端的逆過程。首先對ATmage8的IO、SPI、定時器、NRF24L01進行初始化，其設置與發射端一致。接著設置NRF24L01為接受狀態，MCU將搜索發射端握手信號和空閑頻道，如果搜索不到握手信號時將在空閑頻道上等待發射主動搜索到該頻道。完成信號握手后接收端將會一直等待發射端發送數據包，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入待機狀態。Timer2工作 于比較匹配模式，一旦TNCT2等于OCR2時，MCU會對TNCT2硬件清零，從而產生一個周期為52μs的比較匹配中斷，并利用這個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，timer也將產生一個10 ms的中斷用于LED顯示連接狀態，實現原理與發射端的一致。 4 性能測試 無線智能跳頻數碼擴音器實現射頻頻率在2.4～2.5 CHz的數碼傳輸。在無遮擋直線傳輸的條件下，有效距離達60 m。收、發機可自動應答和重發。頻響為100 Hz～10 kHz。信噪比>45 dB。在125個可選工作頻道中自動跳頻，頻道切換時間極短。發射器工作狀態電流最大為12 mA，靜待狀態電流最大為0.06 mA，輸出功率5 W，數據速率為2 Mbit·s-1。 5 結束語 無線智能跳頻數碼擴音器設計方案，是利用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發器件，以及智能跳頻詢址技術進行開發的，在可選工作頻道中自動跳頻，頻道切換時間極短。在無障礙物的直線傳輸條件下實現輸出功率為5 W、發射和接收有效距離在60 m以內。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，提高了傳音質量。 |
