基于A(yíng)Tmega8的無(wú)線(xiàn)擴音系統設計

　　無(wú)線(xiàn)擴音系統的廣泛應用，解決了實(shí)際工程中的布線(xiàn)和移動(dòng)使用的難題。無(wú)線(xiàn)傳輸方式也從傳統的U段、V段無(wú)線(xiàn)擴音發(fā)展到今天的紅外線(xiàn)、藍牙和2.4 GHz頻段的無(wú)線(xiàn)數字傳輸方式。傳統的模擬信號無(wú)線(xiàn)擴音設備發(fā)射器的使用會(huì )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(huì )對人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數字信號傳輸過(guò)程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強。數字無(wú)線(xiàn)擴音系統可廣泛應用于教學(xué)、會(huì )場(chǎng)、現代辦公、家居生活等領(lǐng)域。

　　工作于2.4 GHz的ISM。頻段有4億個(gè)可用地址碼，可通過(guò)跳頻詢(xún)址技術(shù)保證在同一場(chǎng)所同時(shí)使用而不串頻。發(fā)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(guò)擴展功能實(shí)現，與所傳信息數據無(wú)關(guān)，并只有發(fā)射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴頻碼進(jìn)行相關(guān)解調來(lái)解擴及恢復所傳信息數據。數據被所有的跳頻點(diǎn)所攜帶，如果噪音沒(méi)有影響到所有的跳頻點(diǎn)，信息就可以被修復，一定條件下可以有多個(gè)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(fā)器件進(jìn)行開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)智能跳頻數碼擴音器設計方案。利用智能跳頻詢(xún)址技術(shù)，使發(fā)射機可更迅速地自動(dòng)被接收機識別，任意發(fā)射機可以匹配任意接收機，匹配后自動(dòng)鎖定直至發(fā)射機關(guān)閉或者離開(kāi)無(wú)線(xiàn)電覆蓋范圍。在無(wú)障礙物的直線(xiàn)傳輸條件下輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離≤60 m。

　　1 系統分析與設計

　　系統由MCU、發(fā)射和接收系統構成。音頻信號由發(fā)射端的前端信號處理電路放大后送往MCU內部A/D進(jìn)行采樣，MCU將采樣所得數據打包通過(guò)RF模塊發(fā)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(jìn)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 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(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega8的數據吞吐率達1 MIPS/MHz，16 MHz時(shí)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(shí)器、512 Byte的EEPROM。其內部資源能滿(mǎn)足發(fā)射端和接收端MCU的要求。

　　1.2 RF模塊

　　nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)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(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置?？蛇M(jìn)行地址及CRC檢驗功能。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA;接收時(shí)，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(fā)雙方傳輸信號的載波按照預定規律進(jìn)行離散變化，以避開(kāi)干擾、完成傳輸?？傊?，跳頻技術(shù)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(shí)，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(guò)載的能力。

　　1.3 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(fēng)輸入信號的放大，放大倍數為10倍。其中R8給麥克風(fēng)提供直流偏置，經(jīng)過(guò)C17耦合至運放U5A。R7、R14、R9用于給運放提供一個(gè)虛擬地。如果有3.5 mm的音頻信號接頭插入J5時(shí)，后續電路會(huì )斷開(kāi)和前級放大的連接，從而實(shí)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。