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浅析对讲机电路原理

2017-06-09

  1.当天线接收到信号后,由于信号非常微弱,需要将信号放大,这就需要LNA(低噪声放大器)。然后通过一个射频段的带通滤波器,这里标注为Image Filter(镜像频率抑制滤波器),镜像频率指以载频为中心,与有用信号对称的频率,该频率上的噪声通过混频后会进到中频频率中。

 

  2.通过Image Filter后,信号进入MIXER(混频器)中与LO(本地振荡器)进行混频,并通过一个SAW(表面声波滤波器),只保留中频点的信号,其他频率点的进行衰减。IFAMP(中频放大器)将中频信号恢复并放大后,再次通过第二个混频器将频率降至450K低频,这时信号就容易被基带部分处理。

 

  3.基带部分:FMDET,鉴频器,将调制信号恢复出音频信号,但这时的信号效果很差,需要送到音频处理部分处理一下才能得到较好的音效。这部分包括De-emphasis(去加重),Audio Filter(音频滤波器),Adder(暂时没搞清楚),Volume(调节音量),SP AMP(扬声器放大器,提供大功率,推动大负载),SPEAKER(扬声器)。

 

  4.发送部分,人的话音被MIC(麦克风)转成电信号,通过Pre-emphasis(预加重)和MIC AMP后送到Audio Filter中滤波,在通过Limiter(限幅器)整形,之后通过Splatter Filter(泼溅滤波器)滤掉Limiter产生的谐波。注意,这时是低频信号,信号通过VCO(压控振荡器)后将信号调制到高频,再经过TX Amp(发射机放大器)和PA(功率放大器)后就有足够的能量被发射出去了。

 

  这个结构是传统的超外差(Superheterodyne)结构,该结构特点是有两个中间频率,抑制干扰能力较强,不足之处是由于需要两组中频器件,使得成本较高。

 

  5.MCU(微控制器)控制部分:主要有三个部分,CTCSS信令处理,Call Tone信号(呼叫对方),Key Touch Tone信号(按键)。

浅析对讲机电路原理

  CTCSS介绍

 

  CTCSS是Continuous Tone Control Squelch System(连续语音控制静噪系统)的缩写,频率范围是67Hz - 254Hz,俗称亚音频。它由Motorola发明,注册商标为PL(Private Line, 私人话路的缩写), 目的在于能够让多个人在同一频率上使用Land Mobile(陆基移动终端,如手机,对讲机等)。民用对讲机制造商用Tone代表编码,用Tone Squelch表示编码/解码。

 

  CTCSS以频率作为编码,这种编码被加到音频信号上一同发射。接收端在接收音频信号以前先解码,送到MCU中,只有收发双方的Tone码相同,又在一个频道上才可以通信,否则静音。这样就可以和指定的人通信而不用受到不相干呼叫的干扰。

 

  由于CTCSS信号的高频端与音频的地频端接近,因此如果没有专门的Tone Filter的话,人还是可以听的出来,不过大部分人都把它误当作电源噪声了。

 

  从电路实现方面看,它从MCU出来后先经过一级Tone Filter滤掉高频噪音,之后与音频信号一起进入发送电路。在接收端,解调出的信号通过Tone Filter后经过比较器,将模拟信号转成数字信号,送到MCU中检查是否为同一编码,相同则允许信号进入扬声器,否则静音。

 

  有的对讲机会采用CDCSS(连续数字控制静噪系统),它的功能与CTCSS一样,只是它以数字方式实现编码,允许用户使用38/35个Private Code。

 

  VOX介绍

 

  与手机不同的是,对讲机发送话音一般需要按键发射,这个键叫做PTT(Push to Hold,一键通),。如果该键被按下,则Splatter Filter与VCO接通,否则话音无法到达发射端。为了避免长时间按键的烦恼,对讲机现在都具有了VOX(Voice Operation,声控)功能,通过VOX, 人的话音可以控制Splatter Filter与VCO的连通。

 

  VOX具有灵敏度等级,等级越高越灵敏。如果长时间不通话则会自动中断通话。

 

  对讲机的几种工作模式

 

  1.发送模式:话音被MIC(麦克风)收集,如果VOX功能开启,则信号一路被送到MCU进行判别,另一路在MCU应答后则会送到Splatter Filter, 在那与CTCSS信号会合,一起送到发射电路部分。否则,信号直接和CTCSS信号一起发射出去 。

 

  2.接收模式: 在此模式下,发射通路将会关闭,解调出的信号兵分三路,一路通过Tone Filter和比较器送到MCU,检查是否为同一编码;一路被送到语音处理部分,如果CTCSS编码相同,则通过扬声器发出信号,否则静音;还有一路信号被送到噪声检测电路中,该电路由Noise Amp(噪声放大器), SQ(Squelch Detecter, 静噪检测器)和比较器组成。

 

  该电路控制着Squelch Level(静噪等级),如果用户选择较高的静噪等级,则对讲机的抗干扰能力会很强,不过通信距离将会缩短,反之亦然。

 

  另一方面,SQ还控制着Monitor(监听)功能。通常信号很弱时是不会送到扬声器中(反正听不清),监听就是要听到这种微弱的信号,让SQ关掉,信号直接送到扬声器,用耳朵从噪音中辨别话音。不过监听要消耗很大的能量,一般地,正常收听状态只需要0.18uV/2.5秒的能量注入,监听状态则需要至少0.4uV。

 

  3.Call Tone Mode(呼叫模式):该功能较简单,只是与对方建立联系。一般对讲机都有一个呼叫键,按下该键后将响起振铃声。从电路方面看,MCU接到按键信息后发出Call Tone 信号给扬声器,人们就会听到振铃声。同时, MCU送出CTCSS编码给对方。

 

  4.Key Touch Mode(按键模式):这种模式下,发射通路关闭,如果VoX功能开启,则MIC部分电路保持开启状态,否则也关闭。Noise Detect部分开启,收集噪声信息。按键后,信号将送到扬声器,发出按键音。

 

  3.第二级中频放大器IFAMP2与RSSI

 

  这部分电路同时实现了频率解调和幅度解调两种功能,从电路上看作为一个整体。IFAMP2实际上是一个限幅器(LIMITER),目的是消除幅度调制可能引起的频率调制的影响。经过限幅器放大后的信号将会被整形为方波(相当于信号被拦腰截断),这样就消除了幅度信息,只保留了频率和相位信息,在经过FM DET后FM信息将会被恢复,不过这种方法同时引进了高次谐波。

 

  RSSI(Received Signal Strength Indication, 接收信号强度指示器)功能与限幅器互补,RSSI电路可以检测出信号的幅度信息,并反馈到MCU中调整前级增益,特殊情况下,当没有信号时,可以关掉接收电路以节约功耗。因为接收信号的动态范围非常宽,因此RSSI采用对数放大器,该电路的特点是输出信号(单位伏特)与输入信号的对数(单位dBm)呈线性关系。也就是说,当输入信号变化几倍或者十几倍的时候,输出信号只变化了几百个毫伏。

 

  对数放大器一般可分为“真”对数放大器和分段线性对数放大器(Piece-wise-linear Log Amp)两类,前者大家都比较熟悉,利用三极管的Ic与Vbe间的指数关系实现,功能也只是实现对数运算,很多书上都会有介绍,这里就不细说了,主要谈谈后一种放大器。

 

  分段线性对数放大器有两种不同的组成,一种是由A/1模块级联而成,另一种是由A/0模块级联而成;前者应用于视频/基带,后者用于解调。

 

  解调型对数放大器电路由限幅器和Rectifier(整流器)共同组成,限幅器提供限幅输出,将频率和相位信息送到FM解调器;Rectifier则将各级限幅器的输出转化为电流,在通过片外的RC滤波器得到对数输出Vlog。

 

  限幅器自身由多个A/0 GainCell级联构成,A/0 GainCell本身是一个放大器,其特性曲线为一段折线,当输入电压小于Vk(early voltage)时,输出与输入呈线性;超过Vk后输出恒定C扛鯣ainCell可提供十几dB的增益,一般限幅器由五至六级GainCell组成,一般可达到70~80dB的动态范围。

 

  Rectifier(本质是一个跨导放大器,记作gm)可以将从各级GainCell中提取交变的电压信号,将其转变为单向的电流信号并求和,在通过一个RC滤波电路就可以得到对数输出Vlog,其原理如下:

 

  首先请大家注意,小信号条件下跨导放大器的电流与输入电压成正比,但随着信号不断增大,等效跨导(输入电压-输出电流曲线的斜率)也不断见小,直至为零,输出电流逐渐饱和,记作Is。

 

  设C为小信号电流,则C=Gn*Vmin=Gn-1*A*Vmin=Gn-2*A^2*Vmin=…=G1*A^n-1*Vmin,其中Vmin为最小输入电压(再小就被噪声淹没了),A为单级Gaincell的小信号增益, Gn=A*Gn-1=…=A^n-1*G1。设G1=gm,则希望G2=A*gm,…,Gn=A^n-1*gm。利用递推关系得

 

  G1=gm, G2=gm+gm*(A-1)=gm*A, G3=gm+gm*(A-1)+gm*(A-1)*A=gm*A^2,…,Gn=gm+…+gm*(A-1)*A^n-2=gm*A^n-1 。只要令第一级Gaincell的增益为A-1,其余的为A就可以得到对数输出。

 

  为了方便设计,将所有的Gaincell的增益都取为A,则需要令第一级Rectifier的跨导为gm*A/(A-1),其余为gm即可。

 

  如果说预加重和去加重电路是由技术决定的,那么限幅器和泼溅滤波器则是人为的原因而诞生的。

  对于FM信号,幅度的变化可以影响频偏,X(f)=F(f,A),其中的A就代表幅度。在美国,FCC(FederalCommunication Commission,联邦通信委员会)控制着频谱的分配。它将商用对讲机的频率限制在462.2625M ~ 467.7125M(正是这个频段决定了ImageFilter的中心频率为465M,取了个中间值),而且要求非常严格,不能超出这个范围。

 

  公司为了对付这个规定,就想出了个限幅器这种电路,将FM波形拦腰截断,变成方波,也就不存在AM(调幅)了,不过也带出了个BUG,输出信号的高次谐波变得严重了。为了补这个窟窿,人们又发明了泼溅滤波器(Splatter本来是个象声词,个人觉得“泼溅”这个词用的有些牵强)。

 

  图中,滤波器左半部分画的是预加重的曲线,FCC要求泼溅滤波器在3KHz至少要能提供-12dB/十倍频的衰减,事实上,由预加重抬起来的曲线在2.5KHz时就被展平了,得到的频率曲线大致就图中这个样子。

 

  顺便提一下,FCC对民用对讲机的要求没那么严格(当官的怕老百姓?),因此很多的火腿族(民用对讲机用户,英文是HAM,也有火腿的意思)会发现他用的对讲机反而比商用的音效要好,殊不知他用的频率跑到哪里去了。

 

  这两部分连同Splatter Filter一起,对音效的好坏起着非常大的作用。他俩的诞生是由FM特性决定的。

 

  频率调制有一个很重要的性质,就是调制后的信号,高频部分会有衰减,也就是频率越高的部分衰减的越厉害。为了补偿这部分衰减,FM解调器就要设计的能为高频部分提供大的增益,但引出了一个问题,高频噪声也被放大了,严重影响了音效。(图见Diagram1)

 

  为了解决这个问题,人们使用了预加重和去加重电路。主要思想是先人为的放大信号的高频分量,再在解调后将这部分连同噪声一起消除掉。(见Diagram2)

 

  将音频信号在调制前先通过预加重电路提高高频部分,预加重电路由一个电阻电容串联电路组成,它可以视为一个微分器,将FM转成PM(相位调制),后者与FM不同之处在于它的响应曲线随频率的升高而升高,一般6dB/十倍频。这也是为什么早期人们用PM而不是FM的一个原因。

 

  信号在解调以后需要通过一个低通滤波器将解调器放大的那部分噪声衰减掉,而这个低通滤波器就叫去加重,它就是一个典型的无源RC滤波器,它可以提供6dB/十倍频的衰减,令信号幅度相应曲线平滑。