红外音频直通传输系统设计.docx

键入文字红外音频直通传输系统设计目录内容摘要1第1章 绪论11.1研究背景11.2研究意义11.3 本设计研究内容和关键技术2第2章 课题总体设计22.1课题设计要求22.1.1本设计主要功能22.1.2 系统组成22.2系统设计思路32.3系统工作原理3第3章 系统硬件设计33.1电路设计软件的功能与作用33.2红外音频主要元器件的选择43.3红外音频主要元器件介绍43.4主要硬件电路设计63.4.1 音频信号输入模块电路设计63.4.2 红外发射模块电路设计63.4.3 红外接收模块电路设计73.4.4 前置放大器模块电路设计73.4.5 匹配模块电路设计83.4.6 功率放大器模块电路设计83.4.7 指示模块电路设计93.4.8 电源模块电路设计9第4章 系统调试104.1音频传输系统硬件的制作104.1.1音频传输系统硬件制作方法的研究104.1.2音频传输系统硬件制作过程114.2音频传输系统的测试效果135结论145.1 系统实现功能145.2 系统总结145.3 系统展望14附录16附录1：系统发射原理图16附录2：系统接收原理图16附录3：系统发射PCB图17附录4：系统接收PCB图17附录5：发射实物图18红外音频直通传输系统设计【内容摘要】在传统的音频播放系统中，音频信号的传输及播放在很多情况下依赖各种各样的线缆，使得播放系统的收发端需要有许多的线缆方可传输语音信号，这滋生出很多问题，例如线缆传输连线比较麻烦，需要有特制接口等。随着无线电通信技术的发展，特别是近距离的无线电通信技术的出现，使音频的传输不再仅仅依靠线缆。红外无线信号传输是一种利用红外线为传输载体进行信号传输的近距离无线传输技术，它具有高保密性强、安全性高、功耗低、成本低等优点。本文通过对模拟电路与无线光通信的理论的研究，设计出短距离无线光通信音频传输系统，其中涉及到选择相应电子元件，应用 Altium Designer 专业电路设计软件做电路的设计，进行实际电路的调试，对现有电路按实际的需要进行调整，形成能够达到本文目的的电路设计，最后进行 PCB 制版，形成可以实际应用的特色电子产品，旨在有效改善传统音频信号传输的不足，促进无线光通信产品的发展。【关键词】红外光；音频；直通传输；系统设计I 第1章 绪论1.1研究背景在当今信息技术和通信技术高速发展的时代，人们之间的通信手段发生了很大程度的变化，由于信息的交流主角主要是人，而人的最重要的通信手段是通过语音与视频，故音频的传输及播放有着很重要的地位。在普通的音频播放系统中，音频数据的传输及播放仍然离不开各种各样的线缆，这使得播放系统音频的传输必须用大量的电缆将收发端接连起来，这导致很多问题，例如线缆传输连线比较麻烦，需要有特制接口，特别是当杂乱无章的线缆遍布整个房间，不但使播放系统携带不便，而且影响环境美观。科学技术的飞速发展，特别是无线电通信技术的出现，给音频的传输带来了福音。有线通信是以导线来送信息，无线通信是以与电磁波传送信息，与传统的有线通信相比，无线通信具有无可比拟的优越性，使得用户能够体验最大的灵活性和移动性。无线通信技术主要有红外无线光通信技术、蓝牙技术以及WIFI技术。红外无线光通信技术的发展对以有线传输音频的播放系统影响很大，使得音频播放系统在传输方面步入一个崭新的时代。红外无线光通信是以红外线为载体在空中进行传播来传输音频信号及数据，具有高保密性强、安全性高、功耗和成本低等优点。红外无线光通信的应用主要体现在在遥控和数据传输方面，多应用在近距离无线通信的场合，例如实验室、教室的语音教学系统及居室等。1.2研究意义采用红外无线光传输音频信号具有以下优点：(1)红外无线光信号通信具有较高的信息传输速率。红外光频率高于无线电频率，载波频率越高，能提供信息传输速率也会越高，且红外光无需申请频率资源。1(2)红外无线光通信可实现绿色通信。红外光无法穿过不透明物，故不同房间的通不相互干扰，保密性高；而且红外发射管在一定的角度内发射，视距外的设备无法干扰音频信号的传输，增加了系统的安全性。2(3)红外无线光信号传输基本利用强度调制，红外接收部分只需要通过探测红外光信号的强度即可完成信号的解调，不需要复杂的光接收设备就可以实现红外无线光信号的光电转换，且也无需有限线缆的连接；这不仅降低了系统的成本，也使系统的后期维护变得简单。3(4)红外无线光音频通信系统具有较高的可靠性。红外光探测器的尺寸远大于红外光的波长，减弱了多径衰落的影响，且不易受空间高频电磁波的影响。3这些优点使红外传输在某些领域具有很大的发展空间，本课题把红外传输技术应用在近距离通信场合(室内)，以红外信号作为传输载体，设计了基于红外光传输的音频播放系统。1.3 本设计研究内容和关键技术在本设计与制作过程中主要对以下几个内容研究，并阐述其关键技术(1)红外音频发射、接收技术的研究； (2)红外音频直通传输系统的传输距离的研究； (3)便携式电源的研究；（4）稳压电源技术的研究；(5)前置放大器的研究;(6)功率放大器的研究。第2章 课题总体设计2.1课题设计要求2.1.1本设计主要功能 本文主要研究通信领域的红外音频直通传输系统，含以下功能：1、红外音频直通传输系统实现音频信号的传输；2、红外音频直通传输系统的传输距离不少于10米；3、红外音频直通传输系统自带电源，无需外接电源；4、本设计实现实低功耗功能；2.1.2 系统组成本设计是一个将电子、测量等多学科综合应用的系统，本系统由音频信号输入模块、红外发射模块、红外接收模块、电源模块、指示模块、前置放大器模块、功率放大器模块组成。2.2系统设计思路本系统的设计思路是，音频信号通过偶尔之后，经过红外发射模块发射，红外接收模接收音频信号，再由前置放大模块放大匹配，之后输入功率放大器模块，最后推动喇叭播放出传输的声音。音频输入红外发射模块红外接收模块前置放大模块匹配模块功率放大器模块喇叭模块图1 系统设计框图2.3系统工作原理红外音频直通传输系统的工作原理是，音频信号通过耦合之后，经过红外发射模块发射，红外接收模接收音频信号，再由前置放大模块放大匹配，之后输入功率放大器模块，最后推动喇叭播放出传输的声音。第3章 系统硬件设计3.1电路设计软件的功能与作用Altium Limited宣布发布Altium Designer10它是完全一体化电子产品开发系统的下一个版本。Altium Designer10是业界首例将设计流程、集成化PCB设计、可编程器件（如FPGA）设计和基于处理器设计的嵌入式软件开发功能整合在一起的产品。图2 Altium Designer10Altium Designer10极大地增强了对高密板设计的支持，可用于高速数字信号设计，提供大量新功能和改进，改善了对复杂多层板卡的管理和导航，可将器件放置在PCB板的正反两面，处理高密度封装技术，如高密度引脚数量的球型网格阵列(BGAs)。同时减少了带有大量管脚的器件封装在高密度板卡上设计的时间，简化了复杂板卡的设计导航功能，设计师可以有效处理高速差分信号，尤其对大规模可编程器件上的大量LVDS资源。Altium Designer10充分利用可得到的板卡空间和现代封装技术，以更有效的设计流程和更低的制造成本缩短上市时间。3.2红外音频主要元器件的选择3.2.1红外音频发射电路用到的元器件： 18650锂电池 三极管MJ2955 大功率红外发射管 三极管8050 电阻、电位器、电容、接线端子、开关、LED等基本元件3.2.2红外音频接收电路主要用到的元器件： 18650锂电池 78M05、79M05稳压芯片 红外接收管 TDA2030功放芯片 NE5532运算放大器 电阻、电位器、电容、接线端子、开关、LED等基本元件3.3红外音频主要元器件介绍（1）三极管MJ2955，其介绍如下：参数是15A/60伏，是PNP型。应用范围：音响放大。vcbo击穿电压100伏，集电集最大耗散功率115瓦。（2）三极管8050，其介绍如下：三极管8050是非常常见的NPN型晶体三极管，在各种放大电路中经常看到它，应用范围很广，主要用于高频放大。也可用作开关电路。三极管8050具体管脚分布如图:图3 8050管脚分布图（3）NE5532运算放大器，其介绍如下：NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪声性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、仪器、控制电路及电话通道放大器。用作音频放大时音色温暖，保真度高，在上世纪九十年代初的音响界被发烧友们誉为“运放之皇”，至今仍是很多音响发烧友手中必备的运放之一。NE5532具体管脚分布如图:NE5532管脚分布图（4）TDA2030功放芯片，其介绍如下：该集成电路广泛应用于汽车立体声收录音机、中功率音响设备，具有体积小、输出功率大、失真小等特点。该芯片具有内部保护电路。其外接元件少,输出功率较大,内含各种保护电路，因此工作安全可靠内含各种保护电路，因此工作安全可靠,另外TDA2030A还具有能在6V到22V的电压下工作的优点。3.4主要硬件电路设计本系统主要由音频信号输入模块、红外发射模块、红外接收模块、电源模块、指示模块、前置放大器模块、功率放大器模块组成。系统电路原理图如下：音频红外发射电路原理图 音频红外接收电路原理图3.4.1 音频信号输入模块电路设计音频信号输入模块电路是由咪头把声音信号转变为电信号，输入红外发射模块。图5 音频信号输入模块电路3.4.2 红外发射模块电路设计红外发射模块电路采用三极管搭建一个单管共射放大电路，红外发射管串接在电源与三极管集电极之间，然后调节三极管的静态工作点，使红外发射管能够发出适当强度的红外光。然后三极管的基级通过耦合电容输入音频信号，这样音频信号会间接地体现在红外光的强弱变化上来（电信号转换为红外光信号），实现音频信号通过红外发射管发射出来。图6 红外发射模块电路3.4.3 红外接收模块电路设计接收电路部分主要的工作就是实现光电转换的过程，通过红外发光二极管接收管对发射管发出的光信号进行接收，红外接收模块电路是接收到的红外线多内阻就小，接收到的红外线少内阻就大。所以当接收管接收到强弱不断变化的红外光时（音频信号时），内阻也在不断变化，红外接收管的负极引脚的电压也随着音频的信号变化而变化，通过耦合电容C9，就可以把音频信号耦合出来。图7 红外接收模块电路3.4.4 前置放大器模块电路设计前置放大器模块电路采用同向比例放大器，用NE5532芯片塔建放大21倍的同向比例放大器。因为耦合出来的音频信号还很微弱，没办法驱动扬声器，需要进一步放大。所以耦合的音频信号出来以后，经过同向比例放大电路，将信号放大21倍。信号放大21倍以后再接入射极跟随器，提高信号的驱动能力。图8 红外接收模块电路3.4.5 匹配模块电路设计匹配模块电路是为了前级与后级的良好衔接，减少信号传输收到干扰，削弱噪声等。本模块采用NE5532做电压跟随器，使前置放大器和后级功放零号匹配。图9 匹配模块电路3.4.6 功率放大器模块电路设计功率放大器模块电路是对前级放大器输出信号进行功率放大，才能推动负载。经射极跟随器出来的信号相对还是比较弱，还是不足以驱动扬声器，所以信号还需要接入功率放大器进行功率放大，这样音频信号就可以通过扬声器播放出来，本设计采用TDA2030做功率放大器。图10 功率放大器模块电路3.4.7 指示模块电路设计指示模块电路包括电源指示信号电路和红外发射信号指示电路。电源指示信号电路采用电阻限流之后接LED灯，当电源通电即亮；红外发射信号指示电路是通过电容隔离之后输入三级管的基极，LED灯与电阻串联接在三极管的发射机，当红外模块发射信号，有信号通过电容接收三级管的基极，使三极管导通，LED灯亮。图11 指示模块电路3.4.8 电源模块电路设计电源模块电路采用8V电压供电，经过电容滤波之后，接入78M05稳压，再通过电容滤波输出稳定的5V直流电压；同时8V电压经过电容滤波之后，接入79M05稳压，再通过电容滤波输出稳定的-5V直流电压；所以本系统输出双5V电压，提供给其他模块使用。图12 电源模块电路第4章 系统调试本文的电路，经过模拟仿真和实际搭建电路的测试，最终能够达到的设计指标要求。4.1音频传输系统硬件的制作4.1.1音频传输系统硬件制作方法的研究本文当中设计的电路板是按照工业制作PCB原理来制作的，主要是应用光刻工艺技术。光刻是一种图形复印和化学腐蚀相结合的精密表面加工技术。光刻的目的就是在二氧化硅或金属薄膜上面刻蚀出与掩膜版完全对应的几何图形，从而实现选择性扩散和金属薄膜布线的目的。光刻的步骤一般可分为:打底膜、涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀、去胶。打底膜和涂胶主要是为了在片子表面形成一层薄而均匀的胶膜；前烘是为了尽可能的挥发掉光刻胶中溶剂的成分；曝光是使光刻胶在掩膜板的覆盖下被光照射，使光刻胶的结构或性质发生改变；显影是把没有用的光刻胶去掉，在片子上只留下其保护作用的光刻胶；后烘就是使在显影时被软化、膨胀的胶膜变坚固，增强胶层与片子的粘贴行，增强胶膜本身的抗腐蚀能力；腐蚀就是用化学方法除去片子上不需要的部分，刻蚀出想要的图形；去胶就是把片子上胶膜用相应溶液处理掉，形成最终的成片。4.1.2音频传输系统硬件制作过程光刻的每一步都有具体的一些要求，要想让光刻的效果较为理想，就需要根据光刻胶的特性及要做成片子的情况反复的实验，才能达到最好的程度。在光刻制版当中所选用的掩膜板，是使用Altium Designer10所设计打印在硫酸纸上的PCB图形，如图6和图7：图13 音频红外发射电路PCB图图14 音频红外接收电路PCB图经过光刻制版之后，再在电路板上焊上相应的电子元器件，就完成了制版的过程。制作出来的PCB完全可以达到本文设计的要求，也具有实际应用的价值。经过焊接元器件，最后形成的电路板如下图。图15 发射电路元件面图16 发射电路布线面图17 接收电路元件面图18 接收电路布线面4.2音频传输系统的测试效果本设计在输入音频信号时，信号源采用模拟音频信号（振幅在20mV200mV，频率在20Hz20KHz），在相同振幅的情况下，输入不同频率的信号，输出信号的频率和输入信号的频率完全一致，通过相应电阻的调节，可以使输出信号的振幅与输入信号的振幅十分接近。4.2.1相关参数测试操作测试图如下：音频范围幅频参数测试图具体参数测试如下表：输入频率（Hz）205010020020000输出振幅（V）2.493.433.673.713.71由此得出本文设计电路音频范围幅频特性图如图：输入频率输出振幅 电路音频范围幅频特性图10米红外音频信号传输增益测试：发射输入信号VI为：100mVPP,1.00KHz,接收端信号VO为：1.95VPP,1.00KHz。增益计算：A=20lg(VO/VI)dB =20lg(1.95/0.1)dB =20.80 dB4.2.2分析与结论由图3.6可以看出，本设计的电路，在传输音频信号频率范围内（20Hz20KHz），信号传输的质量是很有保证的，所以本设计的带宽至少是20KHz。从图形的平坦程度来看，输入低频信号的效果要更加稳定，随着输入信号频率的增加，曲线开始弯曲，在超出音频范围的时候，信号虽然也可以被传输，但其效果就大受影响。本设计主要目的就是实现音频信号的不失真传输，主要是针对音频信号的频率是否在传输过程中发生改变这一问题来进行实验的，信号只要在发射电路和接受电路间能不失真的传输就可以。如果想把信号传送的距离在允许的范围内（实际的红外发光二极管的有效信号传输距离约为8.5米）达到尽可能远的话，只需要调节发射电路，使红外发光二极管的发射功率增加就可以。5结论5.1 系统实现功能通过了无数次试验结果表明，本文设计的红外音频直通传输系统，可以实现10米以上的信号传输，并且信号不失真，而且系统自带电源，无需外接电源，并且功耗低，传输速度快，负载能力强，简单方便，体积小，达到了设计的预期目的。5.2 系统总结通过电路的设计到实际的PCB制版，最后得到了具有短距离无线光通信信号传输作用的实际应用电路。在测试最终制作的电路时，使用信号源输出模拟语音信号，其频率在20Hz至20KHz之间，振幅在20mV至200mV之间。从传输信号的效果来看，对于低频信号的传输效果更为理想，完全能够达到实际应用的要求，但在信号频率在接近20KHz的时候，在实际应用的时候，外接的信号的传输会出输出信号幅值略有减小的放大电路部分要对信号有一个较好的放大这样在实际应用当中才会有更好的效果。但是本系统还存在缺陷，比如传输信号存在失真、传输距离不远等问题。5.3 系统展望本文设计的基于红外光通信的音频传输系统是基于红外波段的数据传输，完成了点对点的高速输出传输，同时解决了音频解码后负载能力小的问题。本系统需要完善电路设计，改进方法，音频信号需要调制之后，再发送，接收之后再解调，这样会减少信号传输的失真和增加传输距离，同时可以加大发射功率也可以增加传输距离。红外通信是通信系统中极为重要的一部分，具有有很好的应用前景。参考文献1 张小莉.红外语音通信系统的研究与设计D.延安大学,2015. 2 杨娜.基于照明用LED光源的音频信号传输D.大连工业大学,2015. 3 王若瑜.基于无线射频通信的音频传输系统的设计D.吉林大学,2010. 4 胡佳.基于ZigBee的无线音频传输系统的设计与实现D.长安大学,2011. 5 蔚俊刚.基于LPC2138的音频传输系统设计D.成都理工大学,2012. 6 杨剑飞.基于光传输的语音播放系统设计D.大连工业大学,2016. 7 赵璐.基于CC8531的语音传输系统研究与实现D.南京邮电大学,2016. 8 芦瑞琪,杨溪远.一种红外光音频传输装置的设计与实现J.电子世界, 2014(13):147-148.9 王宜童,曹洪奎,王冬霞.简易红外光音频通信装置J.辽宁工业大学学报(自然科学版), 2016, 36(2):103-105.10 牛康,李平,曹洪奎,等.基于Multisim的红外光音频传输系统的设计与仿真J. 电子世界, 2014(19):143-143.11 王頔,郝子强,张晨洁.一种红外音频传输实验系统设计J.科技资讯, 2014(30):70-70.12 Elliott D.Kaplan.Understanding GPS PrinciplesM.北京:电子工业出版社,2002.13 Proceedings of Photonics Asia M-ary Modulation in Indoor Infrared Communication Systems Enhanced by ZCZ Sequences，2004-11-01附录附录1：系统发射原理图图20 系统发射原理图附录2：系统接收原理图图21 系统接收原理图附录3：系统发射PCB图图22 系统发射PCB图附录4：系统接收PCB图图23 系统接收PCB图附录5：发射实物图图24 发射实物图附录6：接收实物图图25 接收实物图附录7：测试图图26 测试图第22页 共22页Design of Infrared Audio Transmission Systemliaoxiangyu【Abstract】 Play in the traditional audio system, audio signal transmission and playback in many cases depend on a variety of cable, the playback system transceiver need to have many cable can transmit voice signal, which breeds a lot of problems, such as cable transmission line trouble, need to have a special interface. With the development of wireless communication technology, especially the appearance of the short distance wireless communication technology, the transmission of audio is no longer only depend on the cable. Infrared wireless signal transmission is a ki