如何设计无线音频收发扩音系统

　　本文设计了一种无线音频收发扩音系统，利用克拉泼振荡电路、自锁开关与射极跟随器进行选频，优化了集成芯片的调节方式，使系统频率在88～108 MHz区间可调，调整间隔可自行设定。另外，在接收部分使用两个独立的运放单元，可单独控制每一声道的声音效果，信号叠加后，通过功放电路将信号放大，从而使两个无线话筒发射出声音信号混音与扩音效果，大大降低了系统的复杂程度，增加了系统的可控性。

　　随着无线电子及通信技术的发展，无线设备的发送设备已十分普遍，而无线话筒因采用无线电波工作，在使用过程中可以移动，因此适应多种场合［1］。尽管目前对于无线话筒的研究较为广泛，但在双话筒混频放大方面的研究仍然不多，本系统所制作的发射机频率在88～108 MHz范围内可调。目前市面上存在的可调模块多为BH1417F集成芯片与外围电路，但模块实际可调区间为87.7～88.9 MHz与106.7～107.9 MHz，调整间隔为200 kHz则不可调，这不仅会导致频道利用率降低，调整间隔过大，且不可调也会直接影响该话筒的实用性。我们的方案极大地优化了此类可调模块的弊端。本系统的有效通话距离超过10 m，两支发射机的载波频率同时使用，可实现两支话筒分别扩音或混音扩音。

　　1无线音频收发扩音系统方案

　　1.1系统构成

　　无线话筒扩音系统主要由两个发射机和一个接收机构成。发射机主要由采集放大电路、克拉泼（clapp）电路、选频电路以及三极管射极跟随器组成。接收机的电路核心为单片收音机集成电路SC1088，主要包含FM信号输入、本振调谐电路、中频放大、限幅与鉴频电路、功率放大电路［2］。通过MIC（咪头）与音频输入电路采集音频信号，通过发射机的音频放大电路将音频信号进行放大，之后音频信号通过锁环调制电路对音频信号进行调制，最后通过高频功率放大器将音频信号进行放大，通过天线发送到接收机，接收机通过FM信号输入电路接收信号，之后通过本振调谐电路稳定接收发射机所发出的音频信号，再送到鉴频器检出音频信号，最后将信号通过功放电路从喇叭放出。系统的总体构成如图1所示。

　　1.2无线话筒频率段区间可调实现方案

　　利用克拉泼振荡电路、自锁开关与射极跟随器选频。经过试验后找到合适大小的电容阻值，我们可以直接通过自锁按键对频率进行调整，便可实现200 kHz频率间隔及其他频率间隔。

　　2硬件电路设计

　　2.1发射机电路及其实现原理

　　无线话筒的原理如图2所示。

　　（1）通过MIC（咪头）采集音频信号，再通过一级放大电路将声音信号进行放大。

　　（2）通过克拉泼（Clapp）振荡电路对音频信号进行处理，将处理后的信号加到载波上然后通过调整电容改变载波频率，通过频率计测量载波频率。

　　（3）将调整频率后的信号经射极跟随器后通过天线向外发出。信号由三极管基极输入，从发射极输出。

　　2.2接收机电路及其实现原理

　　通过采用以SP7021F芯片为核心的电路实现接收机的功能。接收机实物如图3所示。

　　LM386音频功率放大器输入端为差分放大器形式，输出端由于采用了OTL电路形式，因此输出端静态电压被自动偏置到电源电压的一半，使得LM386适用于电池供电场合［3］。我们使用喇叭对放大后的信号进行播放，从而模拟会场扩音的效果。

　　系统选用LM324四路运算集成电路。LM324内部集成有4个独立的运放单元，由于每个运放单元的集成电路都具有放大功能，因此可使用其中两个独立运放单元将不同频率的声音信号进行叠加，再通过一个独立单元将信号合并，最后通过功放电路将信号放大，从而达到声音信号混音与扩音的效果。混音、扩音电路如图4所示。

　　3无线音频收发扩音系统理论分析与计算

　　3.1调频接收机参数分析及设计

　　本部分选用的芯片为SP7021F，使用3 V电压供电，在信号处理部分选择基于LM386的音频功率放大电路与基于LM324的混扩音电路。LM386的主要参数：电源电压VCC=4～12 V，输入电阻Ri≈50 kΩ，输出电阻Ro≈1Ω，放大倍数为20～200且可调，使用104瓷片电容作为输入耦合电容，使用1 000μF电容作为电源滤波电容，使用104瓷片电容作为去耦电容，直流静态电流为4 mA［4］。借助LM324的输入电压变化量与输入电流变化量之比衡量运放质量RiUi/Ii。分别在两个输入端口接入200Ω电阻为运放电路提供偏置电压，两个输入端的输入信号通过功放电路进行叠加，最终通过音频放大电路输出。

　　3.2无线话筒区间可调参数分析及设计

　　本部分音频信号先通过一级放大电路，因此选用22 nF电容对信号进行滤波，再通过克拉泼电路进行二级放大，测定可满足最小量档值的电容，频率为200 kHz。测得电容值为0.375 pF时与频率200 kHz最接近，故将0.375 pF作为200 kHz频率的一个量档，之后自锁开关对应的电容值以2倍

　　速率递增，通过调节电容值达到理想频点。当把与按键相接的电容全部断开后，调整载波频率，使其达到108 MHz，此时的频率值即为最大值，按下自锁开关，并联相应200 kHz量档的电容，从而降低200 kHz频率。在射极跟随器部分，使用100 kΩ的基极电阻使其静态工作点稳定在1.5 V。

　　为了保证芯片正常锁住频点，系统使用压控振荡器。系统采用普通的磁芯可调式电感，电感量标称值为30～60 nH，变容二极管的电容随偏置电压的变化而改变，其极限范围为7～35 pF。

　　4无线音频收发扩音系统测试方案及结果

　　4.1测试环境

　　本项目的开发环境为Proteus8和DXP，使用有50 MHz～1.3 GHz频率计、信号发生器、示波器和直流稳压电源。为了使测试结果更明显，在88～108 MHz范围内以200 kHz為间隔进行测量。

　　4.2测试过程

　　（1）无线话筒频率调整测试

　　制作电路板后，在电路板上的电源接口接入3 V直流电，通过频率计连接至发射机天线测得的无线话筒载波频率可在88～108 MHz间任意设定，频道频率间隔为200 kHz，该频率通过板子上的多个自锁开关选择设定。

　　（2）调频接收机测试

　　通过高频频率计对无线话筒的发射频率进行测定，测定后将我们制作的接收机也调到相同频率，之后由测试人员对无线话筒说话，我们可以从接收机外界的喇叭清晰听到测试人员的说话声。

　　（3）通信距离测试

　　在室外空旷的区域进行测量，一名实验人员在原地观察接收机发声，另一名实验人员携带发射机一边远离发射机，一边说话，直至在接收端不能接收到声音停止，记录两名实验人员之间的距离。

　　4.3测试结果及分析

　　选取几个频段进行距离测量，测量结果记录见表1所列。

　　根据选取频率的测量范围可以得到，该无线话筒的通信范围超10 m。

　　5结语

　　通过以上测试结果可知，无线音频收发扩音系统可以较好地实现频率范围的选择及设定，可实现无线信号的混音与扩音，通信范围超10 m。