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Ø 任务
设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。
Ø 要求
1、基本要求
（1）设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30MHz~40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW(50W假负载电阻上测定)，射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；
（2）设计并制作一个从站，其接收频率与主站相对应，从站必须采用电池组供电，用耳机收听语音信号；
（3）当传送信号为300Hz~3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；
（4）主、从站室内通信距离不小于5米，题目中的通信距离是指主、从站两设备(含天线)间的最近距离；
（5）主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于
2、发挥部分
（1）从站数量扩展至8个(实际制作1个从站)，构成一点对多点的单工无线呼叫系统。要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能；
（2）增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；
（3）当发射峰值功率不大于20mW时，尽可能地加大主、从站间的通信距离。
（4）其他。
Ø 评分标准
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项 目 |
满分 |
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基本要求 |
设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。 |
50 |
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实际制作完成情况 |
50 |
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发挥部分 |
完成第（1）项 |
15 |
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完成第（2）项 |
15 |
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完成第（3）项 |
15 |
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其他 |
5 |
Ø 说明
1、主站需留出末级功率放大器发射功率的测量端，用于接入50W假负载电阻，以测试发射功率；
2、为测试方便，作品中使用的衰减器（可以自制），应与作品一起封装上交。
分析该赛题可以得到以下关键的技术指标：
（1）
发射频率30MHz~40MHz。
（2）
发射峰值功率不大于20mW(50W假负载电阻上测定)。
（3）
天线为拉杆天线或者导线，长度小于1M。
（4）
通信距离大于5M。
（5）
具有数字业务传输功能。
针对提取的指标，我们来分析下指标对我们方案制定的影响，在高频赛题中方案的制定是尤为重要的，特别是近几届赛题都是针对无线通信系统，实际上的要求是制定一套合理且易于实现的通信方案。
指标（1）发射频率30MHz~40MHz。
分析：规定的这个频段把市面上大量流通的单片通信解决方案挡在门外。这个意图其实是很明显的，组委会显然不希望大家使用一个ISM频端的芯片就把赛题就解决了（如果真这样的话比赛也没什么意思了），所以规定了这样一个很“尴尬的频段”。其实这个频段是个“制式”的频段，电赛的高频题一般来讲都是规定在10MHz~40MHz之间的，所以大家准备时也尽量把通信频带选在这个频段之间。
指标（2）发射峰值功率不大于20mW(50W假负载电阻上测定)。
分析：我们来计算下：
Ppk=(VPP/2)^2/R=VPP^2/4R
<20mW
测量功率使用50欧姆假负载：R = 50Ω
因而VPP<2V,IO<40mA
就这个指标来讲，高频功放其实是非常容易满足的，无论是分类的MOS或者BTJ的小功率管都能轻松胜任。其实有更简单的方案，就是使用电赛最爱的高频运放AD811就能瞬间解决，就目前的高带宽的运放来看这个指标是比较容易实现的，毕竟都过了6年的时间了。
指标（3）天线为拉杆天线或者导线，长度小于1M。
分析：明确的规定了天线的长度，一般来讲电赛准备拉杆天线是必备的，尽量的接近于1M，目的是提高发射效率，尽量的把能量辐射出去。有个比较容易的标准，就是天线的长度为四分之一波长的时候发射效率是最高的。电赛规定的频段为10MHz~40MHz的范围，天线想达到四分之一波长显然是不可能的，所以只是 希望天线尽量长一些。当然，最主要的还是需要做天线匹配，这个我在后面介绍。
指标（4）通信距离大于5M。
分析：在限制了发射峰值功率的情况下，想尽量的提高通信距离，最直接的解决方案就是提高接收的灵敏度（当然还有些天线技术，天线已被指定，就不去考虑那些复杂的东西了）。一般来讲，收音机芯片的接收电路具有非常高的接收灵敏度；当然用BJT或者MOS做的小信号放大电路也可以有非常大的增益，但是由于接收天线与后级的选频、高放电路的匹配调试起来确实比较困难，往往无法达到收音机芯片那么高的灵敏度。
指标（5）具有数字业务传输功能。
分析:这一个要求会严重影响通信方案的制定。如果仅仅是语音业务，那么模拟的调整解调方案可以非常好的完成题目要求。一但出现了短信这样的简单数字业务，我们很多人就会开始考虑是否选用数字的调制解调方案。对于这一点，笔者曾经实现了两套方案，一套是FSK的调制解调方案，另一套是FM的调制解调方案，后面将对这两套方案详述。
模拟方案最基本可选的是AM和FM的调制解调方案，我们来简单比较下AM和FM。毋庸置疑AM是最简单的，无论是调制还是解调都很容易实现。但是AM是一种基于幅度的调制解调方案，所以其通信效果对距离是非常敏感的。想对于FM来说其可靠性要稍差，最简单的道理就是大家听调幅广播和调频广播的时候可以比较下其效果，很明显的调频广播抗感扰性要好很多（当然这个比较不是非常的恰当，毕竟调频广播和调幅广播不在一个频段上）。但是后来竞赛的测试的时候大家也可以看到通信距离较远的一些方案多半是基于频率的调制方案。
我们就讨论下FM的调制解调方案。
调制如何做，特别是要满足短信业务，笔者认为可以采用2次调制的方法。
其发射机的框图如上图所示，数字信号先使用FSK或者ASK的方式进行调制。然后再以FM的方式调制到载波上，也就是采用二次调制的方式。
基本流程我就框图再叙述下：
1、语音信号经放大低通滤波后，直接使用作为被调制信号送往下级。其中放大和低通滤波使用一个普通运放做一个带增益的低通有源滤波器就可以完成。笔者认为在做准备的时候可以将这个部分连同mic做成一个模块备用（可以选配AD）。
2、下一级是一个多路选择器，可以使用模拟开关，用于选择发送语音还是短信。
3、调制可以使用一个模拟锁相环，本振的的话当然是越简单越好，最简单的就是有源晶振了。其他的振荡器大家也可以尝试，通信电子线路一类的书里面会有很多。
4、高频功放就是前面提到的高速运放就能实现。
5、最后就是接上匹配好的天线把信号给送出去了。
总的来讲发射机是比较简单的，下面就是接收机，由于是FM的方案所以尽量的借用收音机的那套器件，方案很明晰，实现起来不是非常的困难。
接收可以直接使用一个收音机芯片，比如sony的cax系列的收音机芯片，TA系列的收音机芯片，不过这些器件很多是停产的，但是大家放心依旧买得到。我更推荐目前市面上比较多的收音机芯片，这个就由大家自行选取了。
收音机芯片的好处在于，只要把天线匹配了基本其他的就不用管了，内部集成了高放，变频等功能，输出就是“基带”信号了（这样说也不对哈，模拟调制不该用基带这个词的），就用被调制信号来称吧。这个被调制信号包括两部分：一是语音信号，也就是提供语音传输的一部分；二是FSK或者ASK信号，这部分信号承载的是我们的短信内容，对FSK或者ASK信号再解调就可以获得数字信息了。
这个地方我说明下这里的ASK和FSK不需要是nMHz的信号，只是借用了这种调制，打个比方FSK可以是2FSK，两个频点一个是2KHz，另一个是4KHz。具体实现方法很多，大家可以比较取舍。
这样一来就实现了一套模拟方案，这套方案总的来讲是很实用的，主要依赖于收音机的高灵敏度，所以往往可以实现很大的通信距离，通信距离这一部分在最后的评分表上满分15分，低于5M没有分，据说比5M多一米就加一分，直到15分加满为止。
数字方案可选的是比较多的最容易实现的有三种：ASK、FSK和PSK三种。这三种方案还是应该比较下，我们不考虑占用的带宽和带宽的利用率，毕竟这一类指标短时间内是没办法作为评分标准的，毕竟需要专门的测试设备才可以测量。（PS：想拿杯子的同学无视以上论点）。
ASK：这个跟AM有些相似的地方，都是基于幅度的调制方案，对距离敏感，对AGC电路要求高（增益范围太大，实现太困难），不是很建议使用。
PSK：这个方案是个很好的方案，带宽和通信速率上来讲确实都比较优秀。但是从电赛的实现上来讲不是一个好方案，主要是载波恢复太困难，并且调试手段较少，缺乏PSK信号源（如果不是高档些的信号源设备一般不具备PSK信号发生功能），所以PSK这套方案建议在练习熟练后使用。
FSK：FSK是电赛中比较常用的方案，主要在于抗干扰性强，而且在不考虑带宽的情况下，也可以获得较高的通信速率，可以在不恢复载波的情况下进行解调。所以是一个比较折中的方案，实现上不困难，比较建议使用。
发射机的框图如下图所示：
（这个图我偷了下懒，直接截图了，大家见谅哈，但内容是很好的）。
依旧叙述下发射机的流程：
1、语音信号先经放大和低通滤波，低通滤波主要是限制带宽，一般来讲8bit量化，8KHz采样就可以满足语音的需求了。但是题目中有这样一个要求“当传送信号为300Hz~3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真”。虽然8KHz的采样速率也是足够的，但是可以稍微提高采样率，这样在接收机端的波形要好一些，短信的话本来就是数字信号。
2、这一级一般是MCU，用于交互和语音、短信控制。由于无线发送是串行的，所以一般会借用MCU的UART功能，把AD送来的数据和短信数据放到UART帧中（主要为了便于解调回复）。当然对基带信号（包括语音和短信）可以通过编码后再通过UART发送到下一级，这个编码就是信道编码了，其意义就是以数据冗余换取可靠性，信道编码这一部分大家可根据进度情况选用（虽然这样说不好，但是确实没有信道编码系统照样可以跑）。
3、根据UART格式帧中的数据确定频偏，如果一般使用的是2FSK，所以基本就是让下一级在两个频点直接跳动。如果后级使用的DDS是比较常用的ADI公司的AD98XX或者AD99XX芯片的话，一般的单片机就会由于速率不够无法跟上发送过来的数据改变DDS的频率，主要是这些专用DDS芯片在改变频率时需要很多条命令，耗时太多。不过现在解决也很简单了，三个办法：一是使用主频更高的MCU；二是就是直接使用FPGA（内置软核）+AD；三是在普通MCU后面加一个CPLD专门用作DDS的控制。
4、将DDS产生的信号送到下一级的功放，还是高速运放就可以解决问题。
5、信号经由匹配好的天线发射。
上面介绍了发射机的框图，下面再介绍下接收机的流程框图。
如下图所示：
我尽量直奔主题，介绍接收机的流程。
1、天线接收的信号经选频网络后送低噪声放大（LNA），注意一定是先选频在放大，而不是先放大在选频。有部分人曾跟我讨论说LNA之前信号太弱，这一选频岂不是把信号滤的更弱了，示波器根本看不到，不如先放大再滤波。其实，无论是先滤波在放大还是先放大在滤波都会引入噪声，因为器件本身就会引入噪声。先滤波的目的是滤除带外信号避免对放大器产生非线性干扰。
很多电路中选频和LNA是通过一个电路完成的，比如使用BJT和MOS的小信号放大电路。笔者曾使用MOS管级联的小信号放大电路完成过此功能。
2、一般高放之后可以增加一级ACG电路，这样可以进一步改善通信距离。框图中没有画出来。
3、FSK解调电路，这个可以使用MC13135、NE564等集成方案，直接获得基带信号。这一部分还要视具体情况看是否需要混频器实现下变频。
4、送至MCU的UART获得基带信号，基带信号可恢复出语音或者短信内容。
以上则为接收机的整个流程。
这一部分确实比较重要，所以我单独列出来了。
一般来讲做天线匹配需要使用矢量网络分析仪来测量天线的特征阻抗，但是这种仪器属于比较昂贵的设备，很多参加电赛的学生没办法获得这样的设备。根据经验，拉杆天线在30MHz~40MHz频率范围，阻抗实部R约8~10欧姆，呈容性，约几十皮法。需要天线匹配电路才能有效的将载波发射出去。
天线匹配的方式很多，我不赘述，最有效的是使用π型网络经行匹配，这里在匹配网络中使用可调的电感和电容，不断的调节容感值，使用一个接收机（比如使用模拟频谱仪在接收端使用天线，这种设备就比较便宜了 ，跟数字示波器差不多）观测信号强度，调至信号强度最大则认为是有效发射了。
说实话这是个很笨的方法，但在条件受限的情况下很有效，在使用矢量分析仪的情况下也需要用这个办法微调。
这里表达下自己关于这道题的看法，纯属个人观点，权当讨论了。
这道题属于非常经典的通信系统的题目，方案上属于非常成熟的，水平高低主要是在做的质量上了，并且硬件的工作量比较大，代码上很简单。如果做赛前训练的话，可以作为入手的第一道题，因为里面的东西都是属于“经典”，对于建立通信系统的概念是非常有益的。作为一道远场通信的题目，基本上覆盖了无线通信的大部分内容，但是没有考察功放，特别是丙放。大家就作为一道入手训练题吧！
By Wstt