無線擴音係統設計解決了布線和移動使用的難題

     無線擴音係統的廣泛應用，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(lin)頻(pin)或(huo)外(wai)界(jie)電(dian)波(bo)幹(gan)擾(rao)，擴(kuo)音(yin)的(de)回(hui)輸(shu)較(jiao)大(da)
，而(er)且(qie)高(gao)頻(pin)電(dian)波(bo)輻(fu)射(she)大(da)，擴(kuo)音(yin)回(hui)輸(shu)會(hui)對(dui)人(ren)的(de)耳(er)膜(mo)造(zao)成(cheng)一(yi)定(ding)的(de)傷(shang)害(hai)。音(yin)頻(pin)在(zai)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)受(shou)幹(gan)擾(rao)的(de)可(ke)能(neng)性(xing)小(xiao)、抗幹擾能力強。數字無線擴音係統可廣泛應用於教學、會場、現代辦公
、家居生活等領域。

工作於2.4 GHz的ISM。頻段有4億(yi)個(ge)可(ke)用(yong)地(di)址(zhi)碼(ma)，可(ke)通(tong)過(guo)跳(tiao)頻(pin)詢(xun)址(zhi)技(ji)術(shu)保(bao)證(zheng)在(zai)同(tong)一(yi)場(chang)所(suo)同(tong)時(shi)使(shi)用(yong)而(er)不(bu)串(chuan)頻(pin)。發(fa)射(she)信(xin)號(hao)的(de)頻(pin)帶(dai)寬(kuan)度(du)大(da)於(yu)所(suo)傳(chuan)信(xin)息(xi)必(bi)需(xu)的(de)最(zui)小(xiao)帶(dai)寬(kuan)
，而(er)頻(pin)帶(dai)的(de)展(zhan)寬(kuan)是(shi)通(tong)過(guo)擴(kuo)展(zhan)功(gong)能(neng)實(shi)現(xian)，與(yu)所(suo)傳(chuan)信(xin)息(xi)數(shu)據(ju)無(wu)關(guan)
，並(bing)隻(zhi)有(you)發(fa)射(she)器(qi)和(he)接(jie)收(shou)器(qi)知(zhi)道(dao)

，在(zai)接(jie)收(shou)端(duan)則(ze)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)擴(kuo)頻(pin)碼(ma)進(jin)行(xing)相(xiang)關(guan)解(jie)調(tiao)來(lai)解(jie)擴(kuo)及(ji)恢(hui)複(fu)所(suo)傳(chuan)信(xin)息(xi)數(shu)據(ju)。數(shu)據(ju)被(bei)所(suo)有(you)的(de)跳(tiao)頻(pin)點(dian)所(suo)攜(xie)帶(dai)，如(ru)果(guo)噪(zao)音(yin)沒(mei)有(you)影(ying)響(xiang)到(dao)所(suo)有(you)的(de)跳(tiao)頻(pin)點(dian)，信(xin)息(xi)就(jiu)可(ke)以(yi)被(bei)修(xiu)複(fu)，一(yi)定(ding)條(tiao)件(jian)下(xia)可(ke)以(yi)有(you)多(duo)個(ge)係(xi)統(tong)在(zai)同(tong)一(yi)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)內(nei)共(gong)存(cun)。文(wen)中(zhong)介(jie)紹(shao)使(shi)用(yong)ATmega8 MCU和nRF24L01射(she)頻(pin)收(shou)發(fa)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)開(kai)發(fa)的(de)無(wu)線(xian)智(zhi)能(neng)跳(tiao)頻(pin)數(shu)碼(ma)擴(kuo)音(yin)器(qi)設(she)計(ji)方(fang)案(an)。利(li)用(yong)智(zhi)能(neng)跳(tiao)頻(pin)詢(xun)址(zhi)技(ji)術(shu)，使(shi)發(fa)射(she)機(ji)可(ke)更(geng)迅(xun)速(su)地(di)自(zi)動(dong)被(bei)接(jie)收(shou)機(ji)識(shi)別(bie)
，任(ren)意(yi)發(fa)射(she)機(ji)可(ke)以(yi)匹(pi)配(pei)任(ren)意(yi)接(jie)收(shou)機(ji)
，匹(pi)配(pei)後(hou)自(zi)動(dong)鎖(suo)定(ding)直(zhi)至(zhi)發(fa)射(she)機(ji)關(guan)閉(bi)或(huo)者(zhe)離(li)開(kai)無(wu)線(xian)電(dian)覆(fu)蓋(gai)範(fan)圍(wei)。在(zai)無(wu)障(zhang)礙(ai)物(wu)的(de)直(zhi)線(xian)傳(chuan)輸(shu)條(tiao)件(jian)下(xia)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)為(wei)5 W、發射和接收有效距離≤60 m。

1 無線擴音係統分析與設計

係統由MCU、發射和接收係統構成。音頻信號由發射端的前端信號處理電路放大後送往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，並將其送至MCU內部的TIMER1進行PWM調製
，然後輸出至外部低通濾波器，最後還原得到相應的音頻信號。係統原理如圖1所示。


1.1 無線擴音係統主控MCU模塊

MCU選用AVR係列的ATmega8，其是基於增強AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控製器。由於其先進的指令集以及單時鍾周期指令執行時間，ATmega8的數據吞吐率達1 MIPS/MHz
，16 MHz時性能達16 MIPS，因此可緩減係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調製輸出的定時器、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 無線擴音係統RF模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件
，工作於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、調製器等功能模塊，並融合了增強型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，以避開幹擾、完成傳輸。總之，跳頻技術FHSS不bu是shi抑yi製zhi幹gan擾rao而er是shi容rong忍ren幹gan擾rao。由you於yu載zai波bo頻pin率lv是shi跳tiao變bian，具ju有you抗kang高gao頻pin及ji部bu分fen帶dai寬kuan幹gan擾rao的de能neng力li
，當dang跳tiao變bian的de頻pin率lv數shu目mu足zu夠gou多duo和he跳tiao頻pin帶dai寬kuan足zu夠gou寬kuan時shi

，其qi抗kang幹gan擾rao能neng力li較jiao強qiang。利li用yong載zai波bo頻pin率lv的de快kuai速su跳tiao變bian，具ju有you頻pin率lv分fen集ji的de作zuo用yong，從cong而er使shi係xi統tong具ju有you抗kang多duo徑jing衰shuai落luo的de能neng力li。利li用yong跳tiao頻pin圖tu案an的de正zheng交jiao性xing可ke構gou成cheng跳tiao頻pin碼ma分fen多duo址zhi係xi統tong，共gong享xiang頻pin譜pu資zi源yuan，並bing具ju有you承cheng受shou過guo載zai的de能neng力li。

1.3 無線擴音係統音頻放大

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用於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，後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 無線擴音係統電源穩壓

LDO選用PAM3101，為正向線性穩壓器係列，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封裝對於便攜式和發射設備具有吸引力。熱關閉和電流限製可防止器件在極端的工作環境下失效。

2 無線擴音係統接口設計

2.1 無線擴音係統發射端係統接口

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工作於時鍾加倍模式，可使SPI時鍾頻率達8 MHz。內部A/D工作時鍾通過64分頻後為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。每次完成轉換後將觸發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。由於發射端RF模塊工作於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幹擾，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。