摘 要
利用无线通信信道的远距离语音传输业务，是近年来发展很快的一门技术。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息。调频发射器可以使音频信息传送到附近的任意FM接收机。本设计中使用AT89S52控制调频发射的频率，选择了数码管显示发射的频率状态。选择了ROHM BH1415F集成电路产生调频调制发射信号的频率。芯片的主要特征:体积小，准确性高，而且容易产生发射频率。这个系统的各个部分可以进行深入的独立设计研究，现在把它们组合成一个典型的调频发射系统。 本设计使用模拟调频技术，在88MHz–98MHz的频段上，实现了线路输入语音信号的小功率远距离单工发送。系统发射功率大约20mW，发射距离大于20m，本系统可实现无明显失真的语音传输。
关键词：调频；语音传输；ROHM BH1415
1 引言
1.1 通信的发展
人类社会的发展可视为一部信息传播技术的发展史。从古代的烽火到近代的旗语，都是人们寻求快速远距离通信的手段。直到19世纪电磁学的理论与实践已有坚实的基础后，人们开始寻求用电磁能量传送信息的方法。信息传播促进社会进步和科学技术的发展；科学技术的进步又不断地改进、更新人类信息传播的媒体和工具，并促进信息更迅速、更广泛的传播。
面向21世纪的无线通信，无线通信的系统组成、信道特性、调制与编码、接入技术、网络技术、抗衰落与抗干扰技术以及无线通信的新技术和新应用的发展更是一日千里。
1.2 广播的发展现状
在21世纪的今天，广播的主要技术方式是调频广播，它是继调幅广播(20世纪20年代开始的)的第二代广播，它开始于20世纪50年代，克服了中波广播的很多致命不足，如串台严重、频带不够分配，信噪比差等，而实现了高保真度、动态范围宽、信噪比较好、较少串台现象。
调频广播因其优秀的音质和抗干扰性能而成为城市广播覆盖的主要手段。随着城市规模的日益扩展，调频发射台的功率也跟着成数量级地增大，由原来的100W、300W上升到1KW、3KW、甚至10KW，而发射天线的高度也由几十米上升到百余米甚至三四百米。随之逐步形成了高塔大功率覆盖的格局。
从广播业界的角度来看，高塔大功率覆盖模式的主要优点是建设方便，省事省力，见效快。但其固有缺点和带来的负面影响也是不容忽视的，主要有以下几点：因调频广播工作于米波段，极易因高大建筑物和其他物体反射形成多径干扰；因高山和低谷等地形因素会产生收不到信号的阴影区；大区制覆盖因频率不能复用造成规划困难；频谱利用率低；不能解决长距离交通线的连续覆盖问题。从社会发展的角度来看，它还有更重要的三条缺点：浪费能源，覆盖区场强不均匀度可达60dB，大量超出需要的无效辐射，形成能源的巨大浪费；污染环境，大功率FM发射台在天线附近周边地区辐射场强超过环境电磁波卫生标准已是不争的事实；对航空无线电业务造成干扰。
由于相关的国家标准和国家军用标准及频率规划多是10年以前制定的，那时寻呼业和调频广播刚起步不久，对干扰的认识还远不充分，已不适应当今电磁环境现状。当时规定的17dB的防护率早已被突破，10KM的防护间距也已形同虚设。
在世界各国，频率资源是有限的。国家已严格限制频率的使用范围。广播频率是政府部门颁发的，现在很多公司、媒体都愿意斥巨资竞标频谱使用权。无线广播中，单一载频用来传输单一的或者单套立体声节目。由于传统的大功率的调频广播频率资源的限制，使广播技术工作者开辟了另一种广播技术形式：小调频同步广播，它的特点是多布点、小功率、同频、同相、同步广播，使用的是现有的调频技术，不过存在着多点同步问题，这在技术上是可以克服的。信号传输可使用微波、有线甚至卫星方式。
由于采用小功率按需布点的方法，在满足覆盖需要的前提下，把单台发射机的功率大幅度降了下来，降到10W、50W、最大不超过300W，这就使诸多问题迎刃而解。对于多径干扰，由于功率小了，大部分反射波场强下降到不至于产生干涉的水平，并且由于布点多，部分多径干扰区可能被互相掩盖；可以用同步补点的办法消除阴影区；小功率辐射易于规划，且提高频谱利用率；可方便组成单频网，满足交通线上的无缝覆盖，保证驾乘人员的不间断接收；场强不均匀度仅为30dB，加上使用低高度垂直极化天线，极大地减小对空辐射和根部近场辐射，既节约能源，又满足电磁环境卫生标准，并可避免造成对航空频段的干扰。
1.3 设计思路
任何一个地区、一个城市都需要有很多专业的服务及新闻宣传，如交通信息咨询、健康咨询、股市信息咨询等，广播又是大众最灵活的信息接受媒体，这需要建立很多的广播电台，而作为一个国家的频率资源是严格控制和有限的，因此，小调频广播就成了未来广播的另一种主要形式，它是广播发展的其中一个方向，是数字音频广播(DAB)、网络广播的有力补充，既节约了频谱资源，又实现了广播功能。
为了实现上述要求，本文作者采用单片机AT89S52和调频专用发射芯片 BH1415F及数码显示设计了一套完整的无线调频发射系统，设计为可在88MHz–98MHz范围内任意设置发射频率，并且可以预置频道，发射频率通过单片机控制最小调整值为0.1MHz，具有单声道/立体声控制，实现了语音信息的短距离无线传输，可广泛应用于学校无线广播、电视现场导播、汽车航行、无线演说等场所。
2系统概述
2.1 系统功能要求
设计一个无线调频发射系统,实现语音信号的短距离传输。由于语音业务对误码不敏感，可以采用调频方式发送信息，设计中采用了BH1415F构成音频无线发射电路。无线调频发射器可以在88–98MHz范围内任意设置发射频率，可以预置发射频道，发射频率的最小调整值为0.1MHz，具有单声道/立体声控制，发射距离在20–50米之间。
语音信号采用调频方式与调幅相比，有利于改善输出音频信号的信噪比，以保证语音业务的可靠传输，下表是调幅和调频的优缺点比较：
2.2系统组成
本设计由单片机、键盘、数码显示、调频发射、调频放大和电源模块等六部分组成，系统框图如图2-1所示。通过操作键盘可以设置和更改发射的频率；单片机用于控制数码管显示对应的发射频率和发送频率信号到调频调制电路中；调频发射将输入的音频信号调制后通过载波发送出去；数码管用于显示发射的频率；调频放大将得到的调制信号进行放大；电源模块则为整个电路提供电源。
3 方案论证与比较
3.1 无线调频发射电路设计方案论证与选择
方案1：采用单片调频发射集成电路组成芯片MC2833。它可构成发射高频率信号的功率放大器。电路由音频放大器、可变电抗器、射频振荡器、输出缓冲器以及放大电路构成。由集成芯片MC2833组成的调频发射机，先将语音通过话筒变成音频电压信号送给音频放大器进行音频电压放大，此音频电压信号经耦合电容送给可变电抗的输入端脚3去控制可变电抗，而由可变电抗以及电感、晶体与高频振荡器组成调频振荡电路，产生调频波经缓冲送给两级二倍频放大器。电路实现基本框图如图3-1所示。但由于该芯片涉及到的谐振回路较多，不易统调，因而频率不易控制，导致信号不稳定，容易跑台，实现较为困难。
方案3：采用集成芯片BH1415F及相关电路构成。BH1415F是将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质量比分立元件的电路（如：BA1404、NJM2035等）有很大改进。此电路可实现立体声调频发射，采用了MCU 数据直接频率设定，可设定70-120MHz频率，由于采用了锁相环锁频并与调频发射电路一体化，使发射的频率非常稳定，并且可靠性好，抗干扰能力强，容易实现调频的要求。
综上所述，为了实现中心频率的控制和系统设计的功能要求，本设计选择方案3，即采用集成芯片BH1415F及相关电路构成音频无线发射电路。3.2 压控振荡器方案论证与选择
方案1：采用分立元件构成。利利用低噪声场效应管，用单个变容二极管直接接入振荡回路作为压控器件。
电路是电容三点式振荡器，如图3-3所示。该方法实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易灵活控制[5]。
方案2：采用压控振荡器和变容二极管，及一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变压控振荡的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。
综上所述，方案2具有更优良的特性和更简单的电路构成，所以使用方案2作为本次设计的方案。
4 系统硬件电路的设计
4.1 单片机控制电路
系统采用的微控制器是ATMEL公司生产的低功耗、高性能单片机AT89S52，它有32个外部双向输入/输出 （I/O） 端口，片内含8k bytes的可重复编程的Flash存储器和256 bytes的随机存取数据存储器 （RAM），3个16位可编程定时计数器，1个全双工串行通信口，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
4.2.5 调频调制发射电路的组成
（1）预加重电路
预加重电路是一个非线性的音频放大器，它的内部工作点为1/2Vcc，因为它是非线性放大器，所以输入阻抗取决为内部电阻R3=43 KΩ，预加重时间取决于内部电阻R2=22.7K和外部电容C1=2200p。
（2）限幅电路
限幅电路是由二极管限幅的反相放大器组成，它的内部工作点为1/2 Vcc。
（3）低通滤波电路
低通滤波电路是由二阶低通反馈放大电路组成，它的分频点为15KHz。
具体的公式如下：
Q=0.577、ω0=1.274 、fc=15KHz
R1=R2=R3=Rf=100KΩ （4-1）
Cf=1/ω0 Rf=1/（2πX1.274X15KX100K）=83.28pF （4-2）
C1=3Q Cf =3X0.577X83.28pF=144pF≈150pF （4-3）
C2=Cf/3Q=83.28p/(3X0.577)=48≈50pF （4-4）
（4）立体声调制电路
音频信号从第1脚和第22脚输入后通过预加重电路、限幅电路和低通滤波电路后送到混合器（MPX）中，另外由第13、14脚接入7.6MHz晶体的振荡电路通过200分频后产生的38KHz副载波信号，同时38KHz副载波通2分频产生的19KHz导频信号。音频信号和38KHz的副载波信号被多路复合器进行了平衡调制，产生了一个主信号（L+R）和一个通过DSB 调制的38KHz 副载波信号（L-R），并与19KHz导频信号组成复合信号从第5脚输出。
（5）FM发射电路
FM发射电路采用稳定频率的锁相环系统。这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。调频调制由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是一个锁相环的VCO，立体声复合信号通过它直接进行调频调制。
高频振荡器是由第9脚外部的LC 回路与内部电路组成，振荡信号经过高频放大器从11脚输出，同时输送到锁相环电路进行比较后从第7脚输出一个信号对高频振荡器的值进行修正，确保频率稳定。如果频率超过锁相环设定的频率，第7 脚将输出的电平变高；如果是低于设定频率，它将输出的电平变低；相同的时候，它的电平将不变。4.3 键盘部分
4.3.1 单片机键盘和键盘接口概述
单片机使用的键盘可分为独立式和矩阵式两种。独立式实际上就是一组相互独立的按键，这些按键可直接与单片机的I/O接口连接，其方法是每个按键独占一条口线，接口简单[12]。矩阵式键盘也称行列式键盘，因为键的数目较多，所以键按行列组成矩阵（如图4-6所示）。
按一个键到键的功能被执行主要应包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是哪个键，通过接口电路来实现；另一项是键功能的实现，通过执行中断服务程序来完成。下面来介绍键盘接口问题[13]。
具体来说，键盘接口应完成以下操作功能：
a 键盘扫描，以判定是否有键被按下（称之为“闭合键”）。
b 键识别，以确定闭合键的行列位置。
c 产生闭合键的键码。
d 排除多键、串键（复按）及去抖动。
这些内容通常是以软硬件结合的方式来完成的，即在软件的配合下由接口电路来完成。但具体那些由硬件完成由软件完成，要看接口电路的情况。总的原则是，硬件复杂软件就简单，硬件简单软件就得复杂一些。
4.3.2 单片机键盘接口和键功能的实现
（1） 键盘接口处理内容
① 键扫描
键盘上的键按行列组成矩阵，在行列的交点上都对应有一个键。为判定有无键按下（闭合键）以及被按键的位置，可使用两种方法：扫描法和翻转法，其中
扫描法使用较为普遍。
② 去抖动
当扫描表明有键被按下之后，紧接着应进行去抖动处理。因为常用键盘的键实际上就是一个机械开关结构，被按下时，由于机械接触点的弹性及电压突跳等原因，在触点闭合或断开的瞬间会出现电压抖动，如图4-7所示。抖动时间长短与键的机械特性有关，一般为5～10ms。而键的稳定闭合时间和操作者按键动作有关，大约为十分之几到几秒不等。
4.4 LC振荡电路
LC振荡器起振条件
相位平衡条件：Xce和Xbe必需为同性质的电抗，Xcb必需为异性质的电抗，且它们之间满足下列关系：
即
幅度起振条件：
式中： ——晶体管的跨导，
——反馈系数， AU——放大器的增益，
——晶体管的输入电导，
——晶体管的输出电导，
——晶体管的等效负载电导，
一般在0.1～0.5之间取值。
4.5 调频放大电路
调频放大电路部分采用UPC1651 对调制信号进行放大。
4.6 电源模块设计
4.6.1 单元电源电路设计
为了能够让单片机和调频发射部分更好，更稳定地工作，采用了图4-8所示单元电源电路，由电源变压器、桥堆和滤波电容器所组成。电源变压器的初级电压输入为220V，次级输出电压为12V[15] [16]。
由于单片机所需的是+5V电源，经滤波电容和三端稳压集成电路MC7812后可得到+12V电压，MC7812能将15V～25V的直流电压变换成12V的稳定电压，在12V的电压中含有少量的低频成分和接收外界的高频成分，再经后一级滤波后送三端稳压集成电路7805，7805能将大于7V～15V的直流电压变换成5V的稳定电压。同时由于电流较大导致三端稳压集成电路MC7812和7805过热，为了确保电路工作正常，给两个芯片分别加上散热片。
