紅外線語音通信系統(tǒng)文獻(xiàn)綜述

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 題 目 紅外線語音通信系統(tǒng) 姓 名 專 業(yè) 通信工程 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 信息工程學(xué)院二一五年五月紅外線語音通信系統(tǒng)摘要隨著紅外線通信技術(shù)的發(fā)展，紅外線通信是目前使用較廣泛的一種通信手段。由于紅外線通信具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線通信技術(shù)不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。本文所要介紹的內(nèi)容就是如何利用紅外線通信裝置，結(jié)合紅外線器件設(shè)計(jì)構(gòu)造出一套簡易的紅外線通信系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)在中短距離內(nèi)的紅外無線通信的功能。與一般通用的紅外線通信不同的是它采用同頻率雙信號來實(shí)現(xiàn)發(fā)收。此通信系統(tǒng)經(jīng)過一些必要的擴(kuò)展，

2、基本可以實(shí)現(xiàn)通用和各種專用紅外線通信的功能。本人畢業(yè)設(shè)計(jì)的論題為紅外線的發(fā)射與接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本文根據(jù)目前國內(nèi)外學(xué)者對紅外線通信的實(shí)驗(yàn)研究成果，借鑒他們的成功經(jīng)驗(yàn)。這些文獻(xiàn)給與本文很大的參考價(jià)值。本文主要查閱進(jìn)幾年有關(guān)紅外線通信與實(shí)驗(yàn)研究的文獻(xiàn)期刊。紅外線通信作為無線通信技術(shù)的一種，具有其他無線通信不可比擬的技術(shù)優(yōu)越性。國內(nèi)在紅外線通信研究開展的也比較早，不論是理論上還是實(shí)驗(yàn)上，都取得了不少研究成果，但還有些不足。不過，與國外相比，還存在較大的差距。特別是針對短程同頻率雙信號紅外通信裝置的研究相對較少，實(shí)用化方面所做的工作也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，效果也不是很理想。近幾年關(guān)注紅外線通信公司不斷增大投入，因?yàn)?/p>

3、從應(yīng)用層面上講長期可靠性工作非常重要。自從1800年英國天文學(xué)家F.W.赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射至今紅外技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了兩個(gè)多世紀(jì)從那時(shí)開始紅外線和紅外元件、部件的科學(xué)研究逐步發(fā)展但發(fā)展比較緩慢直到1940年前后才真正出現(xiàn)現(xiàn)代的紅外技術(shù)在這以前主要的研制成果主要是熱敏型紅外探測器通過它科學(xué)家認(rèn)識了紅外輻射的特性及其規(guī)律證明了紅外線與可見光具有相同的物理性質(zhì)。20世紀(jì)初開始通過測量大量的有機(jī)物質(zhì)和無機(jī)物的吸收和發(fā)射光譜證明了紅外技術(shù)在物質(zhì)分析中的價(jià)值。21世紀(jì)以來紅外在紅外探測、紅外無線通信、紅外遙感、紅外成像等方面的應(yīng)用都極大的改善了我們的生活方式。紅外通訊技術(shù)也是隨著紅外技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展尤其是進(jìn)入

4、90年代這一通信技術(shù)又有了新的發(fā)展應(yīng)用范圍更加廣泛。1993年一個(gè)由部件、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、外圍設(shè)備和電信廠商組成的大型集團(tuán)紅外無線數(shù)據(jù)協(xié)會IRDA就紅外通信的一套標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致?，F(xiàn)在約有一百多家廠商支持紅外通信標(biāo)準(zhǔn)。主要的PC機(jī)開發(fā)商如微軟、蘋果、東芝等已推出了在計(jì)算機(jī) 之間采用這種高速紅外數(shù)據(jù)通信的數(shù)字設(shè)備。并且它作為一種最具有成本效益和便于使用的無線通信技術(shù)越來越受到人們的關(guān)注和重視。 1 背景和意義日常生活中，電腦、電視等電器讓我們眼花繚亂，各種設(shè)備的線纜隨處可見，就連我們的聲音傳輸在很大程度上也依賴于各種各樣的電纜。這種采用有線方式來傳輸語音信號的系統(tǒng)必須有大量的電纜將收發(fā)端連接起來，聲音信

5、號才能進(jìn)行傳輸。有沒有一種無需電纜的連接就能實(shí)現(xiàn)聲音傳輸?shù)姆椒兀靠茖W(xué)技術(shù)的日新月異，紅外技術(shù)的飛速發(fā)展給傳統(tǒng)的聲音傳輸帶來的很大的沖擊，為通信業(yè)帶來了無窮的希望和活力。紅外技術(shù)的應(yīng)用使得語音無線傳輸成為了可能，并使傳輸更加靈活、方便、高效。 紅外技術(shù)是無線連接的鼻祖，是先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，主要應(yīng)用在遙控和傳輸方面。紅外傳輸以紅外光為載體，通過其在空中的傳播來傳輸語音和數(shù)據(jù)的傳輸方式。這種通信系統(tǒng)傳輸速度快，干擾小，可靠性高，適合多種近距離無限通信場合使用，例如教師的語音教學(xué)系統(tǒng)，家庭居室、圖書館、醫(yī)院等，在電子產(chǎn)品中具有官方的發(fā)展?jié)摿Α? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于室內(nèi)無線光通信所

6、具有的靈活、便捷及高速等特性，在國外,如美國日本等國家,許多研究所和企業(yè)長期進(jìn)行該領(lǐng)域的研究，并陸續(xù)有產(chǎn)品從實(shí)驗(yàn)室走向商用。自從1979年IBM公司的F.R.Gfeller發(fā)表了較有影響的關(guān)于紅外通信設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)的論文以來，有許多學(xué)者在進(jìn)行紅外無線通信的研究。美國加州伯克利大學(xué)電子工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系在IBM和HP公司的資助下進(jìn)行了紅外無線通信的研究。以J.R.Barry和M.Kaim為首的一批研究人員對室內(nèi)無線紅外光的漫射光通信取得了一定的成果。但其更進(jìn)一步資料較為保密。美國圣地亞哥AstroTerra公司，已做出可以在3km、skxlz、sklll，速率155Mbps、622Mbps、2.SG

7、bpS的點(diǎn)對點(diǎn)產(chǎn)品研究及實(shí)驗(yàn)，并在洛杉磯、拉斯維加斯、圣地亞哥等地作了外場實(shí)驗(yàn)圈。Daniell等人研究了采用手持終端的無線紅外廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)采用蜂窩結(jié)構(gòu)，所有的紅外Cell與高速光纖骨干網(wǎng)相連。骨二二網(wǎng)上接有IsDN PABX。紅外手持終端有兩種類型：(l)普通型：含標(biāo)準(zhǔn)的甩話業(yè)務(wù)及少量的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，用于移動(dòng)的手持終端；(2)高性能型：具有內(nèi)置處理能力，使傳感器的數(shù)據(jù)速率降低至與紅外信道兼容，可用于與高速數(shù)據(jù)設(shè)備接口。紅外信道采用的協(xié)議類似ISDN協(xié)議，每個(gè)紅外Cell的信道速率為標(biāo)準(zhǔn)ISDN速率:日本郵政省則組織了“強(qiáng)紅外無線光通信技術(shù)用于計(jì)算機(jī)、多媒體終端及移動(dòng)通信中的聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃”，并早就

8、在城市大樓間取得了應(yīng)用。以色列許多公司參與了國際市場競爭，有的產(chǎn)品已打入中國市場。而在國內(nèi)還沒有相關(guān)的報(bào)道。除此之外，北京大學(xué)電子學(xué)系焦秉立教授主持開發(fā)的項(xiàng)目：新一代計(jì)算機(jī)紅外線通訊網(wǎng)絡(luò),得到了國家創(chuàng)新基金的支持和有關(guān)公司資金的投入。項(xiàng)目的總體目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)以紅外擴(kuò)頻為基本技術(shù)的室內(nèi)紅外通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，使帶有紅外接口的通用設(shè)備，如：便攜電腦，打印機(jī)，照相機(jī)等可以靈活地以無線方式入網(wǎng)絡(luò)，并接收和發(fā)送信息?，F(xiàn)己開發(fā)成功公共場所的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)，室內(nèi)會議網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開發(fā)工作將于近期完成，另外，可提高紅外通信距離的擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也處于研制中。由以上可知，作為有線通信的有力補(bǔ)充，室內(nèi)無線光通信受到越來越大

9、的重視。3 設(shè)計(jì)目的我們生活當(dāng)中的各方面都需要通信，那么就現(xiàn)在來講無線通信的發(fā)展還是比較迅速， 語音通信的目的是傳遞聲音信息，發(fā)送方發(fā)出的聲音轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)發(fā)送端設(shè)備變換為適合傳輸?shù)男问?，通過傳輸?shù)男诺纻鹘o接收方。但是信號通過一系列的傳輸通道和設(shè)備必然會存在噪聲，噪聲的存在給語音通信帶來干擾，致使通信效果變差。在實(shí)際生活中，語音通信可能發(fā)生在嘈雜的噪聲環(huán)境中，語音信號甚至完全被背景噪聲所淹沒,幾乎無法識別。通信過程無法正常的實(shí)現(xiàn),給生產(chǎn)、生活、軍事行動(dòng)帶來嚴(yán)重影響,給個(gè)人、單位乃至國家造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，如何有效的抑制和去除噪聲，提高語音的可懂度是非常重要的。4 方案的提出與選擇所謂的

10、數(shù)字通信就是指把在發(fā)射端接受到的語音信號放大后傳輸?shù)紸/D轉(zhuǎn)換中進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，再由單片機(jī)中嵌入的程序控制A/D芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，當(dāng)紅外接收端的紅外線接收管接收到信號后，單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行識別，之后將處理好的信號數(shù)據(jù)傳入D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)化之后，傳輸濾波電路和功率放大電路進(jìn)行處理，最后將處理好的語音信號輸出，原理如圖1.1所示。圖1.1 紅外數(shù)字通信原理圖AM調(diào)制通信就是把接收到的語音信號傳送到放大電路中放大，之后經(jīng)過紅外線發(fā)射直接發(fā)射出去，通過紅外發(fā)射管把電信號轉(zhuǎn)化為光信號，這個(gè)過程就是通過紅外線傳輸語音信號的過程。紅外線接收管接收到紅外信號后把光信號轉(zhuǎn)化成電信號，在傳入功率放大電路中

11、進(jìn)行放大和濾波，最后把信號傳輸?shù)揭纛l輸出也就是揚(yáng)聲器中，對處理好的電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)化為語音信號輸出，原理如圖1.2所示。音頻信號頻信號放大發(fā)送接收放大 功率放大 音頻輸出圖1.2 AM調(diào)制通信的原理圖音頻信號放大發(fā)送接收放大功率放大 音頻輸出鎖相環(huán)調(diào)頻 鎖相環(huán)解調(diào)  在通信的課程中我們了解到FM調(diào)制通信就是利用鎖相環(huán)技術(shù)（簡稱為PLL）對語音采集端輸入的語音信號進(jìn)行放大濾波之后送入紅外發(fā)射管傳輸?shù)挠晒庑盘栟D(zhuǎn)化的調(diào)頻信號，接收端的接收到的調(diào)頻信號之后再次采用用鎖相環(huán)技術(shù)不過這時(shí)是進(jìn)行解調(diào)，經(jīng)過解調(diào)后的信號送入功率放大電路處理之后進(jìn)行輸出，輸

12、出原理如圖1.3所示。圖1.3 FM調(diào)制原理圖通過上面的比較可以看出使用數(shù)電知識來設(shè)計(jì)電路，要涉及到單片機(jī)以及信號系統(tǒng)和電路基礎(chǔ)的課程之后，還涉及到高數(shù)上面的計(jì)算，對于專業(yè)知識不是他別精通的人來說是個(gè)很大的挑戰(zhàn)，并且在使用單片機(jī)的過程當(dāng)中仍然會遇到一些不可避免的問題，還有一個(gè)問題就是利用單片機(jī)的話成本會高一些，在實(shí)現(xiàn)功能相同，效果相近的情況下，還是應(yīng)該選擇一個(gè)性價(jià)比高的方案。本次的設(shè)計(jì)，原來的思路是想用數(shù)字通信方面的知識，也就是利用單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)來通過模數(shù)和數(shù)模轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)語音的通信，但是經(jīng)過實(shí)際操作電路來驗(yàn)證的過程中，發(fā)現(xiàn)本人的知識點(diǎn)和能力不足以支持思想的實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)不了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，所

13、以之后就選用了使用純模電電路來進(jìn)行本次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中依然還是參考了數(shù)字技術(shù)的一些放大器和放大電路的設(shè)計(jì)思路。來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。5 設(shè)計(jì)總體概況選擇紅外光的原因：無線通信方式可以分為電信號、超聲波和紅外線等等。由于電信號的使用方式比較傳統(tǒng)，所以我選擇超聲波和紅外線做為我的首要思路。那么我對超聲波和紅外線這兩種方式也做了一些對比和比較。超聲波通信的話，頻帶較窄，容易受噪聲干擾，系統(tǒng)抗干擾能力差。那么紅外線不會向室外泄露，不會產(chǎn)生信號干擾，反應(yīng)速度快，傳輸效率高。所以我選擇了這個(gè)紅外線課題。來實(shí)現(xiàn)我想用紅外線來實(shí)現(xiàn)簡單的語音信號的傳輸。(1)紅外線的特點(diǎn)我們的眼睛所能看到的光稱為可見光，這

14、些可見光按照波長排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。紅光的波長范圍為0.62m0.76m，我們把比紅光波長還長的光叫紅外線。我們的有一般家庭常用到的電視遙控器的紅外線遙控器就是利用波長0.76m1.5m之間的近紅外線來傳送控制信號的。 紅外線的特點(diǎn)是對其他電器設(shè)備工作干擾比較小，對周邊環(huán)境的要求也不是很高，一般不會相互影響。最后就是紅外線的電路具有調(diào)試簡單等優(yōu)點(diǎn)。(2)紅外線發(fā)射和接收我們所涉及到的需要用到的紅外通信項(xiàng)目中，必不可少的就是要用到的紅外線的發(fā)射和接收兩部分。我們這次試用的是簡單的元器件：語音發(fā)射部分射發(fā)射元件為紅外發(fā)光二極管，在二極管中我們還加了一個(gè)電阻， 一般常用的紅外發(fā)光

15、二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右，紅外線發(fā)射二極管的的外形與普通5mm發(fā)光二極管相同，但是顏色不是很一樣。一般分為透明色、黑色和深藍(lán)色等三種。接收電路的紅外線接收二極管是一種光敏二極管，我們在使用的時(shí)候要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作而獲得高的靈敏度。由于紅外發(fā)光二極管需要的發(fā)射功率較小，紅外接收二極管收到的信號較弱，所以在紅外線的接收端要增加高增益放大電路，也就是說我們需要使用放大倍數(shù)較高的功率放大器來放大我們接收到的電信號，使我們之后再耳機(jī)或是揚(yáng)聲器聽到的聲音和輸入的聲音信號差別不大。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖1.4所示。 圖1.4 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖紅外語音的傳輸，分為語音

16、采集和紅外線的發(fā)射與接收部分，下面來仔細(xì)說說紅外線的發(fā)射與接收模塊。紅外線的發(fā)射部分：語音信號通過麥克風(fēng)轉(zhuǎn)化為電信號再經(jīng)過LM358放大后的濾掉頻率超過2000hz的語音信號經(jīng)過由LM358和一個(gè)電容以及二極管組成的RC電路放大后推送到紅外線發(fā)射管，由于發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度與通過其電流由紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)化為光信號進(jìn)行傳輸成語音信號的大小改變其亮度。紅外線的接收部分：紅外線接收管被語音信號調(diào)制的紅外光照射到的時(shí)候，在紅外線接收管這側(cè)產(chǎn)生一個(gè)與語音信號變化規(guī)律相同的電信號，經(jīng)S9013進(jìn)行電壓放大再經(jīng)過有源低通濾波LM358和有源高通濾波LM358以及放大倍數(shù)較大的LM386進(jìn)行功率放大后進(jìn)行放大，并將電

17、信號信傳至擴(kuò)音器和耳機(jī)轉(zhuǎn)化成為我們可以聽到的聲音信號，在這里呢，為了避免語音采集器與揚(yáng)聲器會產(chǎn)生一個(gè)共鳴，我加了一個(gè)開關(guān)，可以選擇用耳機(jī)來聽傳輸過來的語音信號也可以選擇用揚(yáng)聲器來聽取所傳輸過來的信號。6 結(jié)束語本次設(shè)計(jì)是用模擬調(diào)制的方式來實(shí)現(xiàn)紅外無線語音傳輸，雖然與數(shù)字傳輸方式相比有很多不足，比如傳輸距離方面以及抗干擾方面模擬傳輸都有明顯的弱勢。但是對于控制成本和電路實(shí)現(xiàn)的簡單方面還是有很大的優(yōu)勢的，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)是3m的傳輸距離，而用模擬調(diào)制的方式來傳輸就已經(jīng)可以達(dá)到要求，所以相對于這一點(diǎn)來說本次設(shè)計(jì)還是有很強(qiáng)的可行性的。 本設(shè)計(jì)達(dá)到了2m的傳輸距離，并且在傳輸音頻信號循環(huán)數(shù)的過程當(dāng)

18、中我們添加了電壓放大電路以及濾波電路，可以實(shí)現(xiàn)傳輸距離的增加，同時(shí)盡量的減少我們傳輸語音時(shí)的噪聲影響，為了避免傳輸成功的語音在被語音采集器接收到形成一個(gè)環(huán)路，造成共鳴。我增加了一個(gè)開關(guān)，可以在接收端選擇耳機(jī)來進(jìn)行語音的檢測，而不會對語音采集造成影響。但是在這次設(shè)計(jì)中還有一些不足之處，其一是傳輸語音的距離不能過長。其二就是我們在傳輸過程的噪音還是不能更好的控制，在傳輸?shù)倪^程當(dāng)中還是會受環(huán)境的影響。 總的來說這次設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于系統(tǒng)供電方式多樣，可以用電池供電，也可以用電源供電，對于本次設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)會在今后的工作和學(xué)習(xí)中多加學(xué)習(xí)這方面的知識，找到相應(yīng)的解決方法。 參考文獻(xiàn)1 馬鑫.遠(yuǎn)距離紅外激光無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.天津:天津大學(xué).2008.2 吳剛.基于單周控制的有源電力濾波器的研究D.無錫:江南大學(xué).2008.3 汪曉峰.電子綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研制音頻處理電路的設(shè)計(jì)J.硅谷.2008.4 石磊,劉忠艷.紅外通信接口在單片機(jī)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)J.信息技術(shù),2003.5 閻綱,等.基于MSP430單片機(jī)的紅外遙控器設(shè)計(jì)J.微計(jì)算機(jī)信息,2006.6 江濤.紅外數(shù)據(jù)通信IrDA及其最新動(dòng)向J.紅外,1998. 7 馬靜波.基于IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的紅外無線數(shù)字通信及應(yīng)用J.信息技術(shù),2005.8 邱磊,肖兵.基于IrDA協(xié)議棧的紅外通信綜述J.無線通信技術(shù),2004.9 王紅智,嚴(yán)國