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PCM2702与BH1417的USB音频发射系统
摘要: 本设计利用TI公司的PCM2702来实现USB音频信号的采集,利用Rohm公司的BH1417来实现音频信号的立体声无线传输。可通过单片机同步显示频率,并控制80~180 MHz 14段频率的切换,可实现10~100 m内的高速音频信号传输。
Abstract:
Key words :

  引 言

  USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线,是一种新型的数据通信技术。当采用USB接口连接设备与计算机时,无需重新设置系统,也不必打开机壳来调整接口卡的指拨开关,计算机会自动识别接口设备,同时下传给外设的驱动程序。USB接口具有即插即用、速度快、易扩展等优点,已成为现今个人计算机上最重要的接口之一,更是一般消费性电子产品上不可或缺的接口。

  短距离无线通信具有抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点,应用非常广泛,如汽车遥控门钥、无线抄表、无线点菜、遥控遥测、小区自动化等。多媒体的成熟大大推动了上述两项技术的融合。特别对于音频信号,USB声卡相比机箱内的板载声卡来说,远离高频干扰环境,音质效果好,且易于携带;但是由于受到音频接口线的影响,局限在一定的范围内,且无法同时与多人分享,而短距离无线通信技术具有受地理条件限制小、可靠性高、安全性好等优点。

  结合两者技术的优点,本设计利用TI公司的PCM2702来实现USB音频信号的采集,利用Rohm公司的BH1417来实现音频信号的立体声无线传输。可通过单片机同步显示频率,并控制80~180 MHz 14段频率的切换,可实现10~100 m内的高速音频信号传输。

  1 主要芯片介绍

  1.1 PCM2702芯片

  数/模转换芯片PCM2702有2个数/模转换输出通道和1个一体化的USB接口控制器,该接口符合USB1.0标准;采用最新开发的SPAct(采样期内自适应控制跟踪)系统,能够从USB接口的音频数据中分离出一个稳定的、偏差较小的时钟信号以协调PLL和DAC工作。

  PCM2702主要由3部分组成:Burr-Brown公司研制的增强型多层次δ-σ调制器,8×重复采样数字插值滤波器和模拟输出低通滤波器。 PCM2702可以接收48 kHz、44 kHz和32 kHz的16位立体声或单声道音频数据;内部集成有数字电位器的软件静音功能,通过USB的音频等级需求可以控制电位器和静音功能。

  1.2 BH1417芯片

  BH1417是一款集立体声FM、频率合成和RF放大器等功能于一体的大规模专用调频发射集成电路。它可工作于87~108 MHz频段,与简单的外围电路配合使用,可发射音频FM信号,配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传输。FM立体声发射器发射出的立体声的信号分离度可达50 dB,失真小于0.3%,而且电路的稳定性大大加强。单单就收发效果而言,已基本接近正规的FM电台。

  BH1417由5部分组成:音频预处理电路(加重、限幅和低通滤波);基频产生电路(晶振、分频);锁相环电路(相位检测、锁频);频率设定电路(高低电平转换);调频发射电路。外围电路主要有频率控制电路、压控振荡器组成的载波产生电路,定时器以及一些耦合电容。

  BH1417将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路(LPF)一体化,使音频信号的质量比分立元件(如BA1404、NJM2035等)的电路有很大改进;采用锁相环锁频,并与调频发射电路一体化,使得发射的频率非常稳定;采用4路高低电平进行频率设定,可设定14个频点,使用非常方便。

  2 硬件电路设计

  USB音频发射系统原理框图如图1所示。该系统主要由USB声卡模块、无线发射模块、单片机控制模块、键盘输入模块、频率显示模块和电源模块等构成。

USB音频发射系统原理框图

  当USB声卡模块和计算机连接后,计算机自动识别,并输出立体声音频信号;音频信号传送至无线发射模块,经过处理后,变换成调频电波发射出去。同时,单片机系统会控制调频发射模块的D0~D3四个引脚的高低电平,从而控制发射频率,同步将发射频率显示出来。

  2.1 USB声卡模块

  如图2所示,USB声卡模块主要由带有USB接口的16位立体声数/模转换芯片PCM2702和音频运算放大器OPA2134组成。PCM2702外围电路比较简单,由数/模双电源供电,在数模信号接地时采用磁珠或O Ω电阻进行隔离,有效降低数模信号之间的干扰。在PCM2702模拟输出端,考虑到信号的驱动能力不够,采用音频专用运放OPA2134构成一个多重反馈型低通滤波器,同时对信号进一步放大和还原,输出的音频信号直接供无线发射模块使用。考虑到整体音质的效果,电路中与音频信号相关的电容尽量选择优质电容。

USB声卡模块

  2.2 无线发射模块

  如图3所示,无线发射模块主要由大规模专用的调频发射集成电路BH1417及简单外围电路构成。

无线发射模块

   (1)立体声调制电路

  音频信号通过1脚、22脚输入后,由BH1417的21、20、19、2、3、4脚和外电路配合通过预加重电路、限幅电路和低通滤波器后送到混合器中。由 13脚、14脚输入的接入7.6 MHz晶振的振荡电路,通过200分频产生38 kHz的副载波信号。38 kHz副载波通过2分频后产生19 kHz的导频信号,左声道减去右声道的信号与38 kHz的副载波进行平衡调制,调制后的复合信号通过5脚输出。

 

  (2)调频发射电路

  调频发射电路采用频率稳定的锁相环系统。BH1417的15、16、17、18脚输入的频率代码经过解码和鉴相后,由7脚输出LC振荡器的控制信号 VCO。此VCO控制外部分立元件组成的高频振荡电路产生FM调频的载波信号,并通过2个三极管C9018对5脚输出的复合立体声信号进行FM频率调制。调制后的信号通过9脚输入到BH1417,经过内部的射频放大器放大后的射频信号由11脚输出。输出后的信号可以直接接到发射天线上进行发射。 BH1417频点发射对应的高低电平如表1所列。

BH1417频点发射对应的高低电平

  (3)高频振荡电路

  BH1417的5、7、9、10、12引脚配合与其连接的分立元件,构成调频载波的频率振荡和射频调制部分;13、14脚需要外接7.6 MHz的晶体振荡器,提供给BH1417内部的鉴相、立体声信号调制等部分所需要的稳定时钟;6、8为电源部分;11脚与外部连接的元件构成调频信号发射部分。

  (4)三极管放大电路

  BH1417的11脚信号输出后,采用9018来一级放大。2.3单片机控制和频率显示模块单片机控制和频率显示电路如图4所示,主要由AT89C51、键盘输入和液晶显示模块组成。单片机P2口的4个引脚分别连接BH1417的15、16、17、18引脚,通过键盘控制其高低电平,进而控制BH1417 的频率输出,同时将频率显示到1602液晶上。

单片机控制和频率显示电路

  2.4 电源模块

  电源模块电路如图5所示。12 V直流输入经过LM78L05ACH稳压管,5 V输出。电源部分主要为USB声卡模拟输出、音频放大、无线发射以及单片机控制和频率显示部分提供电源。为了减少无线发射模块对单片机控制和频率显示模块的干扰,可在电源和接地之间加入磁珠或0 Ω电阻。

电源模块电路

  3 软件程序设计

  系统软件流程如图6所示。系统上电后,单片机系统初始化,P2的4个端口都为低,设定为87.7 MHz发射,同时在1602上显示频率。而后进入键盘循环扫描状态,当检测到键盘按下时判断键值,根据键值调整P2四个端口的电平高低,进而控制 BH1417的发射频率,然后显示频率。本系统的工作频率分为14个频段,详见表1。判断键值来增加/减少频率。当频率达到88.9 MHz或106.7 MHz时,跳过PLL停止档位。

系统软件流程

  4 系统制作、调试及抗干扰措施

  在系统的焊接中要注意贴片的焊接,防止人体和烙铁的静电把芯片损坏。由于本系统是信号的传输,所以在通用板上布局时要尽量减少信号线的长度,滤波电容尽量离输出元器件近,以免产生多余的杂波。

  系统调试过程中,由于本系统中有数字电路、模拟低频和模拟高频电路,注意相关电源的正确连接,以免引起电路的异常和干扰,且电源间要加去耦电路。先调试 USB声卡模块。根据PCM2702的资料,USB上电的时间要短,才能确保电脑正确地找到设备,并安装好。然后,进行无线发射模块的调试。由于实验室没有测频仪器,只好直接用精确度高的收音机直接接收测试。测试时,先将4个控制引脚用跳线接地,确保能够发射出无线信号后,再进行频率的校正和单片机控制显示等。

  该系统对于抗干扰性有一定的要求,所以在电源模块中分别给出了数字、模拟低频、模拟高频的电源端口,加入磁珠和O Ω电阻以减少相互之间的干扰。电路设计时,各个模块独立成块,四周接地以减少电磁干扰等;且各个模块中添加了必要的保护电路,确保电路的稳定性、可靠性。

  结 语

  基于PCM2702与BH1417的USB音频发射系统采用模块化的设计方法,使得整个系统具有一定的扩展性且可以分开独立使用。尽管也有USB声卡和 2.4 GHz构成的无限USB声卡方案,但是由于其频率不可变且需要配套的接收设备,无法做到与多人分享且保密性不强。使用调频发射,可以利用现成的收音机接收,频率可调可以加强安全性。

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