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凯发K8官网首页登录|吉田亜咲|对讲机电路原理分析:看不懂电路图不是合格的HAM

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

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

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

  4.发送部分ღღღ◈,人的话音被MIC(麦克风)转成电信号ღღღ◈,通过Pre-emphasis(预加重)和MIC AMP后送到Audio Filter中滤波ღღღ◈,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ღღღ◈。注意ღღღ◈,这时是低频信号ღღღ◈,信号通过VCO(压控振荡器)后将信号调制到高频ღღღ◈,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ღღღ◈。

  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ღღღ◈,抑制干扰能力较强ღღღ◈,不足之处是由于需要两组中频器件ღღღ◈,使得成本较高ღღღ◈。

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

  CTCSS以频率作为编码凯发K8官网首页登录ღღღ◈,这种编码被加到音频信号上一同发射ღღღ◈。接收端在接收音频信号以前先解码ღღღ◈,送到MCU中ღღღ◈,只有收发双方的Tone码相同ღღღ◈,又在一个频道上才可以通信ღღღ◈,否则静音ღღღ◈。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ღღღ◈。

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

  从电路实现方面看ღღღ◈,它从MCU出来后先经过一级Tone Filter滤掉高频噪音ღღღ◈,之后与音频信号一起进入发送电路凯发K8官网首页登录ღღღ◈。在接收端ღღღ◈,解调出的信号通过Tone Filter后经过比较器ღღღ◈,将模拟信号转成数字信号ღღღ◈,送到MCU中检查是否为同一编码ღღღ◈,相同则允许信号进入扬声器ღღღ◈,否则静音ღღღ◈。

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

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

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

  2.接收模式ღღღ◈: 在此模式下ღღღ◈,发射通路将会关闭ღღღ◈,解调出的信号兵分三路ღღღ◈,一路通过Tone Filter和比较器送到MCUღღღ◈,检查是否为同一编码ღღღ◈;一路被送到语音处理部分ღღღ◈,如果CTCSS编码相同ღღღ◈,则通过扬声器发出信号凯发K8官网首页登录ღღღ◈,否则静音ღღღ◈;还有一路信号被送到噪声检测电路中ღღღ◈,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ღღღ◈。

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

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

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

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

  这部分电路同时实现了频率解调和幅度解调两种功能ღღღ◈,从电路上看作为一个整体凯发K8官网首页登录ღღღ◈。IFAMP2实际上是一个限幅器(LIMITER)ღღღ◈,目的是消除幅度调制可能引起的频率调制的影响ღღღ◈。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)吉田亜咲ღღღ◈,这样就消除了幅度信息ღღღ◈,只保留了频率和相位信息ღღღ◈,在经过FM DET后FM信息将会被恢复ღღღ◈,不过这种方法同时引进了高次谐波ღღღ◈。

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

  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ღღღ◈,前者大家都比较熟悉ღღღ◈,利用三极管的Ic与Vbe间的指数关系实现ღღღ◈,功能也只是实现对数运算ღღღ◈,很多书上都会有介绍ღღღ◈,这里就不细说了ღღღ◈,主要谈谈后一种放大器ღღღ◈。

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

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

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

  Rectifier(本质是一个跨导放大器ღღღ◈,记作gm)可以将从各级GainCell中提取交变的电压信号ღღღ◈,将其转变为单向的电流信号并求和ღღღ◈,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ღღღ◈:

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

  为了方便设计ღღღ◈,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)ღღღ◈,其余为gm即可吉田亜咲ღღღ◈。

  对于FM信号ღღღ◈,幅度的变化可以影响频偏凯发K8官网首页登录ღღღ◈,X(f)=F(f,A),其中的A就代表幅度ღღღ◈。在美国ღღღ◈,FCC(FederalCommunication Commissionღღღ◈,联邦通信委员会)控制着频谱的分配ღღღ◈。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)ღღღ◈,而且要求非常严格ღღღ◈,不能超出这个范围ღღღ◈。

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

  图中吉田亜咲ღღღ◈,滤波器左半部分画的是预加重的曲线ღღღ◈,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ღღღ◈,由预加重抬起来的曲线KHz时就被展平了ღღღ◈,得到的频率曲线大致就图中这个样子ღღღ◈。

  顺便提一下ღღღ◈,FCC对民用对讲机的要求没那么严格(当官的怕老百姓?)ღღღ◈,因此很多的火腿族(民用对讲机用户ღღღ◈,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ღღღ◈,殊不知他用的频率跑到哪里去了ღღღ◈。

  这两部分连同Splatter Filter一起凯发K8官网首页登录ღღღ◈,对音效的好坏起着非常大的作用ღღღ◈。他俩的诞生是由FM特性决定的ღღღ◈。

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

  为了解决这个问题ღღღ◈,人们使用了预加重和去加重电路ღღღ◈。主要思想是先人为的放大信号的高频分量ღღღ◈,再在解调后将这部分连同噪声一起消除掉ღღღ◈。(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ღღღ◈,预加重电路由一个电阻电容串联电路组成ღღღ◈,它可以视为一个微分器ღღღ◈,将FM转成PM(相位调制)ღღღ◈,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ღღღ◈,一般6dB/十倍频ღღღ◈。这也是为什么早期人们用PM而不是FM的一个原因ღღღ◈。

  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ღღღ◈,而这个低通滤波器就叫去加重吉田亜咲ღღღ◈,它就是一个典型的无源RC滤波器ღღღ◈,它可以提供6dB/十倍频的衰减ღღღ◈,令信号幅度相应曲线平滑ღღღ◈。

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