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语音键控器

语音键控器
借助这个分体式语音键控器,使比赛变得简单省力
作者:阿伦·贝克,呼号是KG4JJH
翻译:LifeWieller
本文已发表于《电子制作》2015年9月刊

对于我来说,2008年六月的ARRL VHF通连比赛是尝试我的新装备的好机会。我的Elecraft 222MHz射频前端(transverter)和自制的八木天线表现不错,但是问题在于,在这个频段进行通联的人很少,多数时间都只能听到刺耳的CQ声,
比赛过后,我开始在市面上寻找能够自动进行CQ呼叫的语音键控器。市面上的语音键控器大多是基于电脑声卡实现的,但我希望它能够脱离电脑独立工作。经过一番搜寻,我找到一种录音芯片,型号是HK828,宣称可以以8KHz采样率录制多条语音信息。相比其他语音存储芯片,这种芯片可以在不使用单片机的情况下存储2、4或8条固定长度语音信息[注释1:HK828,录音/回放芯片,Jaycar Electronics,元件编号ZZ8200,最低起订金额25美元(2片芯片可以达到最低起订金额),www.jaycar.com/products_uploaded/ZZ-8200.pdf]。
我购买了几片芯片及所需的其它元件,首先在面包板上搭建电路测试,随后动手设计了印刷电路板,并制作了一个较为完善的、带有外壳的版本。语音键控器通过自制的CAT-5电缆连接至八重洲FT-857电台。整个键控器元器件成本约75美元,能够实现以下功能:
⚪ 以8KHz采样率、4KHz带宽存储两条16秒语音信息,或6.4KHz采样率,3.2KHz带宽存储四条10秒语音信息;
⚪ 内置扬声器和音频放大器;
⚪ 带有信息选择按钮;
⚪ 带有播放/录音开关和LED指示灯;
⚪ 带有发射使能/禁止选择开关;
⚪ 直接使用电台手咪录音;
⚪ 带有变压器隔离、输出电平可调的音频输出功能和自动PPT切换功能;
⚪ 信息1可以以2到25秒的间隔循环播放;
⚪ 通过合适的RJ-45连接线,可以配合任何电台使用

电路介绍
HK828芯片可以提供高质量的单芯片录音及回放功能,录音时长可达32-60秒。芯片内部包括振荡器,麦克风前置放大器,自动增益控制,抗混叠滤波器,平滑滤波器,音频放大器和高密度存储单元。音频信息存储在非易失存储器中,可以在完全断电后保存信息。音频键控器的电路原理图如图1所示,完整的元件清单可参考QST网站[注释2:www.arrl.org/files/qst-binaries/]。

——功能选择
语音键控器所有功能都可以通过前面板控制,见题图。音量和电源开关由带有电源开关的电位器R18(VOL)控制,旁边的指示灯DS1(PWR)指示整机电源电源状态。输出电平通过电位器R17(XMT LVL)调节,R19(DELAY)控制信息1重复播放的间隔时间。按钮S1和S2可以播放或录制信息1或信息2,按键开关S3切换播放或录音功能,按键开关S4切换语音回放或发射功能(XMT ON/OFF)。在录音或播放时红色LED指示灯DS2闪烁。

——U1,录音芯片HK828
录音采样率决定了录音音质。HK828采样率通过采样时钟振荡电阻设定,电阻和采样率关系见表1。
在随机存取模式下,HK828可通过设置MSEL1和MSEL2引脚电平选择语音存储数量,可以选择存储2条,4条或8条语音信息,每条信息长度等于总存储时间除以信息条数。通常电台音频带宽为2.5KHz到3KHz,可以将24脚(MSEL1)接地,25脚(MSEL2)接VCC,选择最高的采样率以保证声音不失真。此时R6阻值为24KΩ,采样率为8KHz,可以存储两条16秒的信息。如果你对音质要求不是很高,可将R6换成38KΩ,并将24脚接VCC,25脚接地,在这种情况下可以保存4条10秒语音信息,此外,还需要额外两个单刀单掷按键开关控制信息3和信息4播放或录制。将JP1置于ON位置可以打开蜂鸣音,置于OFF位置关闭蜂鸣音。
如果有需要,你也可以为语音键控器增加内置驻极体麦克风,方法并不复杂,在HK828数据表中有介绍。但是内置麦克风会采集所有声音,包括按键声音及其它噪声。鉴于此,并且为了简单起见,我决定使用电台手咪的麦克风。

——U2,单稳态触发器MC14538B
MC14538B内部集成两个单稳态触发器,可以选择在输入脉冲上升沿或下降沿触发,输出脉冲宽度可在较大范围内调整,脉冲持续时间和时间精度可通过RxCx引脚外接的元件设定。当R以欧姆为单位,C以法拉为单位时,脉冲宽度等于R乘以C,单位为秒。
U1在录音和回放时会产生低电平有效的BUSY信号,BUSY信号通过U4D反相后进入U2A,作为循环播放间隔时间触发信号。当间隔时间结束后,U2A的输出端会产生一个0.2秒的低电平有效脉冲信号进入U2B输入端,从而控制U1再次开始播放。

——U3,音频功放LM386
U1能够在16Ω负载上提供12mW功率输出,但并不足以驱动扬声器,所以我在U1音频输出端增加音频功放,将输出功率提升至1/2W,驱动8Ω扬声器。

——U4,四或非门CD4001
由或非门U4B和U4C构成的置位-复位锁存器、面板上的MSG1按键和电台手咪的PTT按键一起控制信息1的循环播放功能[注释3:“Simple Set-Reset Latches”,Wikipedia,en.wikipedia.org/wiki/Latch_%28electronics%29]。按下MSG1按键同时,在锁存器RESET引脚产生一个高电平脉冲,使Q̅引脚输出高电平,开始循环播放;按下PTT按键后,PTT信号经U4A反相后拉高U1芯片CE引脚和锁存器SET引脚,使Q̅引脚输出低电平,停止循环播放。

——U5,稳压芯片LM7805
语音键控器可使用13.8V电源供电。整机电源通过J3输入,经过保护二极管D1后为U3、继电器K1及稳压芯片U5供电。5V电源需要的总电流约75mA。

——K1,双刀双掷继电器
在回放模式下,U1的BUSY信号经U4D反相后通过Q1控制继电器K1吸合。此时U1输出的音频信号经隔离变压器T1输出至电台,PTT引脚通过继电器的另一组触点接地。

——T1,隔离变压器
T1可以将U1的音频输出与电台音频输入进行隔离,保证电台音频输入接地端和PTT引脚接地端互不影响。

动手制作!
你可以使用现成的语音键控器印刷电路板进行制作,或者,如果你想降低成本,也可以使用洞洞板搭建电路。
LMB有一款尺寸合适的铝制外壳可以作为语音键控器外壳。从QST网站下载全尺寸的外壳加工模板,打印出来,贴在外壳前后面板上,在每个开孔中心位置打孔,然后使用半圆锉将孔扩大至适当大小,并在每个孔位外侧磨出倒角,使外观看起来更美观。键控器内部和背面如图2和图3所示。


按键标识可以使用干性转印纸或标签机制作。电路板通过1/4英寸六角铜柱和螺丝固定在外壳上。为降低射频干扰,将外壳内部螺丝固定孔周围的油漆刮掉,使外壳和电路板接地端连接在一起。同样的,将上盖螺丝孔周围的油漆刮掉,保证上盖和底座能够良好接触。
如果你使用的是八重洲FT-817、FT-857或FT-897电台,可以直接将MH-31麦克风连接到语音键控器上,然后使用CAT-5网线将语音键控器连接到电台。如果你使用的是其他型号电台,可以将一根CAT-5网线从中间剪开,然后根据电台麦克风插座的引脚定义重新连接。这样在换用其它型号电台时只需要重新制作一根连接线,不需要额外配置跳线端子。一些常见型号电台的麦克风插座种类和引脚定义在表2中列出,图4为一些电台和语音键控器、语音键控器和麦克风连接线的引脚对应关系。

设置语音键控器
语音键控器可使用13.8V电台电源供电。首先将电位器R16调节至12点钟位置。要开始录音,将控制按键进行如下设置:
⚪ 将VOL旋钮调至12点钟位置,这同时接通语音键控器电源,面板上绿色LED点亮,指示电源已经打开;
⚪ 将XMT LVL旋钮调至12点钟位置;
⚪ 将DELAY旋钮顺时针调至最大;
⚪ 将MODE开关置于REC位置;
⚪ 将XMT开关置于OFF位置。
按住MSG1按键,对着麦克风讲话,完成后松开MSG1按键。录音过程中绝大多数电台手咪的PTT案件不需要按下。如果打开了蜂鸣音,在录音开始和结束时会各有“哔”的一声,表示录音成功。如果在松开MSG1按键之前听到了“哔”声,表明录音时间超过了芯片最大可保存时间,需要重新录制。录制完成后,将MODE开关置于PLAY位置,短按MSG1按键,即可播放录音。将VOL旋钮调至合适位置,如果没有声音失真或音量太小等现象,说明麦克风距离合适,否则调整麦克风距离后再次尝试录音。试听没有问题后,进行最终版本录音,这一次注意尽量减少录音开始和结束时的空白时间。
播放时,首先调节两次之间的播放间隔,然后按下MSG1按钮,语音信息就会以设定间隔循环播放。按下麦克风PTT按键会暂停播放语音信息,并停止信息1自动循环播放。如果想要继续循环播放信息1,再次按下MSG1按键即可。信息2没有自动循环播放功能,每按下一次MSG2按键信息2会播放一次。如果当前正在播放一条语音信息,按下当前信息对应的按键会停止播放当前信息,按下其他信息对应的按键会停止播放当前信息,发出“哔”的提示音,短暂延时后播放按键对应的信息。

使用语音键控器
首先将电台天线端连接至假负载,将语音键控器XMT开关置于ON位置,按下MSG1或MSG2按键播放信息,然后调节XMT LVL旋钮,使键控器输出电平和直接用麦克风通连时的发射电平相同。如果单独调节XMT LVL旋钮难以达到合适电平,可以调节电位器R16辅助调节。然后将假负载换成天线,尝试发射,根据实际通联效果进行微调并记下各旋钮位置以便以后使用。在比赛过程中,可以将信息1设为CQ呼叫,将信息2设为回复通连报告,如位置,使用设备或其他相关信息。
如果在发送CQ的间隙听到有人回应,按下麦克风的PTT按键即可进行通联。在通联结束后,按下MSG1按键可以继续进行CQ呼叫。

结语
在通联比赛中,语音键控器给我带来了很大方便。键控器可以独立工作,可以调节各项参数,并且带有LED指示灯可以了解其工作状态。语音键控器可以存储两条或四条信息,并且可以使用不同的连接线配合不同电台工作。在实际通联中,语音键控器的表现也非常出色,你甚至无法通过音质分辨是语音键控器还是操作员。让语音键控器把你从重复的CQ呼叫中解放出来,享受比赛的乐趣吧!

ARRL会员阿伦·贝克,呼号是KG4JJH,一直以来梦想成为一名火腿,并在2000年首次获得业余电台执照,目前他持有业余中级执照。阿伦在田纳西科技大学获得工业工程学士学位,毕业后在橡树岭美国能源部下属的一家武器工厂担任仪器仪表及控制工程师职位。阿伦目前活跃在单边带和数字通信模式,在他的业余时间,阿伦喜欢进行较高难度的通连,自制天线和电台附件。阿伦的地址是211号,Brochardt Blvd, Knoxville, TN 37934,电子邮箱是kg4jjh@arrl.net

表1——U1外围元件参数
振荡电阻
R6(KΩ) 采样率
(KHz) 输入带宽
(KHz) 录音时间
(Sec) 录音数量 MSEL1引脚(24脚) MSEL2引脚(25脚)
84 4.2 2.1 60 8 +5V +5V
38 6.4 3.2 40 4 +5V Ground
24 8.0 4.0 32 2 Ground +5V

表2——常见电台手咪引脚定义
引脚 八重洲FT-817/857/897
8脚RJ-45插头 建武TS-570/2000
8脚圆插头 ICOM IC-746PRO
8脚圆插头
1 Fast Mic Input Mic Input
2 Ground PTT +8V
3 PTT Down Up/Down
4 Mic Input Up Squelch
5 Mic Ground +8V PTT
6 +5V NC Ground
7 Up Mic Ground Mic Ground
8 Down Ground AF Output

图1——语音键控器电路原理图,元件清单可以到QST网站下载。
图中以小数标识的电容容量单位为微法(μF),其他电容容量单位为皮法(pF),电阻单位为欧姆,K = 1,000,M = 1,000,000。
注释1:如果需要存储4条语音信息,将U1的24脚接+5V,25脚接GND,R改为38K,并在U1第3脚、第4脚和地之间增加两个单刀单掷按键。
注释2:为八重洲FT-817/857/897的手咪和电台引脚定义。

图2——制作好的语音键控器内部照片。

图3——语音键控器背面照片,从左至右依次是扬声器孔,电源接口和MIC OUT接口。

图4——一些电台和语音键控器的接线图。

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