红外无线通信装置(非常详细的原理)

1、西南科技大学自动化专业方向设计报告设计名称： 红 外 光 通 信 装 置 姓 名： 杨 * * 学 号: 2 0 1 0 5 7 8 9 班 级： 自 动 1 0 0 4 班 指导教师： 武 丽 起止日期： 2013年10月15日-11月9日 西南科技大学信息工程学院制14方 向 设 计 任 务 书学生班级： 自动1004 学生姓名： 杨 * * 学号： 20105789 设计名称： 红 外 光 通 信 装 置 起止日期： 2013年10月15日-11月9日 指导教师： 武 丽 设计要求：1、 利用红外发光管和红外光接收装置作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离达到4米以上。2、 传输的

2、语音信号采用话筒输入，语音信号频率范围为 3008000Hz。3、 接收的声音无明显失真，播放音乐的时候声音不刺耳。4、 当接收装置没有接收到发射端发射的信号时，要用发光管指示。5、 装置应具有一定实用性，方便转移到新环境使用。方 向 设 计 学 生 日 志时间设计内容10.15-10.18查阅网络资料，围绕2013年电子设计大赛F题方案，制定合适的方案10.19-10.22仿真方案，并且做可行性分析10.23-10.25声音采集放大部分的设计与实际验证10.26-10.29红外光发射与接收模块的电路搭建10.30-11.3各个模块的整合以及最终电路板的搭建11.4-11.8撰写报告红外光通信

3、装置摘要：基于2013年电子设计大赛红外光通信装置题目的要求，设计了具有实际运用价值的红外光无线扩音装置。该装置由音频放大滤波电路，SPWM音频信号比较调制器，红外载波信号发生器，红外接收器，功率放大电路，LC低通滤波等模块构成。由模拟电路搭建的红外光通信信道传送经过处理的连续的音频信号，并由后级电路还原传送出来的音频信号，让喇叭发出原始音频信号。该系统能够完整的将频率范围为300Hz-8KHz的音频信号通过红外光传送4m以外并接收还原。关键词： 红外光通信；音频传送； SPWM载波Design of Infrared Communication DeviceAbstract:The infr

4、ared communication device is based on the National Undergraduate Electronic Design Contest of 2013 , but it has more practical application value . This appliance contains an amplifier , SPWM modulator audio signal comparator , an infrared carrier signal generator , IR receiver , Power amplifier circ

5、uit , LC low-pass filter . The analog circuit structures of the infrared light transmitted through the communication channel continuous audio signal processed by the post-stage circuit to restore the audio signal sent out , so that the original audio signal horn . The system can be a complete freque

6、ncy range of 300Hz-8KHz audio signals transmitted by infrared light and receive reduction up to 4m , temperature detection and transmission display . Keyword: Infrared light transmission ; Audio transmission ; SPWM 0 引言现在市面上使用较为广泛的无线技术有红外光无线以及无线电技术。无线电技术是通过无线电波传播声音或其他信号的技术，无线电波是在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段

7、的电磁波，频率为300MHz-300GHz的电磁波称为微波，也称为“超高频电磁波”。其特点是：只能进行可视范围内的通信；大气对微波信号的吸收与散射影响较大；主要用于几公里范围内，不适合铺设有线传输介质的情况，而且只能用于点到点的通信，速率也不高，一般为几百Kbps。红外是一种无线通讯方式，可以进行无线数据的传输。自1974年发明以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。红外线可分为三部分，即近红外线，波长为0.751.50m之间；中红外线，波长为1.506.0m之间；远红外线，波长为6.0l000m 之间。由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，

8、继彩电、录像机之后，在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线通信技术。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线通信技术不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。在不能架设有线线路，而使用无线电又怕暴露自己的情况下，使用红外线通信是比较好的。作为当今使用非常广泛的红外线通信，其主要运用在彩电、空调、以及小型玩具。然而在声音、图像等数据量非常大的无线传输技术中运用相对较少。今年电子设计大赛的题目要求运用红外线技术设计语音无线传输技术也是瞄向了时下新兴的技术。类似于比赛的题目要求，设计制作一个可以传输更远距离，更有实用性的红外无线话筒，不仅升华了比赛项目

9、，更增加了学习研究学科知识的兴趣。1 系统方案1.1总体方案 本系统主要需完成的任务是通过红外光传送连续的音频信号和变化的温度值。需要传送的音频信号频率范围为300HZ到8KHZ的音频信号，还原的信号无失真现象，温度数字信号传输时延不超过10S，且还要在接收端显示出当前温度值。题目中提到的两种信号分别为模拟信号和数字信号，这就要求我们选择总体方案，是选择模拟传输，还是数字传输方案。我们分析了三种方案：方案一：普通的数字传输方式，根据香农定理要还原原始信号每个周期至少要采集两个点，如果每个点以8位来计算的话，那么传输速率就要求最小为3.4K×8×2 =54.4K，它

10、远大于我们测试的最大传输速率5K。方案二：压缩数字传输，因为红外光的特性决定了其工作的特性，必须要有大于280uS的基波发送和不小于300uS 的数据传输完的等待时间，其才能正常工作的特性。那么在数据传输区的信息量就很大，经过压缩后可以缓解信道的传输压力，但是时间还是不够用，增加了软件算法的难度。方案三：模拟量传输方式，通过简单的前级处理就可以把连续的音频信号传送过去，经过相应的硬件电路解调后就可以较完整的还原原始信号。整个过程简单，不需要控制系统处理就能实现信号传送，不需要单片机的参与且效果很好。综合以上三种方案，模拟通道设计相对简单，功耗小，没有使用单片机，信号传递速度快，抗干扰能力强，选

11、择方案三。1.2 模拟信号调制方案的论证与选择 方案一：将放大后的声音信号与固定电压相比较，得到频率和原始声音信号相同，占空比固定为50%的方波，该方波传输到接收端经低通滤波还原后可以还原声音信号，但是这种方案只有频率的表示，没有将幅值信息表达在传输的信号上，还原后声音刺耳，失真严重。方案二：将放大后的声音信号与30K固定频率波形理想的三角波相比较得到与频率和幅值都有关系的SPWM波，该SPWM波经过还原后可以不失真的将声音信号还原出来驱动喇叭发生。综合以上两种方案，我们分别对两种方案进行了multisim仿真，仿真结果如下图：图1 音频调制方案一的仿真图2 SPWM波的产生和方案二

12、的仿真我们要求具有实用性，当然不能有明显失真，所以选择了方案二。1.3 发射电路设计方案的论证与选择 方案一：由555时基电路构成，电路简单，抗干扰能力强作用距离在10米以内。适合家用电器和小型仪器用途和开关。但是其电路中的原件不好匹配，电阻电容参数难设计。方案二：用三级管搭建的开关驱动电路，并在其前级加入74LS08与门，使叠加后的方波跳变更加快速。红外发送器大多是使用Ga、As等材料制成的红外发射二极管，其能够通过的LED电流越大，发射角度越小，产生的发射强度就越大；发射强度越大，红外传输距离就越远，传输距离正比于发射强度的平方根，高频三极管可以放大流过红外二极管的电流。该方法简

13、单实用。综合以上两种方案，稳定性更强的是方案二，所以选择方案二。1.4 音频还原驱动喇叭方案的论证与选择因为还原出来的音频信号功率较小有时无法使喇叭发声，所以在后级需要加入功放电路。我们小组想到了两种方案。方案一：搭建类功放的MOS桥来驱动喇叭发声，这种方式可以减少电路上的功耗损失，保证良好的音质，同时这种方案的硬件电路搭建比较困难。方案二：直接采用LM386集成功放对音频信号进行放大。这种方法简单易于实施，但是实际测试效果并不理想。综合考虑上面两种方案，要求声音无明显失真，所以选择方案二。经过各个模块方案的论证与选择，最终确定的系统总体框图如下图所示：红外线发射信号二次调制SPWM信号调制放

14、大电路语音信号采集 30K标准三角波载波 红外发射 200K方波载波信号 红外接收 IR2104S驱动信号产生与驱动信号放大电路 喇叭低通滤波 还原声音MOS半桥功率放大电路 发声 图3 系统整体结构框图2 理论分析与计算本红外通信装置是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体。发送端将声音信号经过调制产生的SPWM信号（可看做二进制基带信号）调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。接收端将接收到的光脉信号转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制基带信号（声音调制的SPWM信号）输出。常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）

15、和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）两种方法，本装置使用的就是脉宽调制的方法。简而言之，红外通信的实质是对二进制信号进行调制和解调，以便利用红外信道进行传输，红外通信接口是针对红外信道的调制解调器。发射系统将信号转变为信道信号并发射，包括调制、放大、滤波等。接收系统是将信息从接收到的信号中还原出来，主要包括解调、滤波等。无线通信原理就是利用无线信道进行信号的传送。载波的基波频率越高，传输的信息就越快越多，所以现在很多高速率的通信地方都会首选高频，本装置中传递的二进制信号是声音信号经过调制输出的SPWM波信号，所以本装置存在一个二次调制的过程。3 系统设计3.1硬件电路总

16、体设计 整个红外光通信系统由声音信号处理部分、发射部分和接收还原部分组成。声音信号处理是将咪头采集到的声音信息经过放大电路放大并且滤波，在经过SPWM调制电路产生SPWM波。发射部分使用的红外发射头的载波频率最高可以达到200 KHz，而SPWM信号频率只有30KHz，所以红外传输该SPWM信号不会失真。接收还原部分解调输出SPWM信号，在经过滤波和功率放大后驱动喇叭发声。3.2 单元电路设计 3.2.1 声音信号放大电路设计 声音信号放大的选型至关重要，因为声音放大倍数要求达到几百，如果运放噪声太大，放大过后必然失真。经过多方调查，处理音频做得比较好的运算放大器当数ADI公司的系列音频处理产

17、品。最终选定了ADI的AD8542运放，其电路图如图2所示。 图4 语音信号采集放大由该电路图分析可知，这是一个典型的同相放大电路，放大倍数由R5/R1和R8/R10的乘积确定，实际选择该放大倍数为250倍。在放大之前，由P1、P2两个咪头信号输入，由C7、R7组成高通滤波，C13参数对于高频率相当于短路接地，这样又使得R6、R13提供的直流通道给予信号一个直流偏置。3.2.2 三角波产生电路设计为了使波形更好我们决定采用SPWM调制的方法，用音频信号的正弦波和555定时器振荡产生的表准30KHZ三角波相比较得到SPWM波再传输。其电路图如图3 图5 三角波产生电路3.2.3 红外光载波信号发

18、生电路设计分析题目要求我们发现红外光通信的速度和传输距离与红外发射管本身的性能和硬件设计有很大关系。为了达到传输距离远传输速度快的的目的我们选用了大功率载波频率在180KHZ到250KHZ的红外光发射管。发射电路设计图如图4图6 红外发射模块电路实际电路为了增大发射功率，使用了多个发射管并联结构。接收装置使用了激光接收头，模块直接用了以前红外测障碍使用的激光接收电路，这里不再累赘。3.2.4 MOS桥功放电路设计为了使还原出来的音频信号功率能高效的使喇叭发声，所以在后级需要加入功放电路。我们小组搭建了类似类功放的MOS半桥来驱动喇叭发声，这种方式可以减少电路上的功耗损失，保证良好的音质。其图如

19、图4所示 图7 MOS 桥功放电路图4 红外无线装置测试结果分析4.1语音音质测试 在外界无噪音的条件下，我们搭建好了红外通信传输信道，用手机播放流行歌曲。经过该无线装置传输后由喇叭发声 ，经过测试声音没有明显失真现象。在接收端喇叭播放出来的音乐依然悦耳。4.2单音信号输出端电压测试使用一个名为“函数发生器”的手机应用播放各个频段的单音信号，测试结果表明该无线装置可以传输300Hz到10KHz的单音信号，并且效果很好。示波器测试结果如下图所示。图8 650Hz正弦音频信号比较（左图为发射端，右图为接收端） 图9 1KHz音频信号比较（左图为发射端，右图为接收端） 由语音放大的输入与接收还原的输出比较结果可知，经过SPWM调制与红外无线传输后，波形有略微失真，但是对音质影响不大。实测装置可以传输300Hz-10KHz声音信号，一般人说话的声音就是300Hz到3.4KHz，包含于该装置可以传输的频率范围，所以该装置做无线话筒用是没有问题的。结束语该红外无线装