【轉】談談我對對講機(Walkie Talkie)電路的理解

在EETCHINA論壇上看到這篇圖文俱佳的精華帖,忍不住轉載到這裏,好好拜讀---

電路簡單圖解

1、當天線接收到信號後,由於信號非常微弱,需要將信號放大,這就需要LNA(低噪聲放大器)。然後通過一個射頻段的帶通濾波器,這裏標註爲Image Filter(鏡像頻率抑制濾波器),鏡像頻率指以載頻爲中心,與有用信號對稱的頻率,該頻率上的噪聲通過混頻後會進到中頻頻率中。


2、通過Image Filter後,信號進入MIXER(混頻器)中與LO(本地振盪器)進行混頻,並通過一個SAW(表面聲波濾波器),只保留中頻點的信號,其他頻率點的 進行衰減。IFAMP(中頻放大器)將中頻信號恢復並放大後,再次通過第二個混頻器將頻率降至450K低頻,這時信號就容易被基帶部分處理。


3、基帶部分:

        FMDET,鑑頻器,將調製信號恢復出音頻信號,但這時的信號效果很差,需要送到音頻處理部分處理一下才能得到較好的音效。這部分包括De- emphasis(去加重),Audio Filter(音頻濾波器),Adder(暫時沒搞清楚),Volume(調節音量),SP AMP(揚聲器放大器,提供大功率,推動大負載),SPEAKER(揚聲器)。


4、發送部分:

        人的話音被MIC(麥克風)轉成電信號,通過Pre-emphasis(預加重)和MIC AMP後送到Audio Filter中濾波,在通過Limiter(限幅器)整形,之後通過Splatter Filter(潑濺濾波器)濾掉Limiter產生的諧波。注意,這時是低頻信號,信號通過VCO(壓控振盪器)後將信號調製到高頻,再經過TX Amp(發射機放大器)和PA(功率放大器)後就有足夠的能量被髮射出去了。
        這個結構是傳統的超外差(Superheterodyne)結構,該結構特點是有兩個中間頻率,抑制干擾能力較強,不足之處是由於需要兩組中頻器件,使得成本較高。


5、MCU(微控制器)控制部分:

         主要有三個部分,CTCSS信令處理,Call Tone信號(呼叫對方),Key Touch Tone信號(按鍵)。

CTCSS介紹
        CTCSS是Continuous Tone Control Squelch System(連續語音控制靜噪系統)的縮寫,頻率範圍是67Hz - 254Hz,俗稱亞音頻。它由Motorola發明,註冊商標爲PL(Private Line, 私人話路的縮寫), 目的在於能夠讓多個人在同一頻率上使用Land Mobile(陸基移動終端,如手機,對講機等)。民用對講機制造商用Tone代表編碼,用Tone Squelch表示編碼/解碼。
        CTCSS以頻率作爲編碼,這種編碼被加到音頻信號上一同發射。接收端在接收音頻信號以前先解碼,送到MCU中,只有收發雙方的Tone碼相同,又在一個頻道上纔可以通信,否則靜音。這樣就可以和指定的人通信而不用受到不相干呼叫的干擾。
        由於CTCSS信號的高頻端與音頻的地頻端接近,因此如果沒有專門的Tone Filter的話,人還是可以聽的出來,不過大部分人都把它誤當作電源噪聲了。
       從電路實現方面看,它從MCU出來後先經過一級Tone Filter濾掉高頻噪音,之後與音頻信號一起進入發送電路。在接收端,解調出的信號通過Tone Filter後經過比較器,將模擬信號轉成數字信號,送到MCU中檢查是否爲同一編碼,相同則允許信號進入揚聲器,否則靜音。
       有的對講機會採用CDCSS(連續數字控制靜噪系統),它的功能與CTCSS一樣,只是它以數字方式實現編碼,允許用戶使用38/35個Private Code。

VOX介紹
       與手機不同的是,對講機發送話音一般需要按鍵發射,這個鍵叫做PTT(Push to Hold,一鍵通),。如果該鍵被按下,則Splatter Filter與VCO接通,否則話音無法到達發射端。爲了避免長時間按鍵的煩惱,對講機現在都具有了VOX(Voice Operation,聲控)功能,通過VOX, 人的話音可以控制Splatter Filter與VCO的連通。
       VOX具有靈敏度等級,等級越高越靈敏。如果長時間不通話則會自動中斷通話。


對講機的幾種工作模式
1、發送模式:

       話音被MIC(麥克風)收集,如果VOX功能開啓,則信號一路被送到MCU進行判別,另一路在MCU應答後則會送到Splatter Filter, 在那與CTCSS信號會合,一起送到發射電路部分。否則,信號直接和CTCSS信號一起發射出去 。

2、接收模式:

       在此模式下,發射通路將會關閉,解調出的信號兵分三路,一路通過Tone Filter和比較器送到MCU,檢查是否爲同一編碼;一路被送到語音處理部分,如果CTCSS編碼相同,則通過揚聲器發出信號,否則靜音;還有一路信號 被送到噪聲檢測電路中,該電路由Noise Amp(噪聲放大器), SQ(Squelch Detecter, 靜噪檢測器)和比較器組成。
        該電路控制着Squelch Level(靜噪等級),如果用戶選擇較高的靜噪等級,則對講機的抗干擾能力會很強,不過通信距離將會縮短,反之亦然。
        另一方面,SQ還控制着Monitor(監聽)功能。通常信號很弱時是不會送到揚聲器中(反正聽不清),監聽就是要聽到這種微弱的信號,讓SQ關掉,信號 直接送到揚聲器,用耳朵從噪音中辨別話音。不過監聽要消耗很大的能量,一般地,正常收聽狀態只需要0.18uV/2.5秒的能量注入,監聽狀態則需要至少 0.4uV。

3、Call Tone Mode(呼叫模式):

       該功能較簡單,只是與對方建立聯繫。一般對講機都有一個呼叫鍵,按下該鍵後將響起振鈴聲。從電路方面看,MCU接到按鍵信息後發出Call Tone 信號給揚聲器,人們就會聽到振鈴聲。同時, MCU送出CTCSS編碼給對方。

4、Key Touch Mode(按鍵模式):

       這種模式下,發射通路關閉,如果VoX功能開啓,則MIC部分電路保持開啓狀態,否則也關閉。Noise Detect部分開啓,收集噪聲信息。按鍵後,信號將送到揚聲器,發出按鍵音。


幾個重要電路的介紹
1、Pre-emphasis & De-emphasis,預加重和去加重

       這兩部分連同Splatter Filter一起,對音效的好壞起着非常大的作用。他倆的誕生是由FM特性決定的。
       頻率調製有一個很重要的性質,就是調製後的信號,高頻部分會有衰減,也就是頻率越高的部分衰減的越厲害。爲了補償這部分衰減,FM解調器就要設計的能爲高 頻部分提供大的增益,但引出了一個問題,高頻噪聲也被放大了,嚴重影響了音效。(圖見Diagram1)
       爲了解決這個問題,人們使用了預加重和去加重電路。主要思想是先人爲的放大信號的高頻分量,再在解調後將這部分連同噪聲一起消除掉。(見Diagram2)
       將音頻信號在調製前先通過預加重電路提高高頻部分,預加重電路由一個電阻電容串聯電路組成,它可以視爲一個微分器,將FM轉成PM(相位調製),後者與 FM不同之處在於它的響應曲線隨頻率的升高而升高,一般6dB/十倍頻。這也是爲什麼早期人們用PM而不是FM的一個原因。
       信號在解調以後需要通過一個低通濾波器將解調器放大的那部分噪聲衰減掉,而這個低通濾波器就叫去加重,它就是一個典型的無源RC濾波器,它可以提供6dB/十倍頻的衰減,令信號幅度相應曲線平滑。

2、Limiter & Splatter Filter,限幅器和潑濺濾波器

        如果說預加重和去加重電路是由技術決定的,那麼限幅器和潑濺濾波器則是人爲的原因而誕生的。
        對於FM信號,幅度的變化可以影響頻偏,X(f)=F(f,A),其中的A就代表幅度。在美國,FCC(Federal Communication Commission,聯邦通信委員會)控制着頻譜的分配。它將商用對講機的頻率限制在462.2625M ~ 467.7125M(正是這個頻段決定了Image Filter的中心頻率爲465M,取了箇中間值),而且要求非常嚴格,不能超出這個範圍。
       公司爲了對付這個規定,就想出了個限幅器這種電路,將FM波形攔腰截斷,變成方波,也就不存在AM(調幅)了,不過也帶出了個BUG,輸出信號的高次諧波變得嚴重了。爲了補這個窟窿,人們又發明了潑濺濾波器。
       圖中,濾波器左半部分畫的是預加重的曲線,FCC要求潑濺濾波器在3KHz至少要能提供-12dB/十倍頻的衰減,事實上,由預加重擡起來的曲線在2.5KHz時就被展平了,得到的頻率曲線大致就圖中這個樣子。
        順便提一下,FCC對民用對講機的要求沒那麼嚴格(當官的怕老百姓?),因此很多的火腿族(民用對講機用戶,英文是HAM,也有火腿的意思)會發現他用的對講機反而比商用的音效要好,殊不知他用的頻率跑到哪裏去了。

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