魏西媛

摘 要：本文介紹了一種基于PWM調(diào)制技術(shù)的紅外光短程無(wú)線語(yǔ)音通信系統(tǒng)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的定向傳輸，接收信號(hào)的噪聲小、傳輸時(shí)延小，通信質(zhì)量?jī)?yōu)良。

關(guān)鍵詞：紅外光通信；語(yǔ)音信號(hào)；PWM調(diào)制

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)由語(yǔ)音信號(hào)采集模塊、紅外收發(fā)模塊、語(yǔ)音數(shù)據(jù)恢復(fù)模塊等組成。系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

本設(shè)計(jì)采用PWM（Pulse Width Modulation）調(diào)制將模擬語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式的脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)光管傳輸。紅外接收管對(duì)接收到的微弱紅外光信號(hào)放大后送入PWM解碼電路，實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的恢復(fù)。由耳機(jī)輸出。原理框圖如圖2所示。

圖2 原理框圖

PWM調(diào)制使得模擬語(yǔ)音信號(hào)具有了數(shù)字形式特點(diǎn)，大大提高了模擬傳輸系統(tǒng)的傳輸可靠性，延長(zhǎng)了通信距離。在接收端，通過(guò)積分網(wǎng)絡(luò)即可濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。所以PWM方式比傳統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器功耗小；PWM方式輸出的是電壓信號(hào)，可以直接驅(qū)動(dòng)喇叭，克服了傳統(tǒng)的D/A轉(zhuǎn)換器不能直接驅(qū)動(dòng)喇叭的缺點(diǎn)；PWM方式作為數(shù)字的方法具有工藝移植性好的特點(diǎn)。

PWM調(diào)制方案制作簡(jiǎn)單、成本低、系統(tǒng)穩(wěn)定、抗噪聲能力強(qiáng)，若采用專用PWM控制器TL494可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)潔、進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。

2. 理論分析與計(jì)算

語(yǔ)音信號(hào)頻率范圍為300～3400Hz，本設(shè)計(jì)中采用模擬信號(hào)的脈沖寬度調(diào)制實(shí)現(xiàn)模擬語(yǔ)音信號(hào)的數(shù)字形式變換，為保證模擬語(yǔ)音信號(hào)的無(wú)失真?zhèn)鬏?，選定脈寬調(diào)制載波為30kHz。

根據(jù)可計(jì)算得負(fù)載電阻上所得輸出功率。在測(cè)得紅外接收管接收信號(hào)強(qiáng)度時(shí)，可根據(jù)實(shí)際要求由此計(jì)算出接收端所需要的放大器增益，繼而確定放大器的設(shè)計(jì)方案。

3. 主要硬件電路

本設(shè)計(jì)利用波長(zhǎng)940 nm的近紅外波段的紅外線作為傳輸信息的載體，語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)脈寬調(diào)制后由紅外發(fā)光管送出，接收端收到紅外脈沖信號(hào)后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大、濾波、積分等處理還原成模擬語(yǔ)音信號(hào)輸出。

3.1 PWM前置放大及調(diào)制電路

語(yǔ)音信號(hào)的采集、放大和偏置處理由前置放大電路部分完成，以利于進(jìn)一步調(diào)制。脈寬調(diào)制采用專用PWM控制器TL494對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

根據(jù)PWM調(diào)制原理，調(diào)制信號(hào)必須保持在載波信號(hào)峰值以內(nèi)才能取得較好的效果。因放大倍數(shù)過(guò)大，可能會(huì)使部分峰值超過(guò)電源電壓的信號(hào)無(wú)法得到調(diào)制；而放大倍數(shù)太小，則會(huì)使調(diào)制后的PWM波形間距區(qū)分過(guò)小，這樣再經(jīng)濾波還原后，波形失真可能較大。一般情況下話筒采集到的聲音信號(hào)的平均峰值約為200mV，為保證輸出信號(hào)滿足接收強(qiáng)度要求，將前置電路放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為 1～10倍可調(diào)，偏置電

3.2 紅外管發(fā)射電路

紅外光收發(fā)功能應(yīng)用IR333紅外線發(fā)射管實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度快，靈敏度高，接收距離長(zhǎng)，性能穩(wěn)定可靠，體積小巧精致，操作方便。為提高紅外發(fā)射管的發(fā)射功率，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量增大驅(qū)動(dòng)電流，普通紅外發(fā)射管的額定工作電流可達(dá)數(shù)百毫安。因此，該系統(tǒng)中的發(fā)射電路和接收電路都是用三極管構(gòu)成的簡(jiǎn)單開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

3.3 紅外接收及收端前置放大電路

接收端采用紅外線接收管PT333實(shí)現(xiàn)940nm紅外光信號(hào)的接收，再由前置放大電路部分完成微弱信號(hào)的放大，以便于PWM信號(hào)解調(diào)。

3.4 PWM解調(diào)電路

由于本設(shè)計(jì)采用占空比調(diào)制模擬語(yǔ)音信號(hào)，使得載波脈沖信號(hào)的脈沖寬度受模擬語(yǔ)音信號(hào)控制，故在接收端對(duì)接收到的脈寬信號(hào)進(jìn)行積分，再經(jīng)過(guò)低通濾波就可以得到原始的模擬語(yǔ)音信號(hào)。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)應(yīng)用PWM調(diào)制方式對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字形式變換，實(shí)現(xiàn)了940nm紅外光的近距離定向音頻信號(hào)傳輸。系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗噪聲能力強(qiáng)，在傳輸距離2m可實(shí)現(xiàn)基本無(wú)失真?zhèn)鬏?，傳輸時(shí)延小，通信質(zhì)量?jī)?yōu)良。

紅外發(fā)射管和接收管若改用LD271、BPW34等精度較高的紅外管，其傳輸距離和傳輸穩(wěn)定性等系統(tǒng)性能將會(huì)得到進(jìn)一步的改善。為提高模擬信號(hào)的傳輸質(zhì)量，在發(fā)送端可對(duì)模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)增益控制，使語(yǔ)音信號(hào)中占絕大比例的小信號(hào)的傳輸質(zhì)量得到大幅度提高。

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