PCM2702與BH1417的USB音頻發(fā)射系統(tǒng)

引 言

　　USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，是一種新型的數(shù)據(jù)通信技術(shù)。當(dāng)采用USB接口連接設(shè)備與計(jì)算機(jī)時(shí)，無需重新設(shè)置系統(tǒng)，也不必打開機(jī)殼來調(diào)整接口卡的指撥開關(guān)，計(jì)算機(jī)會(huì)自動(dòng)識(shí)別接口設(shè)備，同時(shí)下傳給外設(shè)的驅(qū)動(dòng)程序。USB接口具有即插即用、速度快、易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，已成為現(xiàn)今個(gè)人計(jì)算機(jī)上最重要的接口之一，更是一般消費(fèi)性電子產(chǎn)品上不可或缺的接口。

　　短距離無線通信具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制較少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛，如汽車遙控門鑰、無線抄表、無線點(diǎn)菜、遙控遙測(cè)、小區(qū)自動(dòng)化等。多媒體的成熟大大推動(dòng)了上述兩項(xiàng)技術(shù)的融合。特別對(duì)于音頻信號(hào)，USB聲卡相比機(jī)箱內(nèi)的板載聲卡來說，遠(yuǎn)離高頻干擾環(huán)境，音質(zhì)效果好，且易于攜帶；但是由于受到音頻接口線的影響，局限在一定的范圍內(nèi)，且無法同時(shí)與多人分享，而短距離無線通信技術(shù)具有受地理?xiàng)l件限制小、可靠性高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

　　結(jié)合兩者技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)利用TI公司的PCM2702來實(shí)現(xiàn)USB音頻信號(hào)的采集，利用Rohm公司的BH1417來實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的立體聲無線傳輸?？赏ㄟ^單片機(jī)同步顯示頻率，并控制80～180 MHz 14段頻率的切換，可實(shí)現(xiàn)10～100 m內(nèi)的高速音頻信號(hào)傳輸。

　　1 主要芯片介紹

　　1．1 PCM2702芯片

　　數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片PCM2702有2個(gè)數(shù)／模轉(zhuǎn)換輸出通道和1個(gè)一體化的USB接口控制器，該接口符合USB1．0標(biāo)準(zhǔn)；采用最新開發(fā)的SPAct(采樣期內(nèi)自適應(yīng)控制跟蹤)系統(tǒng)，能夠從USB接口的音頻數(shù)據(jù)中分離出一個(gè)穩(wěn)定的、偏差較小的時(shí)鐘信號(hào)以協(xié)調(diào)PLL和DAC工作。

　　PCM2702主要由3部分組成：Burr-Brown公司研制的增強(qiáng)型多層次δ-σ調(diào)制器，8×重復(fù)采樣數(shù)字插值濾波器和模擬輸出低通濾波器。 PCM2702可以接收48 kHz、44 kHz和32 kHz的16位立體聲或單聲道音頻數(shù)據(jù)；內(nèi)部集成有數(shù)字電位器的軟件靜音功能，通過USB的音頻等級(jí)需求可以控制電位器和靜音功能。

　　1．2 BH1417芯片

　　BH1417是一款集立體聲FM、頻率合成和RF放大器等功能于一體的大規(guī)模專用調(diào)頻發(fā)射集成電路。它可工作于87～108 MHz頻段，與簡(jiǎn)單的外圍電路配合使用，可發(fā)射音頻FM信號(hào)，配合普通的調(diào)頻立體聲接收機(jī)就可實(shí)現(xiàn)無線調(diào)頻立體聲傳輸。FM立體聲發(fā)射器發(fā)射出的立體聲的信號(hào)分離度可達(dá)50 dB，失真小于0．3％，而且電路的穩(wěn)定性大大加強(qiáng)。單單就收發(fā)效果而言，已基本接近正規(guī)的FM電臺(tái)。

　　BH1417由5部分組成：音頻預(yù)處理電路(加重、限幅和低通濾波)；基頻產(chǎn)生電路(晶振、分頻)；鎖相環(huán)電路(相位檢測(cè)、鎖頻)；頻率設(shè)定電路(高低電平轉(zhuǎn)換)；調(diào)頻發(fā)射電路。外圍電路主要有頻率控制電路、壓控振蕩器組成的載波產(chǎn)生電路，定時(shí)器以及一些耦合電容。

　　BH1417將預(yù)加重電路、限幅電路、低通濾波電路(LPF)一體化，使音頻信號(hào)的質(zhì)量比分立元件(如BA1404、NJM2035等)的電路有很大改進(jìn)；采用鎖相環(huán)鎖頻，并與調(diào)頻發(fā)射電路一體化，使得發(fā)射的頻率非常穩(wěn)定；采用4路高低電平進(jìn)行頻率設(shè)定，可設(shè)定14個(gè)頻點(diǎn)，使用非常方便。

　　2 硬件電路設(shè)計(jì)

　　USB音頻發(fā)射系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由USB聲卡模塊、無線發(fā)射模塊、單片機(jī)控制模塊、鍵盤輸入模塊、頻率顯示模塊和電源模塊等構(gòu)成。

　　當(dāng)USB聲卡模塊和計(jì)算機(jī)連接后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別，并輸出立體聲音頻信號(hào)；音頻信號(hào)傳送至無線發(fā)射模塊，經(jīng)過處理后，變換成調(diào)頻電波發(fā)射出去。同時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)控制調(diào)頻發(fā)射模塊的D0～D3四個(gè)引腳的高低電平，從而控制發(fā)射頻率，同步將發(fā)射頻率顯示出來。

　　2．1 USB聲卡模塊

　　如圖2所示，USB聲卡模塊主要由帶有USB接口的16位立體聲數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片PCM2702和音頻運(yùn)算放大器OPA2134組成。PCM2702外圍電路比較簡(jiǎn)單，由數(shù)／模雙電源供電，在數(shù)模信號(hào)接地時(shí)采用磁珠或O Ω電阻進(jìn)行隔離，有效降低數(shù)模信號(hào)之間的干擾。在PCM2702模擬輸出端，考慮到信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力不夠，采用音頻專用運(yùn)放OPA2134構(gòu)成一個(gè)多重反饋型低通濾波器，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)一步放大和還原，輸出的音頻信號(hào)直接供無線發(fā)射模塊使用?？紤]到整體音質(zhì)的效果，電路中與音頻信號(hào)相關(guān)的電容盡量選擇優(yōu)質(zhì)電容。

　　2．2 無線發(fā)射模塊

　　如圖3所示，無線發(fā)射模塊主要由大規(guī)模專用的調(diào)頻發(fā)射集成電路BH1417及簡(jiǎn)單外圍電路構(gòu)成。

PCM2702與BH1417的USB音頻發(fā)射系統(tǒng)

　　(1)立體聲調(diào)制電路

　　音頻信號(hào)通過1腳、22腳輸入后，由BH1417的21、20、19、2、3、4腳和外電路配合通過預(yù)加重電路、限幅電路和低通濾波器后送到混合器中。由 13腳、14腳輸入的接入7．6 MHz晶振的振蕩電路，通過200分頻產(chǎn)生38 kHz的副載波信號(hào)。38 kHz副載波通過2分頻后產(chǎn)生19 kHz的導(dǎo)頻信號(hào)，左聲道減去右聲道的信號(hào)與38 kHz的副載波進(jìn)行平衡調(diào)制，調(diào)制后的復(fù)合信號(hào)通過5腳輸出。

　　(2)調(diào)頻發(fā)射電路

　　調(diào)頻發(fā)射電路采用頻率穩(wěn)定的鎖相環(huán)系統(tǒng)。BH1417的15、16、17、18腳輸入的頻率代碼經(jīng)過解碼和鑒相后，由7腳輸出LC振蕩器的控制信號(hào) VCO。此VCO控制外部分立元件組成的高頻振蕩電路產(chǎn)生FM調(diào)頻的載波信號(hào)，并通過2個(gè)三極管C9018對(duì)5腳輸出的復(fù)合立體聲信號(hào)進(jìn)行FM頻率調(diào)制。調(diào)制后的信號(hào)通過9腳輸入到BH1417，經(jīng)過內(nèi)部的射頻放大器放大后的射頻信號(hào)由11腳輸出。輸出后的信號(hào)可以直接接到發(fā)射天線上進(jìn)行發(fā)射。 BH1417頻點(diǎn)發(fā)射對(duì)應(yīng)的高低電平如表1所列。

　　(3)高頻振蕩電路

　　BH1417的5、7、9、10、12引腳配合與其連接的分立元件，構(gòu)成調(diào)頻載波的頻率振蕩和射頻調(diào)制部分；13、14腳需要外接7．6 MHz的晶體振蕩器，提供給BH1417內(nèi)部的鑒相、立體聲信號(hào)調(diào)制等部分所需要的穩(wěn)定時(shí)鐘；6、8為電源部分；11腳與外部連接的元件構(gòu)成調(diào)頻信號(hào)發(fā)射部分。

　　(4)三極管放大電路

　　BH1417的11腳信號(hào)輸出后，采用9018來一級(jí)放大。2．3單片機(jī)控制和頻率顯示模塊單片機(jī)控制和頻率顯示電路如圖4所示，主要由AT89C51、鍵盤輸入和液晶顯示模塊組成。單片機(jī)P2口的4個(gè)引腳分別連接BH1417的15、16、17、18引腳，通過鍵盤控制其高低電平，進(jìn)而控制BH1417 的頻率輸出，同時(shí)將頻率顯示到1602液晶上。

　　2．4 電源模塊

　　電源模塊電路如圖5所示。12 V直流輸入經(jīng)過LM78L05ACH穩(wěn)壓管，5 V輸出。電源部分主要為USB聲卡模擬輸出、音頻放大、無線發(fā)射以及單片機(jī)控制和頻率顯示部分提供電源。為了減少無線發(fā)射模塊對(duì)單片機(jī)控制和頻率顯示模塊的干擾，可在電源和接地之間加入磁珠或0 Ω電阻。

　　3 軟件程序設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。系統(tǒng)上電后，單片機(jī)系統(tǒng)初始化，P2的4個(gè)端口都為低，設(shè)定為87．7 MHz發(fā)射，同時(shí)在1602上顯示頻率。而后進(jìn)入鍵盤循環(huán)掃描狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到鍵盤按下時(shí)判斷鍵值，根據(jù)鍵值調(diào)整P2四個(gè)端口的電平高低，進(jìn)而控制 BH1417的發(fā)射頻率，然后顯示頻率。本系統(tǒng)的工作頻率分為14個(gè)頻段，詳見表1。判斷鍵值來增加／減少頻率。當(dāng)頻率達(dá)到88．9 MHz或106．7 MHz時(shí)，跳過PLL停止檔位。

　　4 系統(tǒng)制作、調(diào)試及抗干擾措施

　　在系統(tǒng)的焊接中要注意貼片的焊接，防止人體和烙鐵的靜電把芯片損壞。由于本系統(tǒng)是信號(hào)的傳輸，所以在通用板上布局時(shí)要盡量減少信號(hào)線的長(zhǎng)度，濾波電容盡量離輸出元器件近，以免產(chǎn)生多余的雜波。

　　系統(tǒng)調(diào)試過程中，由于本系統(tǒng)中有數(shù)字電路、模擬低頻和模擬高頻電路，注意相關(guān)電源的正確連接，以免引起電路的異常和干擾，且電源間要加去耦電路。先調(diào)試 USB聲卡模塊。根據(jù)PCM2702的資料，USB上電的時(shí)間要短，才能確保電腦正確地找到設(shè)備，并安裝好。然后，進(jìn)行無線發(fā)射模塊的調(diào)試。由于實(shí)驗(yàn)室沒有測(cè)頻儀器，只好直接用精確度高的收音機(jī)直接接收測(cè)試。測(cè)試時(shí)，先將4個(gè)控制引腳用跳線接地，確保能夠發(fā)射出無線信號(hào)后，再進(jìn)行頻率的校正和單片機(jī)控制顯示等。

　　該系統(tǒng)對(duì)于抗干擾性有一定的要求，所以在電源模塊中分別給出了數(shù)字、模擬低頻、模擬高頻的電源端口，加入磁珠和O Ω電阻以減少相互之間的干擾。電路設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)模塊獨(dú)立成塊，四周接地以減少電磁干擾等；且各個(gè)模塊中添加了必要的保護(hù)電路，確保電路的穩(wěn)定性、可靠性。

　　結(jié) 語

　　基于PCM2702與BH1417的USB音頻發(fā)射系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使得整個(gè)系統(tǒng)具有一定的擴(kuò)展性且可以分開獨(dú)立使用。盡管也有USB聲卡和 2．4 GHz構(gòu)成的無限USB聲卡方案，但是由于其頻率不可變且需要配套的接收設(shè)備，無法做到與多人分享且保密性不強(qiáng)。使用調(diào)頻發(fā)射，可以利用現(xiàn)成的收音機(jī)接收，頻率可調(diào)可以加強(qiáng)安全性。