無線擴音系統設計解決了布線和移動使用的難題

     無線擴音系統的廣泛應用，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、鄰頻或外界電波干擾，擴音的回輸較大，而且高頻電波輻射大，擴音回輸會對人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數字信號傳輸過程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強。數字無線擴音系統可廣泛應用于教學、會場、現代辦公、家居生活等領域。

工作于2.4 GHz的ISM。頻段有4億個可用地址碼，可通過跳頻詢址技術保證在同一場所同時使用而不串頻。發射信號的頻帶寬度大于所傳信息必需的最小帶寬，而頻帶的展寬是通過擴展功能實現，與所傳信息數據無關，并只有發射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴頻碼進行相關解調來解擴及恢復所傳信息數據。數據被所有的跳頻點所攜帶，如果噪音沒有影響到所有的跳頻點，信息就可以被修復，一定條件下可以有多個系統在同一頻率范圍內共存。文中介紹使用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發器件進行開發的無線智能跳頻數碼擴音器設計方案。利用智能跳頻詢址技術，使發射機可更迅速地自動被接收機識別，任意發射機可以匹配任意接收機，匹配后自動鎖定直至發射機關閉或者離開無線電覆蓋范圍。在無障礙物的直線傳輸條件下輸出功率為5 W、發射和接收有效距離≤60 m。

1 無線擴音系統分析與設計

系統由MCU、發射和接收系統構成。音頻信號由發射端的前端信號處理電路放大后送往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，并將其送至MCU內部的TIMER1進行PWM調制，然后輸出至外部低通濾波器，最后還原得到相應的音頻信號。系統原理如圖1所示。


1.1 無線擴音系統主控MCU模塊

MCU選用AVR系列的ATmega8，其是基于增強AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega8的數據吞吐率達1 MIPS/MHz，16 MHz時性能達16 MIPS，因此可緩減系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調制輸出的定時器、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 無線擴音系統RF模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于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、調制器等功能模塊，并融合了增強型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，以避開干擾、完成傳輸。總之，跳頻技術FHSS不是抑制干擾而是容忍干擾。由于載波頻率是跳變，具有抗高頻及部分帶寬干擾的能力，當跳變的頻率數目足夠多和跳頻帶寬足夠寬時，其抗干擾能力較強。利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的作用，從而使系統具有抗多徑衰落的能力。利用跳頻圖案的正交性可構成跳頻碼分多址系統，共享頻譜資源，并具有承受過載的能力。

1.3 無線擴音系統音頻放大

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用于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，后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 無線擴音系統電源穩壓

LDO選用PAM3101，為正向線性穩壓器系列，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封裝對于便攜式和發射設備具有吸引力。熱關閉和電流限制可防止器件在極端的工作環境下失效。

2 無線擴音系統接口設計

2.1 無線擴音系統發射端系統接口

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工作于時鐘加倍模式，可使SPI時鐘頻率達8 MHz。內部A/D工作時鐘通過64分頻后為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。每次完成轉換后將觸發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。由于發射端RF模塊工作于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干擾，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。