【基于紅外光的音頻傳輸系統(tǒng)設計4900字（論文）】

基于紅外光的音頻傳輸系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u253071系統(tǒng)總體設計 1208562紅外通信原理及特點 295452.1紅外通信原理 246202.2紅外通信協(xié)議 2321392.3紅外通信的特點 398293.1主要器件的選擇 3101803.2調制方式 4138433.3電路設計 53364系統(tǒng)調試 8299005結論 813234參考文獻： 9摘要：本文設計了一款基于紅外光的音頻傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)由紅外發(fā)射模塊和接收模塊組成。采用了紅外發(fā)射管、紅外接收管、LM386音頻功率放大器等器件，經(jīng)過測試該系統(tǒng)可以實現(xiàn)2m范圍內的紅外音頻傳輸。該裝置具有結構簡單、傳輸性能好、性價比高等特點。紅外通信是目前使用較為廣泛的一種通信方式，該系統(tǒng)的設計具有一定的使用價值。關鍵詞：紅外光；音頻傳輸傳統(tǒng)的音頻播放系統(tǒng)必須依靠電纜才能將音頻信號進行傳輸，這種有線傳輸?shù)姆绞绞沟孟到y(tǒng)的靈活性較差，同時電纜的接入也增加了系統(tǒng)的成本，不便維護，這種傳輸方式已不再適應現(xiàn)代通信系統(tǒng)移動化的發(fā)展。那么有沒有一種無需電纜連接就可以實現(xiàn)音頻傳輸?shù)姆椒?？此時，紅外光進入了人們的視野，隨著科技的進步，紅外技術也得到了前所未有的發(fā)展。紅外通信便可實現(xiàn)音頻信號的無線傳輸。紅外無線通信技術的發(fā)展對傳統(tǒng)的音頻信號傳輸方式產(chǎn)生了重大影響。這種通信方式是以紅外線作為傳輸媒介來傳輸音頻、視頻、文字等信息，具有靈活、便捷、高速、保密性強等諸多特性。在國外，許多的研究機構和院校長期進行這方面的研究。研究成果也源源不斷地走向商用。紅外無線通信的應用主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸和遙控方面，可用于教室的語音教學系統(tǒng)、實驗室等短距離無線通信場合。、作為無線連接的重要組成部分，紅外技術在電子產(chǎn)品中具有很大的發(fā)展?jié)摿Α１疚脑O計了一款以紅外光為載體的音頻傳輸系統(tǒng)。1系統(tǒng)總體設計紅外音頻傳輸系統(tǒng)是以紅外光作為音頻信號傳輸?shù)妮d體，整個系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射模塊、紅外接收模塊兩大部分組成。發(fā)射端首先接受音頻信號，由于其接收到的音頻信號是比較微弱的，需要通過放大電路進行放大，放大后的音頻信號調制后即可由紅外發(fā)射電路向外發(fā)射。接收端的任務是將接收到的紅外信號轉換為電信號，然后再進行解調，將該信號還原為音頻信號。最后經(jīng)音頻功率放大電路的驅動即可輸出音頻信號，完成紅外傳輸過程。系統(tǒng)的基本結構如圖1所示。圖1紅外音頻傳輸系統(tǒng)設計框圖2紅外通信原理及特點2.1紅外通信原理紅外光通常也稱其為紅外線，它是一種波長比可見光長的電磁波，波長范圍在760納米到1毫米之間。紅外光由英國科學家赫歇爾于1800年發(fā)現(xiàn)。。紅外通信就是用近紅外波段的紅外線作為傳輸信息的媒介。發(fā)送端將輸入的信號轉換為脈沖串信號，再由紅外發(fā)射管進行發(fā)射。該信號在接收端被轉換成電信號，解調之后便可輸出。脈沖寬度調制（PWM）、脈沖位置調制（PPM）是兩種常用的調制方法。2.2紅外通信協(xié)議1993年，紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）成立，建立了一個統(tǒng)一的紅外通信標準。IrDA成立后，將紅外通信使用的紅外光波長范圍限定在850~900nm之間，以此來保證不同的紅外產(chǎn)品能最大限度獲得最佳通信效果。1994年IrDA發(fā)布了第一個紅外數(shù)據(jù)通信標準IrDA1.0，即SIR，這是HP開發(fā)的一種半雙工紅外通信方式。最高通信速率只有115.2kbps。1996年IrDA1.1標準發(fā)布，即FIR。它采用了4PPM調制解調技術，其通信速率最高可達4Mbps，從而被廣泛采用。此后IrDA又發(fā)布了通信速率高達16Mbps的技術。IrDA標準都包含三個基本的協(xié)議和規(guī)范：紅外物理層連接規(guī)范、紅外連接訪問協(xié)議以及紅外連接管理協(xié)議。圖2IrDA協(xié)議2.3紅外通信的特點紅外通信是一種廣泛使用的無線連接技術，它被很多的軟硬件平臺所支持。主要有以下特點：1.低成本、性價比高；2.具有很高的傳輸速率，最高可以達到16Mbps；3.安全性高、保密性強；4.新舊版本的通信標準可以互相兼容。3.系統(tǒng)硬件設計3.1主要器件的選擇在紅外音頻傳輸系統(tǒng)中用到的主要期間就是紅外光發(fā)射器和紅外光接收器，它們的選擇直接影響實驗能否成功。3.1.1紅外光發(fā)射器在該系統(tǒng)中，紅外發(fā)射器的作用是將音頻信號轉換為紅外信號，并將轉換后的信號向外發(fā)射。紅外發(fā)光二極管、紅外激光器就是常用的紅外光發(fā)射器。但是他們的性能有很大的差別。紅外發(fā)光二極管的帶寬較寬，這樣就導致了接收器收到的光噪聲增加，使得系統(tǒng)的信噪比和接收器接收效率大大降低。和紅外發(fā)光二級管相比較，激光器的光電轉換效率很高、輸出功率大，但是發(fā)射功率也大，過大的發(fā)射功率會損傷人眼，功率太小又無法提升傳輸速率，最重要的一點是其價格也十分昂貴。二極管的發(fā)射功率雖低，但是對人眼無傷害，價格相對來說也很便宜，基于以上考慮，最終選擇的發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管。紅外發(fā)光二極管的外形和普通的二極管相差不大，不同之處在于其發(fā)出的是看不見的紅外光。紅外發(fā)光二極管的類型不同，其管壓降和工作電流也不一樣。經(jīng)常采用在電路中加入限流電阻的方式來使紅外發(fā)光二極管適應不同的工作電流和工作電壓。3.1.2紅外光接收器紅外光接收器在系統(tǒng)中起著至關重要的作用，它位于接收模塊的最前端，其作用是實現(xiàn)紅外信號的光電轉換。通常將紅外光接收器分為兩類：一是紅外光一體接收機，二是光敏二極管。前者的內部繼承了放大電路、濾波電路等，主要用于紅外遙控等特定的紅外通信系統(tǒng)中。紅外光敏二極管分為PIN型、APD型。它的性能決定著能否實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。在該系統(tǒng)中，對二極管有以下要求：1.具有足夠寬的光譜范圍，可以接受發(fā)射端發(fā)出的紅外信號（波長為850~940nm的紅外光）；2.失真度低、光電轉換效率高、輸出電流大；3.安全可靠、使用壽命長；4.有較寬的頻帶和較高的響應速率。通過對比發(fā)現(xiàn)，APD型的二極管性能更好，但是該系統(tǒng)傳輸距離較短，PIN型二極管也可以滿足系統(tǒng)的要求，價格也便宜，所以選擇PIN型二極管。此外，它還可以直接將紅外信號轉換為電信號，使得系統(tǒng)的更加簡單。3.2調制方式紅外音頻傳輸系統(tǒng)的調制就是使攜帶音頻信息的信號隨著高頻調制信號的頻率、振幅等參數(shù)變化，然后將變化后的信號加載到紅外光載波上以此來實現(xiàn)音頻信號的傳輸。傳統(tǒng)的紅外同聲傳譯系統(tǒng)大多采用頻率調制的方式來實現(xiàn)音頻信號的調制。頻率調制就是指音頻號的頻率受到高頻調制信號的控制，使音頻信號的頻率隨著高頻調制信號不斷變化，在頻率調制的過程中，不會改變音頻信號的振幅。頻率調制要求中心頻率穩(wěn)定、頻率偏移要足夠大。在電路中，多采用鎖相環(huán)技術來穩(wěn)定中心頻率、增加頻率偏移量。鎖相環(huán)調頻電路具有抗干擾能力強、功率利用率高等特點，其缺點是需要鑒相器進行解調，必須要將前置放大電路加到調制電路之前，這使得系統(tǒng)的結構變得復雜。此外，利用單片機也可以進行調制。在發(fā)射端先對輸入的信號進行放大處理，然后將音頻信號送入A/D轉化器。接收端對信號進行放大、整形后進入D/A轉換器，以此來濾除模擬信號中的高頻噪聲，恢復音頻信號。這種方法的優(yōu)點是外圍電路較簡單，但是用單片機進行調制，需要對音頻信號進行A/D轉換，然后再編程，這樣就增加了系統(tǒng)的設計周期。在系統(tǒng)的設計過程中，應該綜合考慮調制電路、解調電路的復雜程度，選擇最佳方案。對調制電路有兩點要求：一是能讓系統(tǒng)獲得較高的傳輸速率、二是使系統(tǒng)具有高信噪比。和連續(xù)載波調制相比較，脈沖調制具有更強的抗干擾能力，提高傳輸速率的方法也比較簡單，只需改變脈沖的寬度即可；紅外音頻傳輸系統(tǒng)發(fā)射端所使用的紅外發(fā)光二極管在工作電流低于25mA時，二極管的發(fā)光強度會隨著正向電流呈線性變化，一旦電流超過25mA，PN結就會發(fā)熱，正向電流也不再隨著二極管的發(fā)光強度線性變化，這樣就會使光電轉換后的信號無法恢復。采用脈沖調制可以降低PN結的發(fā)熱量，減小對系統(tǒng)的影響?；谝陨峡紤]，該系統(tǒng)采用脈沖調制方式。通常將脈沖調制分為以下幾種：脈沖幅度調制（PAM）、脈沖位置調制（PPM）和脈沖寬度調制（PWM）。脈沖幅度調制比較簡單，在這種調制方式下，脈沖信號的幅度與音頻信號的幅度成線性關系，只要對調制的信號進行周期性采樣便可以得到PAM調制波形。紅外音頻傳輸?shù)倪^程中，隨著傳輸距離的變化，信號會出現(xiàn)不同程度的衰減，如果采用PAM調制，則無法實現(xiàn)較長距離的傳輸。在脈沖寬度調制、脈沖位置調制中則不會改變信號的幅度，本文主要介紹了脈沖寬度調制。脈沖寬度調制與脈沖幅度調制不同的是，脈沖的寬度隨著音頻信號的變化而變化，經(jīng)調制后的信號，占空比是可變的。脈沖位置調制抗干擾能力強、功率利用率高，但這種方式會犧牲系統(tǒng)帶寬，并且這種調制方式要求發(fā)射端和接收端同時進行傳輸。通過對以上幾種調制方式的比較，最終選擇脈沖寬度調制。脈沖寬度調制的原理就是把發(fā)射端采集到的音頻信號與三角波進行比較，然后將寬度變化的脈沖信號進行輸出來實現(xiàn)脈沖寬度的調制。這種調制方式實現(xiàn)的關鍵是，三角波的幅度要大于音頻信號，這樣就能夠避免幅度較大的音頻信號未進行調制，三角波幅度也不宜過大，如果幅度過大就會消耗系統(tǒng)的功率，降低系統(tǒng)的利用率。3.3電路設計3.3.1放大電路在本系統(tǒng)中，音頻信號可以用手機進行輸入，但是發(fā)射模塊得到的音頻信號比較微弱，而且輸入音頻信號的同時會混入噪聲信號，所以要對輸入的信號進行放大和濾波處理。為了對輸入的音頻信號進行發(fā)大，在此設計了一個放大電路，放大電路如圖3所示。放大器選擇TL082運放芯片。該芯片的偏置電壓和偏移電流較低，對于輸出電路具有短路保護功能，它的最大工作電壓為18V。可以對電路進行兩級反向放大，第一級放大倍數(shù)為100，第二級放大倍數(shù)為1-10倍。輸入的音頻信號有直流偏置，為了濾除直流信號，需要加入C1、C2兩個電容，對其進行隔直處理。電容C1、C2的值均為47μF。在電路中加9V的電壓。耦合電容C20、C21加在電源的輸入端；電容C14、C15為旁路電容，其作用是減小電源不穩(wěn)定性對電路產(chǎn)生的影響。圖3放大電路3.3.2發(fā)射電路發(fā)射電路如圖所示，紅外發(fā)光二極管位于電源和8050三極管之間，首先音頻信號由輸入端傳送至三極管構成的放大電路，接著再由紅外發(fā)光二極管將該信號轉換為紅外信號并向外發(fā)射。圖4紅外發(fā)射電路3.3.3接收電路接收電路的作用就是接收紅外信號，完成紅外信號到電信號的轉換過程。光敏二極管的內阻是隨著接收信號的強弱不斷變化的，接收的信號強內阻變小，接收的信號弱內阻變大，二極管負極的電壓也隨之變化。在經(jīng)過耦合電容，音頻信號就被耦合出來了。圖5紅外接收電路3.3.4音頻功率放大電路音頻信號不能直接輸出，必須經(jīng)過功放模塊的處理才可以發(fā)出聲音，選擇一款合適的音頻功率放大器尤為重要。LM386是由美國國家半導體研發(fā)的一款音頻功率放大器，被廣泛應用于低電壓類的產(chǎn)品。它的外圍原件少，電壓增益在20~200范圍內可以任意調節(jié)，同時它還具有功耗低、失真度低、工作電壓范圍寬、結構簡單等特點，很適合用在這里。其原理如圖所示。圖6功放輸出電路4系統(tǒng)調試系統(tǒng)設計完成之后，對每個模塊進行檢查，檢查電路設計、連線以及器件的焊接是否正確，若沒有問題，開始對系統(tǒng)進行調試，檢驗系統(tǒng)的功能。在發(fā)射端，用手機輸入音頻信號，紅外發(fā)射管將該信號以紅外光的形式向外發(fā)送，接收端將接收到的紅外信號還原為音頻信號，經(jīng)過音頻功率放大器的驅動即可輸出音頻信號。完成紅外傳輸過程。系統(tǒng)實物如圖所示。圖7系統(tǒng)實物圖5結論本文設計了一款基于紅外光的音頻傳輸系統(tǒng)，經(jīng)測試，可實現(xiàn)2m范圍內的紅外音頻傳輸，達到了實驗目的。該系統(tǒng)傳輸速率較快、設計簡單、性價比高。在短距離無線通信中具有良好的應用前景。不足之處是該系統(tǒng)的傳輸距離較短，超過傳輸范圍就無法進行有效傳輸?？梢酝ㄟ^設置中繼模塊來增加系統(tǒng)的傳輸距離，因自身能力問題，沒有完成這一步的設計?；谠撓到y(tǒng)的設計思路和原理，進一步還可以設計出紅外耳機、紅外對講機等。在系統(tǒng)的設計過程中，從電路的設計到元器件的焊接都遇到了許多的問題，尤其是電路的設計讓我看到自己在專業(yè)知識上還有很大的欠缺，在今后的學習生活中還需不斷提升自己的能力。

參考文獻：張小莉.紅外語音通信系統(tǒng)的研究與設計[D].延安大學，2015.鄢盟.紅外通信模塊的設計與實現(xiàn)[D].吉林大學，2012.馬鑫.遠距離紅外激光無線通信系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].天津大學，2008.董光輝.室內無線紅外通信調制技術研