CN107302375B - 一种音频fm调制电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种音频FM调制电路，包括：将模拟音频信号经过FM调制而输出频率区别于FM广播频段内所包含频率的FM射频信号的FM调制单元；与FM调制单元相连接而传送FM射频信号的电缆。本发明的音频FM调制电路能够通过电缆输出频率与普通FM广播不重叠的FM射频信号，从而解决了模拟音频信号的FM调制问题，可以形成具有多个频道的一套FM调频立体声广播放射系统，减少了信号间的相互干扰，输出信号稳定清晰。尤其是应用于高铁动车组时，能够使旅客得到高品质音乐享受，丰富了旅客的乘车娱乐需求，具有很好的实用和应用前景。
Description
技术领域
本发明属于信号处理领域，涉及一种用于对模拟音频信号进行FM调制并输出的音频FM调制电路，尤其是一种适用于高铁动车组列车上的音频FM调制电路。
背景技术
近年随着高铁等动车组铁路网的建设以及越来越多的高铁动车组列车在高铁线上运行，满足了广大的旅客出行快捷的愿望。为了更进一步满足旅客的乘车服务享受需求，普遍的在高铁动车组等列车的一等座座椅扶手上设计有供旅客使用的座椅扶手娱乐音频输出设备，这个座椅扶手娱乐音频输出设备一般输出几路FM调频立体声的音乐、动车组车厢电视伴音、车厢系统的广播等信号。目前这些输出的信号都是采用现有的FM射频信号广播进行传输，接收，解调解码的。它的信号调制环节输出FM广播频段内设定频率的射频信号并通过电磁波形式进行传送，因此存在因与广播信号频率重叠而存在干扰、无线信号传输不稳定等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够为座椅扶手娱乐音频输出设备提供无干扰的稳定FM信号的音频FM调制电路。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种音频FM调制电路，包括：
将模拟音频信号经过FM调制而输出频率区别于FM广播频段内所包含频率的FM射频信号的FM调制单元；
与所述FM调制单元相连接而传送所述FM射频信号的电缆；
所述音频FM调制电路的FM调制单元与高铁动车组列车的控制系统相连接，所述电缆连接至所述高铁动车组列车的座椅扶手处的娱乐音频输出设备。
优选的，所述FM调制单元包括：
第一插件，所述第一插件包括用于连接外接直流电源的电源插口、用于输入所述模拟音频信号的音频输入插口、用于输出所述FM射频信号的FM射频输出插口、用于输出监听信号的监听输出插口；
电源模块，所述电源模块与所述第一插件的电源插口相连接，所述电源模块将所述外接直流电源转换为多路稳定的系统电源后输出；
微处理器，所述微处理器由一路所述系统电源供电，所述微处理器用于设置和控制FM调制的若干路频点参数和所述FM射频信号的参数并输出控制信号；
第一放大器，所述第一放大器与所述第一插件的音频输入插口相连接，所述第一放大器将所述模拟音频信号放大为放大音频信号；
FM_调制器，所述FM_调制器由一路所述系统电源供电，所述FM_调制器分别与所述微处理器、所述第一放大器相连接，所述FM_处理器基于所述微处理器输出的控制信号而将所述放大音频信号调制为原始射频信号并输出；
第二放大器，所述第二放大器由一路所述系统电源供电，所述第二放大器与所述FM_调制器相连接，所述第二放大器将所述原始射频信号固定增益放大为一级放大射频信号并输出；第三放大器，所述第三放大器由一路所述系统电源供电，所述第三放大器与所述第二放大器相连接，所述第三放大器将所述一级放大射频信号功率放大为所述FM射频信号并输出，所述FM射频信号连接至天线和/或所述第一插件的FM射频输出插口；
第四放大器，所述第四放大器分别与所述第一插件的音频输入插口、监听输出插口相连接，所述第四放大器将所述模拟音频信号放大为所述监听信号并输出至所述监听输出插口。
优选的，所述FM_调制器包括将所述放大音频信号调制为调制信号的FM射频处理芯片、与所述FM射频处理芯片相连接而用于控制射频调制和频率频点的射频调制和频率频点控制电路。
优选的，所述射频调制和频率频点控制电路包括与所述FM射频处理芯片相连接而将所述调制信号转换为电压信号的转换电路、与所述FM射频处理芯片相连接以产生基础频点并输出锁相环电压信号的锁相环电路、分别与所述转换电路和所述锁相环电路相连接并可调节地实现频率合成而输出所述原始射频信号的频率合成电路。
优选的，所述电源模块包括与所述第一插件的电源插口相连接而将所述外接直流电源降压为一级电源并作为一路所述系统电源输出的开关电源、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第一二级电源并作为一路所述系统电源输出的第一稳压器、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第二二级电源并作为一路所述系统电源输出的第二稳压器、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第三二级电源并作为一路所述系统电源输出的第三稳压器；
所述开关电源与所述第三放大器相连接，所述第一稳压器与所述微处理器相连接，所述第二稳压器与所述FM_调制器相连接，所述第三稳压器与所述第二放大器相连接。
优选的，所述微处理器连接有用于选择设置多路所述频点的第二插件、对其提供调试时所需电源的第三插件、对其进行软件调试和板级测试的仿真电路、指示其工作状态的指示灯、复位电路中的一种或几种的组合。
优选的，所述微处理器与所述FM_调制器之间通过通讯数据线、通讯时钟线和芯片通讯数据选通线相通信。
优选的，所述第一放大器连接有向其输入调试信号的第四插件。
优选的，所述FM射频处理芯片连接有用于设置低通滤波时间常数的设置电路。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的音频FM调制电路能够通过电缆输出频率与普通FM广播不重叠的FM射频信号，从而解决了模拟音频信号的FM调制问题，可以形成具有多个频道的一套FM调频立体声广播放射系统，减少了信号间的相互干扰，输出信号稳定清晰。尤其是应用于高铁动车组时，能够使旅客得到高品质音乐享受，丰富了旅客的乘车娱乐需求，具有很好的实用和应用前景。
附图说明
附图1为本发明的音频FM调制电路的系统框图。
附图2为本发明的音频FM调制电路中电源模块的开关电源DC/DC的部分电路图。
附图3为本发明的音频FM调制电路中电源模块的开关电源DC/DC的部分电路图。
附图4为本发明的音频FM调制电路中电源模块的第一稳压器的电路示意图。
附图5为本发明的音频FM调制电路中电源模块的第二稳压器的电路示意图。
附图6为本发明的音频FM调制电路中电源模块的第三稳压器的电路示意图。
附图7为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的复位电路的电路示意图。
附图8为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的仿真电路JTAG的电路示意图。
附图9为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的第二插件的电路示意图。
附图10为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的指示灯的电路示意图。
附图11为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的第三插件CON1×3B的部分电路示意图。
附图12为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的第三插件CON1×3B的部分电路示意图。
附图13为本发明的音频FM调制电路中第一插件的音频输入插口和监听输出插口的示意图。
附图14为本发明的音频FM调制电路中第一插件的FM射频输出插口的示意图。
附图15为本发明的音频FM调制电路中微处理器所连接的时钟接口电路的电路示意图。
附图16为本发明的音频FM调制电路中第一放大器的电路示意图。
附图17为本发明的音频FM调制电路中FM_调制器和微处理器的通讯接口的电路示意图。
附图18为本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的时钟电路的电路示意图。
附图19为本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的低通滤波时间常数设置电路的部分电路示意图。
附图20本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的低通滤波时间常数设置电路的部分电路示意图。
附图21为本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的模拟音频输入接口电路的电路示意图。
附图22为本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的射频调制和频率频点控制电路的电路示意图。
附图23为本发明的音频FM调制电路中FM射频处理芯片所连接的射频输出电路的电路示意图。
附图24为本发明的音频FM调制电路中第二放大器的电路示意图。
附图25为本发明的音频FM调制电路中第三放大器的电路示意图。
附图26为本发明的音频FM调制电路中第四放大器的部分电路示意图。
附图27为本发明的音频FM调制电路中第四放大器的部分电路示意图。
附图28为本发明的音频FM调制电路中第四放大器的部分电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。
实施例一：一种应用于高铁动车组列车上的音频FM调制电路，用于向高铁动车组列车的座椅扶手处的娱乐音频输出设备输出多路FM射频信号，它包括FM调制单元以及电缆。
FM调制单元用于将模拟音频信号经过FM调制而输出FM射频信号，该FM射频信号的频率区别于FM广播频段内所包含频率，即FM射频信号的频率与通常的FM广播频段内的全部频率均不重叠。该FM调制单元与高铁动车组列车的控制系统相连接，从而获得待调制的模拟音频信号。电缆与FM调制单元相连接，并连接至高铁动车组列车的座椅扶手处的娱乐音频输出设备，从而将与FM调制单元输出的FM射频信号传输至高铁动车组列车的座椅扶手处的娱乐音频输出设备，以供旅客选择收听。电缆可以采用同轴电缆，如50欧姆阻抗的同轴电缆。
如附图1所示，FM调制单元包括第一插件CON、电源模块、微处理器MCU、第一放大器PA3、FM_调制器FM_RADIO、第二放大器PA1、第三放大器PA2、第四放大器PA4。此外，该FM调制单元还可以包括分别与微处理器MCU相连接的第二插件CON2×3、第三插件CON1×3B、仿真电路JTAG、指示灯LED1和LED2、复位电路中的一种或几种的组合。FM调制单元包括还包括与第一放大器连接的向其输入调试信号的第四插件CON1×3A。
第一插件CON用于连接与高铁动车组列车的控制系统，它包括用于连接24V外接直流电源的电源插口、用于输入模拟音频信号的音频输入插口L_R_IN、用于输出FM射频信号的FM射频输出插口FM_OUT和用于输出监听信号的监听输出插口L_R_OUT。
电源模块与第一插件CON的电源插口相连接，从而电源模块将外接直流电源转换为多路稳定的系统电源后输出。
具体的，电源模块包括开关电源DC/DC、第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2、第三稳压器LDO3，从而该电源模块能够输出四路系统电源。开关电源DC/DC与第一插件CON的电源插口相连接而获得24V外接直流电源，该开关电源DC/DC将外接直流电源降压为12V的一级电源，该开关电源DC/DC的输出分为多条输出支路，其中一条输出支路作为一路系统电源输出。第一稳压器LDO1与开关电源DC/DC的一条输出支路相连接，从而将开关电源DC/DC输出的12V的一级电源降压和稳压为5V的第一二级电源后输出。相类似的，第二稳压器LDO2与开关电源DC/DC的一条输出支路相连接，从而将开关电源DC/DC输出的12V的一级电源降压和稳压为5V的第二二级电源后输出。第三稳压器LDO3与开关电源DC/DC的一条输出支路相连接，从而将开关电源DC/DC输出的12V的一级电源降压和稳压为5V的第三二级电源后输出。第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2、第三稳压器LDO3各自的输出第一二级电源、第二二级电源、第三二级电源分别构成电源模块所输出的一路系统电源。
如附图2和附图3所示，开关电源DC/DC主要包括用作电源转换而将24V直流电源降压转换为12V直流电源的DC/DC芯片U4。24V外接直流电源BAT24V0连接用于过流保护的自恢复保险器件F1的1端，自恢复保险器件F1的2端连接至DC/DC芯片U4的电源输入脚PIN7。自恢复保险器件F1的2端与地之间先并接电容C594和稳压二极管D1，该电容C594和稳压二极管D1用于对输入电源ESD、浪涌电流进行保护。自恢复保险器件F1的2端与地之间在并接电容C44、电容C30、电容C25，该电容C44、电容C30、电容C25用于对输入电源ESD、浪涌电流进行保护。DC/DC芯片U4的PIN2、PIN3无用悬空，PIN5是电路启动使能允许脚而连接启动电路，启动电路包括串接于外接直流电源与地之间的电阻R34和电阻R35，在电阻R34和电阻R35的中点取得分压后的启动电压，该启动电压输入至DC/DC芯片U4的PIN5，控制DC/DC芯片U4上电自动启动。DC/DC芯片U4的PIN8是内部的开关管输出端，其连接蓄流电感L7的1端，D蓄流电感L7的1端与地之间连接有起到吸收蓄流电感L7的反电动势作用的快速恢复肖特二极管D5，起到避免反电动势损坏DC/DC芯片U4的PIN8内部连接的开关管的作用。蓄流电感L7的2端连接滤波蓄流电路，该滤波蓄流电路包括并接于蓄流电感L7的2端与地之间的电容C29、电容C24以及与蓄流电感L7的2端串接的电感L10，电感L10的另一端即输出稳定可靠的12V的一级电源BAT_12V0。电容C28是DC/DC芯片U4的内部时钟的一个振荡器电容，连接在蓄流电感L7的1端和DC/DC芯片U4的PIN1之间。蓄流电感L7的2端与地之间设置有串接的电阻R33和电阻R32，电阻R33和电阻R32的中点对DC/DC芯片U4的输出电压分压后接入DC/DC芯片U4的PIN4，用对对DC/DC芯片U4输出电压进行采样回馈。一级电源BAT_12V0再连接由电感L14、电感L13和电容C31构成的一个LC的T型滤波网络，进一步提高12V直流输出的一级电源的质量，还可以起到隔离后续的FM射频信号的租用，避免把FM射频信号通过电源输入端子回馈到电源上，减少对其他电子设备的干扰和影响。DC/DC芯片U4的PIN6是其电源地脚，而PIN9为DC/DC芯片U4的散热焊盘，DC/DC芯片U4工作时具有一定的发热情况，因此需要散热焊盘进行散热。J32是电源插件，其PIN1与第一插件CON的电源插口提供的24V外接直流电源BAT24V0相连接，PIN3连接一级电源BAT_12V0，从而该电源插件可以用作电源兼容24V、12V输入的备份功能。
附图4至附图6分别是第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2和第三稳压器LDO3的电路图，这几个稳压器的基本电路构成是相同的。以附图6所示的第三稳压器为例，第三稳压器主要包括稳压芯片U2。12V的一级电源12V0经过电容C368和电容C304的滤波蓄流后输入到稳压芯片U2的PIN3而进行降压和稳压，并由稳压芯片U2的PIN4和PIN2连接到一起并形成电源输出。稳压芯片U2的输出通过串接的电阻R308和电阻R307分压而采样，并通过稳压芯片U2的PIN1回馈。稳压芯片U2的PIN4即是电源输出脚，也是散热焊盘脚。稳压芯片U2的PIN4和PIN2连接到一起后，经过电容C301和电容C366的蓄流而输入到磁珠电感B1进行滤波，从而提高电源输出质量，输出最终的5V的第三二级电源5V0。第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2与第三稳压器LDO3的电路构成相同，分别参见附图4和附图5，不再赘述。
上述第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2和第三稳压器LDO3与附图2中的开关电源DC/DC也较为类似，主要区别在于：第一稳压器LDO1、第二稳压器LDO2和第三稳压器LDO3是LDO型稳压器，电流可以达到1A，利用半导体器件的负反馈放大特性进行PN节耗散电压方式稳压，因此需要较好的散热。
微处理器MCU由一路系统电源(即第一稳压器LDO1输出的一路5V第一二级电源)供电，它用于设置和控制FM调制的若干路频点参数和FM射频信号的参数并输出控制信号。微处理器MCU主要包括一个具有丰富接口的8位微处理器芯片U45，采用STM8S207。
如附图7所示，微处理器芯片U45的复位电路并没有采用专用的复位芯片来控制微处理器芯片U45的复位功能，而是使用了人工按键和阻容自动上电复位电路，这样成本较小，电路简单、稳定可靠。复位电路包括电阻R232和电容C391组成的阻容充电电路、手动控制按键K5，电阻R232和电容C391的中点连接至微处理器芯片U45的PIN1，NRST脚。在电容C391的充电过程中提供一个持续的低电压事件，提供给微处理器芯片U45的低压复位输入PIN1NRST脚。
微处理器MCU的测试接口JTAG所连接的片上调试系统符合2线SWD标准，可用于对微处理器MCU进行软件调试和板级测试。仿真电路JTAG如附图8所示，设计中采取SWD模式以进行JTAG调试连接。J27是一个三脚的插件头，其PIN1连接微处理器MCU的NRST脚，PIN2连接SWIM仿真调试脚，PIN3接地。
如附图9所示，微处理器MCU连接有第二插件CON2×3用来设置多路频点。具体的，第二插件CON2×3主要包括插件J25、J26，插件J25的三脚均接地，插件J26的三脚分别连接微处理器MCU的微处理器芯片U45的PIN24-PIN26，且微处理器芯片U45的PIN24-PIN26分别连接上拉到D_5V0的电阻R322、R321、R320。该第二插件CON2×3采用BCD编码的方式来选择控制频点，插件J25、J26的插口插上跳线则对应为数据0，拔掉跳线则对应为数字1，从而可以通过第二插件CON2×3向微处理器芯片U45输入对应的二进制编码，对应为数据0-7，经过微处理器MCU的采样数据设置，可以控制设置多路频点，提供8个不同的频点设置。
如附图10所示，微处理器MCU连接有指示灯来指示其工作状态。电阻R325与LED8相串联并与D_5V0相连接，在系统上电后LED8长亮作为电源指示灯。电阻R319和LED6相串联后连接到微处理器芯片U45的PIN41作为系统运行指示灯，系统正常工作状态下，LED6间隔0.5s亮灭闪烁来提示系统正在工作。这里的LED8、LED6即对应附图1中的LED1、LED2。
如附图11和附图12所示，第三插件CON1×3B主要包括插件J32和J34，主要是提供调试的时候的电源输入输出使用，方便连接外围设备。
如附图13所示，第一插件CON的模拟音频信号输入插口输入一路立体声输入UDIO_IN_L，AUDIO_IN_R，监听输出插口输出一路立体声输出输出COM_L和COM_R。
如附图14所示，第一插件CON的FM射频输出插口用于与外部的设备板卡的音频输入输出，输入电平在1Vpp以内，输出电平可达3Vpp以上。
如附图15所示，微处理器MCU的时钟接口电路使用8MHz晶振，经过内部的PLL电路进行倍频分频设置不同的内部运行频率，主要驱动微处理器MCU核心以及SPI通讯等外设，提供稳定可靠的时钟波特率。X7为8MHZ晶体时钟，与微处理器芯片U45的PIN2、PIN3相连接，电容C389和电容C390为晶体时钟X7的匹配电容。电容C394、电容C395、电容C396、电容C399、电容C400为构成电源输入的退耦电容组并与微处理器芯片U45相连接。
第一放大器PA3与第一插件CON的音频输入插口L_R_IN相连接，第一放大器PA3将模拟音频信号放大为放大音频信号。如附图16所示，第一放大器PA3主要起到隔离放大模拟音频信号并保护后面的电路作用。它包括一颗双运放放大器U49，采用同向电容耦合输入模拟音频信号，负反馈输出放大后的模拟音频信号，即放大音频信号。其输入信号为AUDIO_IN_L，AUDIO_IN_R等语音模拟信号，输出为L_INPUT，R_INPUT信号，输出的放大音频信号传送给FM_调制器FM_RADIO的模拟音频输入接口电路。其中U81为输入信号保护ESD器件，可以短路吸收输入信号过来的浪涌以及静电释放，达到保护后级电路的作用。
FM_调制器FM_RADIO由一路系统电源(即第二稳压器LDO2输出的一路5V第二二级电源)供电，FM_调制器分别与微处理器MCU、第一放大器PA3相连接，FM_处理器FM_RADIO基于微处理器MCU输出的控制信号而将放大音频信号调制为原始射频信号并输出。FM_调制器包括将放大音频信号调制为调制信号的FM射频处理芯片U40、与FM射频处理芯片U40相连接而用于控制射频调制和频率频点的射频调制和频率频点控制电路。
如附图17所示，微处理器与FM_调制器之间通过通讯数据线BH_DATA、通讯时钟线BH_CLK和芯片通讯数据选通线BH_CS相通信。芯片通讯数据选通线BH_CS低电平有效。FM射频处理芯片U40与微处理器MCU的通讯接口采用SPI的通讯方式。串联电阻R299、R300、R301后对应FM射频处理芯片U40的PIN32、PIN31、PIN30。数据是单向的，只可以写，不能够读，三根数据线分别同微处理器芯片U45的PIN33、PIN32、PIN31脚相连接。三个电阻R299、R300、R301的作用主要是保护FM射频处理芯片U40的口线不受较大的输入电流导致管脚损坏。
由于FM射频处理芯片U40不但能够处理FM射频信号的调制，同时也有内部的数字逻辑电路需要控制，因此也需要PLL时钟支持其内部的数字逻辑，要求是7.6MHZ晶体振荡器，经过内部的PLL锁相环电路得到内部的逻辑控制电路和射频模块使用的时钟。如附图18所示，X5是石英晶体，电容C219、电容C220是匹配电容，FM射频处理芯片U40的PIN3、PIN35是2个晶体振荡器输入脚。
附图19和附图20主要是FM射频处理芯片U40的左右声道的LPF低通滤波时间常数设置电路。该设置电路主要包括电容C221、电容C225、电容C4、电容C133，其中电容C221连接在FM射频处理芯片U40的PIN12和PIN13之间，电容C225连接在FM射频处理芯片U40的PIN14与地之间，电容C4连接在FM射频处理芯片U40的PIN43和PIN44之间，电容C133连接在FM射频处理芯片U40的PIN42与地之间。从而通过上述不同容值的电容C221、电容C225、电容C4、电容C133来调节FM射频处理芯片U40的LPF低通滤波时间常数的长短。FM射频处理芯片U40的PIN15和PIN41脚分别为左右声道的输出低通滤波常数设置，与该PIN15相连接的电容C247和与该PIN41相连接的电容C205需要按一定的值进行设置。FM射频处理芯片U40的PIN40，PIN16是立体声调制器的匹配电容输入，分别对应电容器件为C206、C233，电容C206的另一端与PIN41相连接，电容C233的另一端与PIN14相连接。电容C252、电容C278、电容C218、电容C22均为电源属于端的滤波匹配电容，起到滤波蓄流的作用，电容C252、电容C278并接于FM射频处理芯片U40的PIN17与地之间，电容C218连接于FM射频处理芯片U40的PIN36与地之间，电容C22连接于FM射频处理芯片U40的PIN39与地之间。
附图21为FM_调制器FM_RADIO的模拟音频输入接口电路。通过第一插件CON把立体声模拟音频信号AUDIO_IN_L、AUDIO_IN_R输入给第一放大器PA3中的双运放放大器U49进行放大，然后输出处理过的放大音频信号L_INPUT，R_INPUT经过模拟音频输入接口电路给FM射频处理芯片U40。以左声道的模拟音频输入接口电路说明，其包括电容C266、电容C264、电阻R242、电阻R241，其中电容C264和电阻R242并接，且在其前端串接电容C266、在其后端串接电阻R241，从而组成一个电阻电容模拟信号选择网络，完成信号的输入。在上述电路中，电容C266主要是隔直作用，用于去除输入的模拟音频信号的直流成分，电容C264、电阻R242、电阻R241组成一个T型低通滤器，滤除无关的高频信号，使输入的模拟音频信号质量得以提高。相类似的，电容C276、电容C277、电阻R247、电阻R249组成了右声道的模拟音频输入接口电路。FM射频处理芯片U40的PIN1与地之间连接电容C263，FM射频处理芯片U40的PIN2、PIN4之间串接电容C262和电阻R238，而电容C262和电阻R238的中点则连接至FM射频处理芯片U40的PIN3，从而构成左声道信号T型低通滤波器的时间常数配置电路。相类似的，FM射频处理芯片U40的PIN11与地之间连接电容C275，FM射频处理芯片U40的PIN10、PIN8之间串接电容C267和电阻R246，而电容C267和电阻R246的中点则连接至FM射频处理芯片U40的PIN9，从而构成右声道信号T型低通滤波器的时间常数配置电路。
用于控制射频调制和频率频点的射频调制和频率频点控制电路如附图22所示，其包括与FM射频处理芯片U40相连接而将调制信号转换为电压信号的转换电路、与FM射频处理芯片U40相连接以产生基础频点并输出锁相环电压信号的锁相环电路、分别与转换电路和锁相环电路相连接并可调节地实现频率合成而输出原始射频信号的频率合成电路。具体的，转换电路为：FM射频处理芯片U40的PIN18与地之间依次串接电阻R260、电容C284、电阻R262、电阻R263，FM射频处理芯片U40的PIN19依次串接电阻R251和电容C253，电容C253的另一端连接至电容C284和电阻R262的中点。通过该转换电路，可以将FM语音信号的调制信号转换为电压信号的输出，输出由电阻R262和电阻R263的中点引出，并经过串接的电容C285和电阻R264输出，使得模拟语音信号得到调制，输出一个微小的电压信号。锁相环电路为：FM射频处理芯片U40的PIN20与地之间串接电阻R265和电阻R267，FM射频处理芯片U40的的PIN21连接电阻R279后连接至电容C298的2端，电容C298的1端连接至FM射频处理芯片U40的PIN22，FM射频处理芯片U40的PIN21和PIN22之间还并接有电容C297和电阻R272，FM射频处理芯片U40的PIN22再串接电阻R273和电阻R274后连接至电阻R264的输出一端，而电阻R273和电阻R274的中点与地之间连接电容C299。从而FM射频处理芯片U40的PIN20、PIN21、PIN22所连接的器件构成了一个FM射频频点的锁相环电路，主要用于产生基础频点，由电阻R274输出一个PLL锁相环电压。频率合成电路为：FM射频处理芯片U40的PIN23先串接电阻R275和电容C302后分为三路并联支路，一路并联支路上连接电感L11，一路并联支路上连接电容C327，一路并联支路上串接电容C326和变容二极管BB202，而电阻R264的输出一端经过电容R412连接至电容C326和变容二极管BB202的中点。FM射频处理芯片U40的PIN23和PIN24之间通过电容C300连接，FM射频处理芯片U40的PIN24与地之间还连接有电容C328。因此，频率合成电路主要由LC电路组成，上述电感L11、电容C327、变容二极管BB202、电容C326、电容C302、电阻R275、电容C275、电容C328一起组成了LC振荡电路，震荡频率可以由公式推算出对应的电感电容值，选取合适的参数可以使输出的FM频段覆盖38Mhz-48Mhz的频段，符合动车组等列车的FM广播需求。通过改变变容二极管BB202的反向节电压，调整电容量的大小，以达到改变频率的目的，完成了音频信号的FM射频调制。FM射频处理芯片U40的PIN26脚是RF调整电路，主要由电阻R276、电阻R277、电容C355组成。
FM射频处理芯片U40的射频输出电路如附图23所示，FM射频处理芯片U40的PIN28是FM射频芯片的射频输出脚，它连接选频输出网络和π型输出负载匹配网络构成的射频输出电路，从而输出调制好的原始射频信号RF_TX_OUT。选频输出网络由电感L12、电阻R278、电容C357、电容C358、电容C359组成，电容C357、电容C359串联后分别并联电感L12和电阻R278构成并联电路，并联电路的一端连接FM射频处理芯片U40的PIN28，另一端连接系统电源，而电容C357、电容C359的中点则串联电容C358构成选频输出网络的输出，通过该选频输出网络可以减少奇次谐波的影响。π型输出负载匹配网络包括电阻R297、电阻R298、电阻R279，电阻R297与选频输出网络的输出串联，电阻R298、电阻R279分别连接于电阻R297的前端与地之间、电阻R297的后端与地之间，从而电阻R297的后端输出调制好的原始射频信号RF_TX_OUT。至此，FM射频处理芯片U40完成了模拟音频信号的输入，FM调制，FM输出。
FM_调制器的输出所连接的第二放大器PA1如附图24所示，它主要完成一个固定的增益放大作用，放大初始射频信号RF_TX_OUT达到10倍，也就是20db的增益大小。第二放大器PA1由一路系统电源(即第三稳压器LDO3输出的一路5V第三二级电源)供电，第二放大器PA1与FM_调制器FM_RADIO相连接，从而第二放大器PA1将原始射频信号RF_TX_OUT固定增益放大为一级放大射频信号并输出。第二放大器PA1包括的放大芯片U92是主要的放大器件，原始射频信号RF_TX_OUT经过电容C443以隔直电容耦合的方式输入放大芯片U92的PIN3信号输入脚。放大芯片U92的PIN6是电源输入脚，连接第三稳压器LDO3。此外PIN6还可以通过电阻R425连接一路备用输入电源，R425未接时备用电源未连接。电容C442、电容C455、电容C456并接于放大芯片U92的系统电源与地之间，起到提供放大芯片U92的的输入电源滤波作用。放大芯片U92的系统电源与其PIN7之间连接的电感L27提供一个FM射频输出的直流偏置，并隔离射频信号回馈到电源端。放大后的一级放大射频信号由放大芯片U92的PON3经耦合电容C444输出给下一级的放大电路。
第二放大器PA1所连接的第三放大器PA2如附图25所示，第三放大器PA2由一路系统电源(即开关电源DC/DC输出的12V直流电源)供电，第三放大器PA2将一级放大射频信号功率放大为FM射频信号并输出，FM射频信号则通过电缆连接至天线和/或第一插件的FM射频输出插口，再通过电缆连接至座椅扶手处的娱乐音频输出设备。故第三放大器PA2主要完成FM射频信号的功率放大，并通过天线或者是同轴电缆方式发射出去。原始射频信号RF_TX_OUT经过第二放大器PA1放大输出后，经过电容C444以隔直电容耦合方式传输给第三放大器PA2。放大芯片U90是第三放大器PA2的主要的放大器件，它是一个宽频带，高增益的射频功率BJT放大器，对FM射频放大输出功率可以达到1W。电容C444输入的一级放大射频信号输入放大芯片U90的PIN2输入脚。放大芯片U90的PIN4是其电源输入脚，PIN1、PIN3是电源接地端，组成一个共射极的放大电路。其中电容C441、电感L29、电容C445、电阻R508、电阻R419组成一个偏置电路，提供给放大芯片U90输入的一级放大射频信号一个工作直流偏置电压。具体的，电容C441连接于12V系统电源与地之间，12V系统电源还连接串联的电感L29和电容C445，电感L29和电容C445的中点再串接电阻R508、电阻R418、电阻R419后接地，电阻R418、电阻R419的中点与放大芯片U90的PIN2相连接。放大芯片U90的PIN1通过并接的电阻R420、电阻R422接地，放大芯片U90的PIN3通过并接的电阻R421、电阻R434接地，构成一个信号放大的电流回路。电感L33、电感L37、电容C446、电容C447、电感L28一起组成一个T型滤波网络，主要是为放大芯片U90提供一个高质量的低噪声输入电源。12V系统电源先连接电感L33后分为三路，一路串接电感L37、电感L38后连接至放大芯片U90的PIN4，一路连接电容C447后接地，一路连接电容才446后接地。放大芯片U90放大后的FM射频信号经电容C448隔离直流后输出。在放大芯片U90的输出端，即电容C448的后端，并联的R423和R424为可选电路，选择其中之一就可以了，仅仅决定了信号的流经路径。电容C449、电感L30、电容C450构成一个低通滤波和阻抗匹配电路，电容C451、电感L31、电容C452构成另一个低通滤波和阻抗匹配电路。若使用电阻R424所在的支路时，将是2级的滤波，可以形成带通滤波；若使电阻用R423所在的支路，则电容C450之前电路断开，则仅使用一个低通滤波电路。在低通滤波和阻抗匹配电路之后，并接的电容C453与电感L32提供FM射频低通滤波和负载匹配调整的作用，它也可以不使用，悬空即可。从而，一级放大射频信号经放大芯片U90为核心的第三放大器PA2放大后，经C452电容耦合输出最终的FM射频信号RF_TX_PA_OUT，此信号接第一插件CON的同名网络输出，即FM射频输出插口。
该音频FM调制电路要求经过第一插件输出一路语音信号给监控使用的耳机提供监听信号。因此设计了监听功能，即设计一路声音输入，放大，再输出的电路。第四放大器PA4分别与第一插件CON的音频输入插口L_R_IN、监听输出插口L_R_OUT相连接，第四放大器PA4将模拟音频信号放大为监听信号并输出至监听输出插口。如附图26至附图28所示，第四放大器PA4和第一放大器PA3类似，同样的AUDIO_IN_L、AUDIO_IN_R等模拟音频信号，输出为L_OUTPUT、R_OUTPUT信号，经过电阻R361、电阻R340，得到输出到第一插件CON的监听信号COM_L、COM_R，U80与U81是一样浪涌以及静电抑制器件，起到保护耳机输入带来的ESD等高压损坏作用。
本实施例的音频FM调制电路的工作原理如下：
音频FM调制电路包含模拟音频信号的调整、调制，FM频率控制，FM信号放大，FM信号的功放，以及微处理器MCU电路多种规格供电电源变换，工作状态指示，模拟音频监听等等多种电路的组合。
FM调制单元包括：
第一插件CON，主要用于连接系统供电的直流电源24V DC以及输入的模拟音频电信号L_R_IN，监听模拟音频电路输出的信号L_R_OUT，调制放大驱动后的FM信号FM_OUT。
开关电源DC/DC模块主要是把第一插件CON输入的直流24V电源转换为整个FM信号调制主板系统使用最高电源，目前转换方式是降低一半的电压也就是12V DC，采用DC/DC，可以增加电源的转换效率减少电源的损耗。12V DC一方面给第三放大器PA2供电，又接有3路LDO电源转换电路(三个稳压器)，分别给微处理器MCU，FM_调制器FM_RADIO和第二放大器PA1供电。
微处理器MCU电路主要包括微处理器MCU本身的最小系统，主要包括了稳压器LDO1，采用5V系统；FM调频部分的频率选择跳线CON2×3。可以设置最多达到8个不同的频点；仿真JTAG电路，主要用于主机如电脑与MCU微处理器的硬件连接进行软件调试作用，微处理器MCU通过控制通讯总线与FM_调制器FM_RADIO部分进行连接，进行频点控制等软件方面的控制和设置。微处理器MCU部分还预留有插件CON1X3B插件，可以提供微处理器MCU的外加直流5V电源或者是5V电源输出，便于调试等。此外微处理器MCU电路还提供了发光二极管LED指示灯状态指示系统的工作状态，正常工作以一定的频率交替亮灭闪烁。
FM_调制器FM_RADIO部分主要是模拟音频电信号经过FM调频，形成FM射频电波的发射部分的核心电路部分，是一颗集成IC芯片。FM_调制器FM_RADIO主要包括模拟音频信号预处理电路，第一放大器PA3、第四放大器PA4等。其中PA3接收来自于第一插件CON输入的模拟音频信号L_R_IN，经过第一放大器PA3、第四放大器PA4缓冲，放大，其中第一放大器PA3部分放大后输入FM_调制器FM_RADIO，进行FM射频调制，形成调制后的FM射频信号。第四放大器PA4部分的模拟音频信号经过放大后，回馈到第一插件CON的端子，作为监听输入模拟音源的作用，可以接耳机功放进行监听。
原始调制信号由FM_调制器FM_RADIO输出后，又经过了第二放大器PA1、第三放大器PA2两级的放大处理，最终形成FM射频信号，通过同轴电缆，经过下边的射频分配混合单元，传输给动车组一等座椅VIP扶手的FM接收装置进行FM解调解码输出模拟音频信号。第二放大器PA1是对FFM_调制器M_RADIO输出的信号进行预放大，放大幅度不大，主要提高FM调频波放大后的增益用来驱动第三放大器PA2。第三放大器PA2是FM_调制器FM_RADIO的输出级功放，可以达到较高的输出功率，达到1W的发射功率，便于信号的分配，远距离传输。第三放大器PA2放大的信号，经过阻抗匹配电路后输出到插件第一CON，用于连接下边的设备。
FM调频立体声需要一整套的信号调制，传输，解调等设备，本发明的音频FM调制电路处于这套系统的信号调制环节，主要解决模拟音源信号的FM调制需求。多路的音频信号需要多个FM调制板进行射频信号的混合输出通过一根同轴电缆即可传输，形成具有多个频道的一套FM调频立体声广播放射系统。同时使旅客得到高品质音乐享受，丰富了旅客的乘车娱乐需求。因此本发明在高铁等动车组旅客信息服务系统中具有很好的实用和应用前景。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种音频FM调制电路，其特征在于：所述音频FM调制电路包括：
将模拟音频信号经过FM调制而输出频率区别于FM广播频段内所包含频率的FM射频信号的FM调制单元；
与所述FM调制单元相连接而传送所述FM射频信号的电缆；
所述FM调制单元与高铁动车组列车的控制系统相连接，所述电缆连接至所述高铁动车组列车的座椅扶手处的娱乐音频输出设备；
所述FM调制单元包括：
第一插件，所述第一插件包括用于连接外接直流电源的电源插口、用于输入所述模拟音频信号的音频输入插口、用于输出所述FM射频信号的FM射频输出插口、用于输出监听信号的监听输出插口；
电源模块，所述电源模块与所述第一插件的电源插口相连接，所述电源模块将所述外接直流电源转换为多路稳定的系统电源后输出；
微处理器，所述微处理器由一路所述系统电源供电，所述微处理器用于设置和控制FM调制的若干路频点参数和所述FM射频信号的参数并输出控制信号；
第一放大器，所述第一放大器与所述第一插件的音频输入插口相连接，所述第一放大器将所述模拟音频信号放大为放大音频信号；
FM_调制器，所述FM_调制器由一路所述系统电源供电，所述FM_调制器分别与所述微处理器、所述第一放大器相连接，所述FM_调制器基于所述微处理器输出的控制信号而将所述放大音频信号调制为原始射频信号并输出；
第二放大器，所述第二放大器由一路所述系统电源供电，所述第二放大器与所述FM_调制器相连接，所述第二放大器将所述原始射频信号固定增益放大为一级放大射频信号并输出；
第三放大器，所述第三放大器由一路所述系统电源供电，所述第三放大器与所述第二放大器相连接，所述第三放大器将所述一级放大射频信号功率放大为所述FM射频信号并输出，所述FM射频信号连接至天线和/或所述第一插件的FM射频输出插口；
第四放大器，所述第四放大器分别与所述第一插件的音频输入插口、监听输出插口相连接，所述第四放大器将所述模拟音频信号放大为所述监听信号并输出至所述监听输出插口。
2.根据权利要求1所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述FM_调制器包括将所述放大音频信号调制为调制信号的FM射频处理芯片、与所述FM射频处理芯片相连接而用于控制射频调制和频率频点的射频调制和频率频点控制电路。
3.根据权利要求2所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述射频调制和频率频点控制电路包括与所述FM射频处理芯片相连接而将所述调制信号转换为电压信号的转换电路、与所述FM射频处理芯片相连接以产生基础频点并输出锁相环电压信号的锁相环电路、分别与所述转换电路和所述锁相环电路相连接并可调节地实现频率合成而输出所述原始射频信号的频率合成电路。
4.根据权利要求1所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述电源模块包括与所述第一插件的电源插口相连接而将所述外接直流电源降压为一级电源并作为一路所述系统电源输出的开关电源、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第一二级电源并作为一路所述系统电源输出的第一稳压器、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第二二级电源并作为一路所述系统电源输出的第二稳压器、与所述开关电源相连接而将所述一级电源降压和稳压为第三二级电源并作为一路所述系统电源输出的第三稳压器；
所述开关电源与所述第三放大器相连接，所述第一稳压器与所述微处理器相连接，所述第二稳压器与所述FM_调制器相连接，所述第三稳压器与所述第二放大器相连接。
5.根据权利要求1所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述微处理器连接有用于选择设置多路所述频点参数的第二插件、对其提供调试时所需电源的第三插件、对其进行软件调试和板级测试的仿真电路、指示其工作状态的指示灯、复位电路中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述微处理器与所述FM_调制器之间通过通讯数据线、通讯时钟线和芯片通讯数据选通线相通信。
7.根据权利要求1所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述第一放大器连接有向其输入调试信号的第四插件。
8.根据权利要求2所述的一种音频FM调制电路，其特征在于：所述FM射频处理芯片连接有用于设置低通滤波时间常数的设置电路。
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