一種優化的無線音頻收發擴音系統設計

周健 劉婷 王藝超 劉星

摘 要：文中設計了一種無線音頻收發擴音系統，利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關與射極跟隨器進行選頻，優化了集成芯片的調節方式，使系統頻率在88～108 MHz區間可調，調整間隔可自行設定。另外，在接收部分使用兩個獨立的運放單元，可單獨控制每一聲道的聲音效果，信號疊加后，通過功放電路將信號放大，從而使兩個無線話筒發射出聲音信號混音與擴音效果，大大降低了系統的復雜程度，增加了系統的可控性。

關鍵詞：無線話筒;SP7021F芯片;無線接收;音頻混合;工作頻率 ;選頻

中圖分類號：TP39;TN924文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）09-00-03

0 引 言

隨著無線電子及通信技術的發展，無線設備的發送設備已十分普遍，而無線話筒因采用無線電波工作，在使用過程中可以移動，因此適應多種場合[1]。盡管目前對于無線話筒的研究較為廣泛，但在雙話筒混頻放大方面的研究仍然不多，本系統所制作的發射機頻率在88～108 MHz范圍內可調。目前市面上存在的可調模塊多為BH1417F集成芯片與外圍電路，但模塊實際可調區間為87.7～88.9 MHz與106.7～107.9 MHz，調整間隔為200 kHz則不可調，這不僅會導致頻道利用率降低，調整間隔過大，且不可調也會直接影響該話筒的實用性。我們的方案極大地優化了此類可調模塊的弊端。本系統的有效通話距離超過10 m，兩支發射機的載波頻率同時使用，可實現兩支話筒分別擴音或混音擴音。

1 系統方案

1.1 系統構成

無線話筒擴音系統主要由兩個發射機和一個接收機構成。發射機主要由采集放大電路、克拉潑（clapp）電路、選頻電路以及三極管射極跟隨器組成。接收機的電路核心為單片收音機集成電路SC1088，主要包含FM信號輸入、本振調諧電路、中頻放大、限幅與鑒頻電路、功率放大電路[2]。通過MIC（咪頭）與音頻輸入電路采集音頻信號，通過發射機的音頻放大電路將音頻信號進行放大，之后音頻信號通過鎖環調制電路對音頻信號進行調制，最后通過高頻功率放大器將音頻信號進行放大，通過天線發送到接收機，接收機通過FM信號輸入電路接收信號，之后通過本振調諧電路穩定接收發射機所發出的音頻信號，再送到鑒頻器檢出音頻信號，最后將信號通過功放電路從喇叭放出。系統的總體構成如圖1所示。

1.2 無線話筒頻率段區間可調實現方案

利用克拉潑振蕩電路、自鎖開關與射極跟隨器選頻。經過試驗后找到合適大小的電容阻值，我們可以直接通過自鎖按鍵對頻率進行調整，便可實現200 kHz頻率間隔及其他頻率間隔。

2 硬件電路設計

2.1 發射機電路及其實現原理

無線話筒的原理如圖2所示。

（1）通過MIC（咪頭）采集音頻信號，再通過一級放大電路將聲音信號進行放大。

（2）通過克拉潑（Clapp）振蕩電路對音頻信號進行處理，將處理后的信號加到載波上然后通過調整電容改變載波頻率，通過頻率計測量載波頻率。

（3）將調整頻率后的信號經射極跟隨器后通過天線向外發出。信號由三極管基極輸入，從發射極輸出。

2.2 接收機電路及其實現原理

通過采用以SP7021F芯片為核心的電路實現接收機的功能。接收機實物如圖3所示。

LM386音頻功率放大器輸入端為差分放大器形式，輸出端由于采用了OTL電路形式，因此輸出端靜態電壓被自動偏置到電源電壓的一半，使得LM386適用于電池供電場合[3]。我們使用喇叭對放大后的信號進行播放，從而模擬會場擴音的效果。

系統選用LM324四路運算集成電路。LM324內部集成有4個獨立的運放單元，由于每個運放單元的集成電路都具有放大功能，因此可使用其中兩個獨立運放單元將不同頻率的聲音信號進行疊加，再通過一個獨立單元將信號合并，最后通過功放電路將信號放大，從而達到聲音信號混音與擴音的效果。混音、擴音電路如圖4所示。

3 系統理論分析與計算

3.1 調頻接收機參數分析及設計

本部分選用的芯片為SP7021F，使用3 V電壓供電，在信號處理部分選擇基于LM386的音頻功率放大電路與基于LM324的混擴音電路。LM386的主要參數：電源電壓VCC=4～12 V，輸入電阻Ri≈50 kΩ，輸出電阻Ro≈1 Ω，放大倍數為20～200且可調，使用104瓷片電容作為輸入耦合電容，使用1 000 μF電容作為電源濾波電容，使用104瓷片電容作為去耦電容，直流靜態電流為4 mA[4]。借助LM324的輸入電壓變化量與輸入電流變化量之比衡量運放質量RiUi/Ii。分別在兩個輸入端口接入200 Ω電阻為運放電路提供偏置電壓，兩個輸入端的輸入信號通過功放電路進行疊加，最終通過音頻放大電路輸出。

3.2 無線話筒區間可調參數分析及設計

本部分音頻信號先通過一級放大電路，因此選用22 nF電容對信號進行濾波，再通過克拉潑電路進行二級放大，測定可滿足最小量檔值的電容，頻率為200 kHz。測得電容值為0.375 pF時與頻率200 kHz最接近，故將0.375 pF作為200 kHz頻率的一個量檔，之后自鎖開關對應的電容值以2倍

速率遞增，通過調節電容值達到理想頻點。當把與按鍵相接的電容全部斷開后，調整載波頻率，使其達到108 MHz，此時的頻率值即為最大值，按下自鎖開關，并聯相應200 kHz量檔的電容，從而降低200 kHz頻率。在射極跟隨器部分，使用100 kΩ的基極電阻使其靜態工作點穩定在1.5 V。

為了保證芯片正常鎖住頻點，系統使用壓控振蕩器。系統采用普通的磁芯可調式電感，電感量標稱值為30～60 nH，變容二極管的電容隨偏置電壓的變化而改變，其極限范圍為7～35 pF。

4 系統測試方案及結果

4.1 測試環境

本項目的開發環境為Proteus8和DXP，使用有50 MHz～1.3 GHz頻率計、信號發生器、示波器和直流穩壓電源。為了使測試結果更明顯，在88～108 MHz范圍內以200 kHz為間隔進行測量。

4.2 測試過程

（1）無線話筒頻率調整測試

制作電路板后，在電路板上的電源接口接入3 V直流電，通過頻率計連接至發射機天線測得的無線話筒載波頻率可在88～108 MHz間任意設定，頻道頻率間隔為200 kHz，該頻率通過板子上的多個自鎖開關選擇設定。

（2）調頻接收機測試

通過高頻頻率計對無線話筒的發射頻率進行測定，測定后將我們制作的接收機也調到相同頻率，之后由測試人員對無線話筒說話，我們可以從接收機外界的喇叭清晰聽到測試人員的說話聲。

（3）通信距離測試

在室外空曠的區域進行測量，一名實驗人員在原地觀察接收機發聲，另一名實驗人員攜帶發射機一邊遠離發射機，一邊說話，直至在接收端不能接收到聲音停止，記錄兩名實驗人員之間的距離。

4.3 測試結果及分析

選取幾個頻段進行距離測量，測量結果記錄見表1所列。

根據選取頻率的測量范圍可以得到，該無線話筒的通信范圍超10 m。

5 結 語

通過以上測試結果可知，該系統可以較好地實現頻率范圍的選擇及設定，可實現無線信號的混音與擴音，通信范圍超10 m。

參 考 文 獻

[1]王博巖.廣播無線話筒和接收裝置研究[J].傳播創新研究，2018（15）：77-78.

[2]李華.無線話筒裝置設計[J].設計與研發，2017（1）：7-8.

[3]陽昌漢.高頻電子線路[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012.

[4]陳光夢.模擬電子學基礎[M].上海：復旦大學出版社，2005.

[5]吳世俊，樊祥，陳衛.用BH1417芯片實現FM無線發射電路[J].電子技術，2007（4）： 52-54.

[6]王魯云，于海霞.模擬電路原理、設計及應用[M].北京：清華大學出版社，2017.

[7]韓偉，王艷秋，江超.BH1417鎖相環調頻廣播發射器設計[J].中國科技信息，2015（5）： 191-192.

[8]邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，2006.

[9]王曉鵬.領夾式晶振穩頻FM調頻無線話筒[N].電子報.2015-03-01（004）.

[10]葉仁春，陸云龍，張會銘，等.無線話筒頻道搜索/監聽與頻道鎖定方法[J].實驗室研究與探索，2010，29（12）：38-40.

[11]王博巖.廣播用無線話筒和接收裝置研究[J].科技傳播，2018（15）：77-78.

[12]石歐陽.無線話筒的新式設計[J].信息通信，2018（9）：59-61.

[13]黃新華，謝冬雪.多媒體會議室無線信號干擾問題研究[J].無線互聯科技，2017（9）：12-14.

[14]張曉燕.無線話筒的原理與使用[J].科技傳播，2016（20）：101.

[15]樊昌信，曹麗娜.通信原理[M].北京：國防工業出版社，2012.