专利名称：随机寻址自适应跳频无线话筒及其接收机的制作方法
技术领域：
本发明属于短距离无线通信音频发射及接收装置。
背景技术：
目前广泛使用的无线发射及接收装置，其工作频率在甚高频(VHF)至特高频(UHF)或微波段，它的发射端和接收机都是在工作频率上调制模拟音频信号。大多数无线话筒发射端与接收机的工作频率都是固定的，用户不能自行改变。最近有不少厂家生产的无线话筒发射端和接收机设置了几个工作频率人工可调点，为多媒体教室的无线话筒管理提供了不少的方便。但是，无线话筒发射端频点和接收机频点都需要人为地去对频或错开。这样若在大规模教室群如上百个教室在一起上课，区域紧凑，为无线话筒使用者带来了诸多不便，频点错不开，因分发的无线话筒数量多，时常为发错无线话筒而影响教学。
为解决上述技术问题，现有技术中有如下三种解决方案 (1)可以调节工作频率的无线话筒如2006年7月26日公开的，公开号为CN1808913，名称为“一种甚高频至特高频波段无线话筒”的中国发明专利申请，在无线话筒开始工作时，发射器先对准接收器，发送出一个包含工作频率的红外信号，接收器接收到该红外信号后，按红外信号所携带的信息改变接收器的工作频率，使其与发射器的工作频率一致。这种方式只是利用红外信号所携带的发射器工作频率信息，可以按照使用者对语音通信质量的判断，使接收器对工作频率进行切换。这种方式需要使用者根据自己听到的接收器放大后扬声器发出的声音信号质量、有无干扰进行判断，再决定是切换工作频率，这样不断进行调整，直到挑选出满意的工作频率，即通信工作频道。
这种方式需要使用者进行判断、不断调整，使用起来还是很麻烦。另外，在使用过程中，通信频道如受到外界干扰时，又需要进行调整，会使讲课或会议中断。
(2)在无线话筒中设定一个唯一全球标识单元，如2003年5月14日公开的，公开号为CN1417952，名称为“无线话筒系统、语音接收设备和无线话筒”的中国发明专利申请，多个无线话筒，每一个都具有一个话筒存储区，话筒存储区存储一个唯一全球标识单元，发射端发射该话筒的音频信号和该全球标识单元；语音接收设备接收来自话筒中的该音频信号和全球标识单元。该语音接收设备可以包括一个存储部分，用于存储一个标识表，该标识表包括与多个全球标识单元相联系的多个本地标识单元。这样，就实现无线话筒按全球标识单元实现无线话筒按使用者意图与含有一定范围标识符的接收机进行通信。
这种方式在工厂制造时需设置一定的范围的标识符，即每一个无线话筒标识码和标识码的存储区，而且标识表有限从而限制无线话筒的使用数量，同时也限制无线话筒的任意配对。
(3)设定每一对无线话筒唯一的地址，如2008年1月30日公开的，公开号为CN101114859，名称为“数字无线话筒”的中国发明专利申请公开说明书，发射端通过采样编码电路将拾取的声音信号，转换成带唯一地址的音频数据包，发送到接收机；接收机将接收到的所述的带唯一地址的音频数据包，并送入数字解码电路中，音频数据包中的唯一地址与接收机预置地址进行比较，如果匹配，则音频数据包解码，还原出模拟音频信号；如果不匹配，就不接收。由于每一套数字无线话筒的地址都是不相同的，该地址在发射端加入音频数据包中，接收机只接收与地址匹配的音频数据包。这样，每一对无线话筒都不发生冲突。
但是，每一对无线话筒在制造时，发射端和接收机都要预置唯一的数字地址。这样在制造时，每一套数字无线话筒的地址都是不相同的，即每套数字无线话筒的地址都是唯一的，不能实现任意配对，从而限制了这种无线话筒大规模地使用。因为不但为生产制造商造成要生产都不一样的无线话筒而产生记录上的生产管理问题，而且仍然没有改变如传统无线话筒在大规模多媒体教室里使用时，带来的管理上的不便。
发明内容
本发明提供一种随机寻址自适应跳频无线话筒及其接收机，解决多媒体教室或会议室对无线话筒的管理问题，实现无线话筒和接收机任意配对；同时，解决目前无线发射及接收装置生产厂家为每一个话筒错开频点或错开地址码在制造过程中产生的不便。
本发明的一种随机寻址自适应跳频无线话筒，包括微控制器、拾音器、音量调节电路、音频处理电路、信号混合模块、跳频序列模块、射频调制解调电路、射频放大电路；拾音器输出音频信号经音频处理电路处理后，与微控制器发出的数字控制信号在信号混合模块中进行混合，经射频调制解调电路调制到工作频率上，再经射频放大电路放大，发射出调制信号；微控制器根据用户要求经过音量调节电路向音频处理电路发出音量控制信号，根据微控制器预存的跳频序列模块控制射频调制解调电路的工作频率；射频放大电路接收接收机的应答信号，经射频调制解调电路解调，通过信号混合模块送到微控制器，微控制器根据应答信号决定发送下一段音频信号或者再重发音频信号；其特征在于 还具有随机信号生成电路、地址生成模块和脉宽调制电路； 随机信号生成电路在开机或复位建立新的通信连接之后，受微控制器控制产生随机数字信号； 地址生成模块加载于微控制器中，开机或复位建立新的通信连接之前，将微控制器FLASH中的公共地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中；开机或复位建立新的通信连接之后，采样随机数字信号并随机生成私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中，将RAM存储器中的公共地址码或私密地址码作为数字控制信号的一部分在信号混合模块中与音频信号进行混合； 脉宽调制电路在开机或复位时，受微控制器控制产生一种直流电压控制射频放大电路的增益为最小，与近距离的接收机通信；在和接收机建立新的私密地址通信连接之后，受微控制器控制产生可变的直流电压，控制射频放大电路的增益大小，调节与接收机通信距离。
所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于 还具有红外发射电路；地址生成模块在开机或复位时，采样随机数字信号并随机生成私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中，通过红外发射电路向接收机发送。
所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于 所述地址生成模块，随机生成私密地址码所使用的代数式为 X＝Xm+Xn+随机信号生成电路产生的随机数字信号； 式中，左边的X为生成的地址码，生成第一个地址码时，先对式中右边X赋十六进制初值，继后所产生的地址码是以前一个地址码为初值，m、n为正整数； 或者
式中，左边的X为生成的地址码。生成第一个地址码时，先对式中右边2个X各赋十六进制初值，继后所产生的地址码是以前2个地址码为初值，n、j为正整数，N为给定的正整数，0＜j＜n＜N-1。
所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于，对于数字音频 所述音频处理电路由前置放大电路和A/D转换电路组成，音频信号经前置放大电路放大后，再由A/D转换电路转换为数字音频信号，送到信号混合模块与微控制器发出的数字控制信号进行封装； 所述信号混合模块为数字帧封装模块，将数字音频信号与微控制器发出的数字控制信号进行数字帧封装； 所述随机信号生成电路由微控制器和音频处理电路中的A/D转换电路取代，微控制器对A/D转换电路输出的数字音频流进行采样，作为数字随机信号。
所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于，对于模拟音频 所述音频处理电路为前置放大电路；所述信号混合模块为信号混合电路。
本发明的一种随机寻址自适应跳频无线接收机，包括射频放大电路、射频调制解调电路、跳频序列模块、信号分离模块、音频还原电路、音量调节电路、微控制器、音频放大电路；射频放大电路将接收的调制信号送到射频调制解调电路解调后，经信号分离模块分离为音频信号和数字控制信号，其中音频信号经音频还原电路还原、音频放大电路放大后输出；微控制器根据用户要求经过音量调节电路向音频还原电路发出音量控制信号，根据微控制器预存的跳频序列模块控制射频调制解调电路的工作频率；其特征在于 还具有脉宽调制电路和地址比较模块； 脉宽调制电路在开机或复位时，受微控制器控制产生一种直流电压控制射频放大电路的增益为最小，与近距离的无线话筒通信；在无线话筒和接收机建立新的私密地址通信连接之后，受微控制器控制产生可变的直流电压，控制射频放大电路的增益大小，调节与无线话筒通信距离； 地址比较模块加载于微控制器中，接收信号分离模块分离的数字控制信号，将其中的地址码与微控制器的RAM中的公共地址码或者私密地址码比较，微控制器根据比较结果控制音频还原电路是否还原音频信号，根据比较结果产生正确接收或者错误接收的应答信号，经过信号分离模块，由射频调制解调电路调制，通过射频放大电路向无线话筒发送； 所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于 还具有红外接收电路，红外接收电路在开机或复位时，接收无线话筒发来的私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中。
所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于，对于数字音频 所述音频还原电路为D/A转换电路，将信号分离模块分离的数字音频信号还原为模拟音频信号。
所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于，对于模拟音频 所述信号分离模块为信号分离电路，分离出模拟音频信号和数字控制信号。
一般教室或会议室讲台与相邻教室或会议室讲台之间的距离最短在5米以上，每一对无线话筒和接收机如果同时使用，在开机或复位时距离在5米以上；如果距离在5米内，只要每对无线话筒和接收机在开机或复位时时间上错开即可；或者收发双方通过红外线传输连接初始化设置数据；本发明就可以实现无线话筒与和接收机任意配对使用，与其它无线话筒不再发生串扰。
所有的无线话筒和接收机在生产过程中都预置全部相同的地址码，每一对无线话筒和接收机在近距离(如5米内)使用，开机或复位时，无线话筒和接收机的微控制器发送脉宽调制信号使双方的射频放大电路的增益为最小，无线话筒和接收机先建立无冲突的工作频率跳频链接，同时无线话筒的音频信号与数字控制信号(含地址码)混合，调制到工作频率上，经射频放大电路发射出去。接收机解调出音频信号和数字控制信号，其中解调出的地址码与接收机微控制器RAM存储器里暂存的地址码相比较，如相同就还原音频信号，反之则停止还原，并返回接收正确或错误的应答数字控制信号。当连接的收发双方工作频率和地址码全部确认相同后，无线话筒的微控制器读入随机发生器的随机数字信号与某种工程算法相加，产生若干个字节新的随机私密地址码，发送到接收机，并暂存在接收机的微控制器的RAM存储器里，从而错开了公共地址码，也就错开了其它无线话筒和接收机。最后，收发双方的微控制器发送可变的脉宽调制信号调节双方射频放大电路的增益大小，使无线话筒和接收机能在可变距离内实现正常的音频传输。
或者所有的无线话筒和接收机在生产过程中都预置全部相同的地址码，开机或复位时，无线话筒的微控制器读入随机发生器的随机数字信号与某种工程算法相加，产生若干个新的随机私密地址码，通过红外发射电路发射出去。接收机的红外接收电路接收发来的随机私密地址码后，暂存在接收机的微控制器的RAM存储器里，从而错开了公共地址码，也就错开了其它无线话筒和接收机。最后，收发双方的微控制器发送可变的脉宽调制信号调节双方射频放大电路的增益大小，使无线话筒和接收机能在可变距离内实现正常的收发音频传输。
本发明实现在大规模场合里任意一个无线话筒能随时随地与任意的接收机配对使用，不与其它无线话筒装置发生串扰；同时也因无线话筒和接收机都预置相同的公开地址，为大规模生产同一个模式的无线话筒和接收机带来方便。
图1是本发明原理框图，其中粗箭头为音频流，细箭头为微控制器发出或读入控制信号流。
具体实施例方式 下面结合附图，对本发明优选具体实施例进行描述。
图1是本发明原理框图，上半部分为无线话筒，下半部分为接收机；每对无线话筒和接收机在开机或复位时，使用距离在5米以上，或时间上有先后使用次序，或使用红外线传输初始化连接设置，就可以正常工作。
在开机或复位时，无线话筒的音频信号与数字控制信号(含地址码)混合，调制到工作频率上，并通过功率放大发射出去；接收机在同一个工作频率下接收调制信号，并解调出音频信号和数字控制信号。然后，数字控制信号读入微控制器处理，判断无线话筒发来的地址码与接收机微控制器RAM里暂存的地址码是否相同，决定是否还原此时的音频信号，同时发送确认或错误应答数字控制信号。
无线话筒和接收机都预置有全部公开的相同的地址码。
无线话筒和接收机在开机或复位时，双方的微控制器发出脉宽调制信号，使双方的射频放大电路增益设置在最小，双方只能在5米内的距离工作。因为双方预置有相同的地址码，故无线话筒发出的调制信号可以被接收机接收，并返回正确应答信号，表示双方工作频率和地址相同。然后，无线话筒采样随机信号发生器的数字信号，并与某种工程算法相加，产生的私密地址码，发送到接收机，并暂存在接收机控制器的RAM存储器里。最后，收发双方的微控制器发出可变得脉宽调制信号，调节收发双方的射频放大电路的增益大小，从而调节双方通信距离，并实现正常的音频传输。
或者无线话筒和接收机在开机或复位时，无线话筒采样随机信号发生器的数字信号，并与某种工程算法相加，产生的私密地址码，通过红外发射电路，发送到接收机的红外接收电路，把私密地址码暂存在接收机微控制器的RAM存储器里。最后，收发双方的微控制器发出可变得脉宽调制信号，调节收发双方的射频放大电路的增益大小，从而调节双方通信距离，并实现正常的音频传输。
无线话筒产生随机地址码机制是无线话筒的微控制器采样随机数字信号发生器的数字信号，与某种工程算法相加，生成私密地址码，与其它无线话筒和接收机的地址码碰撞的机率极低。比如说，收发双方都设置5个字节的地址码，那么地址总数就会有1.1*1012个地址码。
本发明可在模拟音频和数字音频两种环境下实现任意配对的工作方式。
实施例1从无线话筒的调制到接收机解调并还原都是模拟音频信号，控制信号为数字信号，其中包含地址码。
在无线话筒和接收机，采用甚高频(VHF)段或特高频(UHF)段或微波段射频电路收发模块，后面接射频放大电路。此种射频放大电路含有直流增益控制端，由微控制器控制其增益大小。同时射频电路收发模块也接受微控制器提供跳频序列图案实现工作频率跳频，使收发双方建立相同的频率通信。在单片机微控制器的FLASH或EEPROM内存储器首先预置存储全部公开而相同的若干个字节地址码。以单片机微处理器为例，在单片机微处理器当中用C语言写好了一段程序，当开始工作时，单片机微处理器将地址码等一些参数读入FLASH或EEPROM或RAM片内存储器。通过单片机微处理器上的一些参数，对模拟音频与数字控制信号混合电路、射频收发模块、功率放大模块进行初始化配置参数，如发射功率、发射频率、发射信道跳频图等的初始参数，使其在开机或复位时收发双方能在5米内正常收发工作。随后无线话筒的微处理器使随机信号发生器工作，采样随机数字信号，与某种工程算法相加，产生随机的若干个字节私密地址码，并发送到接收机，随后与其它对无线话筒和接收机不再发生碰撞。
在本实施例中，由于无线话筒产生了唯一的随机私密地址码和跳频扩频技术的方式实现了无冲突的模拟音频功能，也就达到了任意配对的目的。收发双方地址码的不一致，模拟音频传输就没有办法实现，跳频扩频技术又避免了同频干扰，达到了防止串音和高密度环境下使用的目的。
实施例2无线话筒有A/D转换器，把模拟音频信号转换为数字音频信号，与无线话筒的地址码、同步码、效验码组成一个规定长度的数字帧，再调制在工作频率上。接收机有D/A转换器，接收机解调出数字帧，分离出地址码和数字音频。其中数字音频由D/A转换器还原。
无线话筒和接收机，采用微波段的射频收发模块，如采用带有DSP或CPLD或FPGA或ARM系列微处理器的射频收发模块。
无线话筒能接受A/D转换后的数字音频，并带含有直流增益控制端的射频放大电路。在收发双方开机或复位时，数字音频信号与地址码、同步码、效验码等组成一定长度的数字帧，调制在工作频率上，同时微控制器发出脉宽调制信号使射频放大电路的增益为最小，再发射出去。在近距离(如5米内)的接收机因有相同预置的地址码，可以建立新的连接。随后，无线话筒的微控制器采样A/D转换后数字信号(相当于随机信号发生器)，与某种工程算法相加，随机产生若干个字节的私密地址码，并随数字控制信号一起发送到接收机。接收机收到私密地址码后，就读入微控制器RAM存储器中，作为是否接收和还原后面数字音频信号的地址识别码。最后，收发双方的微控制器发出可变的脉宽调制信号，调节射频放大电路的增益大小，从而调节双方的通信距离，随后就能正常实现音频传输。
在本实施例中，收发双方开机或复位后，无线话筒产生私密随机地址码，并通过红外发射电路发送到接收机的红外接收电路，暂存在接收机的微控制器RAM存储器中，作为是否接收和还原后面数字音频信号的地址识别码。最后，收发双方的微控制器发出可变的脉宽调制信号，调节射频放大电路的增益大小，从而调节双方的通信距离，随后就能正常实现音频传输。
在本实施例中，收发双方建立新的连接后，由于无线话筒产生了唯一的私密随机地址码和跳频扩频技术的方式实现了无冲突的数字音频功能，唯一的私密随机地址码的寻址匹配才会达到无冲突的通信，也就达到了传输音频信号的目的。如果地址码的不一致，音频传输就不会实现，跳频扩频技术又避免了同频干扰，达到了防止串音和高密度环境下使用的目的。
在本实施例中，无线话筒和接收机都设有对应的3种颜色指示灯，作为无线话筒和接收机握手识别信号；无线话筒设有3个按键，分别是放音/暂停键、音量减小键、音量增大键；无线话筒设有立体声辅助输入，为教师携带的MP3或CD机播放提供方便。
在本实施例中，在数字音频部分设计的无线话筒考虑了低压低功耗的设计。经系统测试，系统电流低于90mA，对于9v电池大小而容量为3300mAh锂电池，可以可以至少连续使用35小时以上；同时采用手机充电器方式来对其供电，一个无线话筒锂电池可以使用若干年时间，为每一个教师分配一个无线话筒提供了现实基础。
权利要求
1.一种随机寻址自适应跳频无线话筒，包括微控制器、拾音器、音量调节电路、音频处理电路、信号混合模块、跳频序列模块、射频调制解调电路、射频放大电路；拾音器输出音频信号经音频处理电路处理后，与微控制器发出的数字控制信号在信号混合模块中进行混合，经射频调制解调电路调制到工作频率上，再经射频放大电路放大，发射出调制信号；微控制器根据用户要求经过音量调节电路向音频处理电路发出音量控制信号，根据微控制器预存的跳频序列模块控制射频调制解调电路的工作频率；射频放大电路接收接收机的返回应答信号，经射频调制解调电路解调，通过信号混合模块送到微控制器，微控制器根据应答信号决定是否发送下一段音频信号或者再重发音频信号；其特征在于
还具有随机信号生成电路、地址生成模块和脉宽调制电路；
随机信号生成电路在开机或复位建立新的通信连接之后，受微控制器控制产生随机数字信号；
地址生成模块加载于微控制器中，开机或复位建立新的通信连接之前，将微控制器FLASH中的公共地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中；开机或复位建立新的通信连接之后，采样随机数字信号并随机生成私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中，将RAM存储器中的公共地址码或私密地址码作为数字控制信号的一部分在信号混合模块中与音频信号进行混合；
脉宽调制电路在开机或复位时，受微控制器控制产生一种直流电压控制射频放大电路的增益为最小，与近距离的接收机通信；在和接收机建立新的私密地址通信连接之后，受微控制器控制产生可变的直流电压，控制射频放大电路的增益大小，调节与接收机通信距离。
2.如权利要求1所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于
还具有红外发射电路；地址生成模块在开机或复位时，采样随机数字信号并随机生成私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中，通过红外发射电路向接收机发送。
3.如权利要求1或2所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于
所述地址生成模块，随机生成私密地址码所使用的代数式为
X＝Xm+Xn+随机信号生成电路产生的随机数字信号；
式中，左边的X为生成的地址码，生成第一个地址码时，先对式中右边X赋十六进制初值，继后所产生的地址码是以前一个地址码为初值，m、n为正整数；
或者
式中，左边的X为生成的地址码。生成第一个地址码时，先对式中右边2个X各赋十六进制初值，继后所产生的地址码是以前2个地址码为初值，n、j为正整数，N为给定的正整数，0＜j＜n＜N-1。
4.如权利要求3所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于，对于数字音频
所述音频处理电路由前置放大电路和A/D转换电路组成，音频信号经前置放大电路放大后，再由A/D转换电路转换为数字音频信号，送到信号混合模块与微控制器发出的数字控制信号进行封装；
所述信号混合模块为数字帧封装模块，将数字音频信号与微控制器发出的数字控制信号进行数字帧封装；
所述随机信号生成电路由微控制器和音频处理电路中的A/D转换电路取代，微控制器对A/D转换电路输出的数字音频流进行采样，作为数字随机信号。
5.如权利要求3所述的随机寻址自适应跳频无线话筒，其特征在于，对于模拟音频
所述音频处理电路为前置放大电路；所述信号混合模块为信号混合电路。
6.一种随机寻址自适应跳频无线接收机，包括射频放大电路、射频调制解调电路、跳频序列模块、信号分离模块、音频还原电路、音量调节电路、微控制器、音频放大电路；射频放大电路将接收的调制信号送到射频调制解调电路解调后，经信号分离模块分离为音频信号和数字控制信号，其中音频信号经音频还原电路还原、音频放大电路放大后输出；微控制器根据用户要求经过音量调节电路向音频还原电路发出音量控制信号，根据微控制器预存的跳频序列模块控制射频调制解调电路的工作频率；其特征在于
还具有脉宽调制电路和地址比较模块；
脉宽调制电路在开机或复位时，受微控制器控制产生一种直流电压控制射频放大电路的增益为最小，与近距离的无线话筒通信；在无线话筒和接收机建立新的私密地址通信连接之后，受微控制器控制产生可变的直流电压，控制射频放大电路的增益大小，调节与无线话筒通信距离；
地址比较模块加载于微控制器中，接收信号分离模块分离出数字控制信号，将其中的地址码与微控制器的RAM中的公共地址码或者私密地址码比较，微控制器根据比较结果控制音频还原电路是否还原音频信号，根据比较结果产生正确接收或者错误接收的应答信号，经过信号分离模块，由射频调制解调电路调制，通过射频放大电路向无线话筒发送；
7.如权利要求6所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于
还具有红外接收电路，红外接收电路在开机或复位时，接收无线话筒发来的私密地址码，暂存在微控制器的RAM存储器中。
8.如权利要求6或7所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于，对于数字音频
所述音频还原电路为D/A转换电路，将信号分离模块分离的数字音频信号还原为模拟音频信号。
9.如权利要求6或7所述的随机寻址自适应跳频无线接收机，其特征在于，对于模拟音频
所述信号分离模块为信号分离电路，分离出模拟音频信号和数字控制信号。
全文摘要
随机寻址自适应跳频无线话筒及其接收机，属于短距离无线通信音频发射及接收装置，解决无线话筒和接收机任意配对问题以及生产厂家在制造过程中的不便。本发明无线话筒，包括微控制器、拾音器、音量调节电路、音频处理电路、信号混合模块、跳频序列模块、射频调制解调电路和射频放大电路，还具有随机信号生成电路、地址生成模块和脉宽调制电路；本发明接收机包括射频放大电路、射频调制解调电路、跳频序列模块、信号分离模块、音频还原电路、音量调节电路、微控制器、音频放大电路，还具有脉宽调制电路和地址比较模块。本发明实现大规模场合无线话筒与接收机任意配对，不与其它话筒发生串扰；同时为生产同一个模式的无线话筒与接收机带来方便。
文档编号H04B5/02GK101309088SQ20081004827
公开日2008年11月19日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年7月4日
发明者陆云龙, 张会铭, 雷志华 申请人:华中科技大学