孫家瀅 張姜怡

摘 要：本系統(tǒng)為無線文件傳輸系統(tǒng)，用紅外發(fā)射二極管和紅外接收二極管，定向傳輸音頻信號，實現(xiàn)遠距離的傳輸，保證信號的保真。同時可以保證信號的實時傳輸，延遲度不超過10s。通過中繼站，可以將信號延長至4m以上的距離并且?guī)缀醪皇д妗Ｔ撗b置分為模擬和數(shù)字部分，模擬部分經(jīng)過鎖相環(huán)芯片進行調(diào)頻，通過紅外信道傳輸信號，接收端再通過一個鎖相環(huán)芯片對模擬信號進行解調(diào)，經(jīng)過濾波和放大完成音頻傳輸。本系統(tǒng)用于定點定向傳輸，點對點的傳輸方式保證速度和帶寬的同時也提高了安全性（第三方無從獲?。?。

關鍵詞：編碼解碼；紅外信道；模擬調(diào)制

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由發(fā)射端模塊、接收端模塊、中繼站模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。

1.1 通信方式的論證與選擇

方案一：模擬方式通信。利用模擬的方式進行通信，發(fā)射端由音頻信號輸入，利用741運放對信號進行放大；再利用調(diào)制芯片對信號進行調(diào)頻處理；接收端由運放、解調(diào)芯片組成，對通過紅外傳來的信號進行放大、濾波、解調(diào)和輸出。該方案失真度低，但是抗干擾能力弱，在一定距離后噪聲明顯加大。

方案二：數(shù)字方式通信。通過FPGA對信號AD采樣，采樣頻率為5K，將一個數(shù)據(jù)周期分成512份，根據(jù)AD采樣值調(diào)節(jié)第127到第352個時間片段中‘1的出現(xiàn)個數(shù)從而改變占空比。另一方面，在縮小占空比的時候可以提高瞬間電流峰值，從而提高瞬間的紅外傳輸距離，增強了傳輸效果。但是該方案需要經(jīng)過門限判決，在這一過程中會發(fā)生門限的不準確，導致得到的信息丟失，傳輸效果差。同時該方法未經(jīng)過調(diào)制，抗干擾能力弱，在高頻段信號無法發(fā)射，低頻段損失嚴重。并且由于該方法涉及到采樣速率的問題，隨著頻率的升高，失真愈發(fā)嚴重。

方案三：模擬，數(shù)字雙通道通信。紅外二極管按照波段的劃分分成很多種，典型值為940nm和850nm兩種工作波段。兩種波段在工作時互相不發(fā)生干擾或發(fā)生極小的干擾，所以可以基于波段的劃分利用兩路紅外信道分別傳輸信息。綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.2 調(diào)制方式的論證與選擇

方案一：幅度調(diào)制。對需要傳遞的信號進行幅度調(diào)制，即調(diào)幅，將音頻信號加載在載波信號上，形成調(diào)幅波，傳遞出去，再通過解調(diào)形成原信號。但是方案一在解調(diào)方面會有很大的困難。在該通信系統(tǒng)中，載波頻率與調(diào)制信號頻率相差過小，不能使用常見的包絡檢波，相干解調(diào)法電路也實現(xiàn)復雜。

方案二：相位調(diào)制。載波的相位對其參考相位的偏離值隨調(diào)制信號的瞬時值成比例變化。在實際的應用中很少使用調(diào)相值，它主要是用來作為得到調(diào)頻的一種方法。

方案三：頻率調(diào)制。對信號進行頻率調(diào)制，根據(jù)信號幅值的大小讓信號形成疏密不同的一列波，加載音頻信號的信息，通過紅外傳遞出去，并在接收端進行相應的解調(diào)。該方案信道利用率高，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，調(diào)制解調(diào)電路易于實現(xiàn)。綜合以上三種方案，選擇方案三。

1.3 溫度控制的論證與選擇

方案一：用FPGA進行溫度信息編輯和顯示。但是限于FPGA的并行工作方式，在順序邏輯方面尤其是在界面等顯示方面有編程的困難。

方案二：單片機。單片機雖然速度達不到很高，但是在該方案中，對于溫度的采集只需要達到5Hz即可，對于如此低的頻率，單片機已經(jīng)可以足夠應付，并且由于單片機C語言的順序執(zhí)行的特性，所以在數(shù)據(jù)的顯示，用戶友好界面方面相較于FPGA有很大的優(yōu)勢。綜合考慮采用單片機對溫度進行采集、編碼、傳輸，并對接收到的數(shù)據(jù)進行處理并顯示。

2 系統(tǒng)理論分析與計算

2.1 發(fā)射端模塊

發(fā)射模塊包括音頻信號放大，音頻信號濾波，音頻信號調(diào)制，溫度數(shù)字信號的編碼，溫度數(shù)字信號的傳輸。

2.1.1 音頻信號的放大

將音頻信號經(jīng)過同相運放進行預加重，放大部分的反饋被分離，產(chǎn)生的閉環(huán)電壓增益隨著輸入頻率增加穩(wěn)定地上升，在最高音頻時增益接近20dB。在頻率超過音頻范圍時，放大部分限制閉環(huán)電壓增益。該放大部分可以避免高頻的不穩(wěn)定性，也可避免可能被濾波器級消除的高頻信號被放大器放大。

2.1.2 音頻信號的濾波

發(fā)射端音頻信號的濾波器是由放大IC構(gòu)成的常規(guī)三階型（每倍頻程18dB）濾波器，此濾波器產(chǎn)生低于20kHz的全音頻帶寬，但不會明顯損害輸入信號質(zhì)量。放大器的輸出直接耦合到下一級。

2.1.3 音頻信號的調(diào)制

經(jīng)過鎖相環(huán)，對輸入的信號進行調(diào)頻，并且輸出至下一級紅外發(fā)射二極管，使發(fā)射二極管產(chǎn)生與經(jīng)過調(diào)制后的信號對應的紅外信號，通過紅外信道向外傳輸。

2.1.4 溫度數(shù)字信號的編碼

溫度信號采用PCM編碼，PCM（脈沖編碼調(diào)制）是數(shù)字通信的編碼方式之一。主要過程是將語音、圖像等模擬信號每隔一定時間進行取樣，使其離散化，同時將抽樣值按分層單位四舍五入取整量化，同時將抽樣值按一組二進制碼來表示抽樣脈沖的幅值。語音PCM的抽樣頻率為8kHz，每個量化樣值對應一個8位二進制碼，故語音數(shù)字編碼信號的速率為8bits×8kHz=64kb/s。量化噪聲隨量化級數(shù)的增多和級差的縮小而減小。量化級數(shù)增多即樣值個數(shù)增多，就要求更長的二進制編碼。因此，量化噪聲隨二進制編碼的位數(shù)增多而減小，即隨數(shù)字編碼信號的速率提高而減小。自然界中的聲音非常復雜，波形極其復雜，通常我們采用的是脈沖代碼調(diào)制編碼，即PCM編碼。PCM通過抽樣、量化、編碼三個步驟將連續(xù)變化的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字編碼。

2.1.5 溫度數(shù)字信號的傳輸

每隔一定時間間隔，給紅外發(fā)射管一個高脈沖，為了提高傳輸距離，采用占空比壓縮的方式來傳輸。紅外發(fā)射管的平均功率很低，但是瞬時功率可以達到很高，利用高脈沖壓縮時間，可以傳輸大功率信號。

2.2 接收端模塊

接收端模塊包括調(diào)制信號的檢測，調(diào)制信號的預放大，調(diào)制信號的解調(diào)。

2.2.1 調(diào)制信號的檢測

通過四個紅外二極管并聯(lián)組成檢測器，同時使紅外二極管保持在反相偏置連接，在黑暗的環(huán)境下只有很小的漏電電流產(chǎn)生。發(fā)射機的紅外脈沖使二極管的漏電流增加，在它們的陰極產(chǎn)生負脈沖。

2.2.2 調(diào)制信號的預放大

使用晶體管作為低噪聲放大器和緩沖器，通過負反饋，使電壓增益比保持在較低的值（約為24dB），對靈敏度產(chǎn)生很大的改進。然后經(jīng)過共射極晶體管進一步放大調(diào)制信號。

2.2.3 調(diào)制信號的解調(diào)

通過鎖相環(huán)IC CD4046對信號解調(diào)。CD4046 是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路。CD4046鎖相的意義是相位同步的自動控制，功能是完成兩個電信號相位同步的自動控制閉環(huán)系統(tǒng)叫做鎖相環(huán)，簡稱PLL。廣泛應用于廣播通信、頻率合成、自動控制及時鐘同步等技術領域。鎖相環(huán)主要有相位比較器、壓控振蕩器、低通濾波器三部分組成。如圖1所示。

圖1 信號解調(diào)

2.3 中繼站模塊

2.3.1 調(diào)制信號的檢測

與接收模塊的信號檢測相同，用紅外接收二極管對紅外信號進行檢測。

2.3.2 調(diào)制信號的調(diào)理

將紅外接收二極管接收到的信號經(jīng)過放大和濾波后輸出，再由相應的紅外發(fā)射管發(fā)射，并使傳遞方向發(fā)生90°翻轉(zhuǎn)，再傳遞兩米到紅外接收端。

3 電路與程序設計

3.1 電路的設計

3.1.1 系統(tǒng)總體框圖（如圖2所示）

圖2 系統(tǒng)框圖

3.1.2 發(fā)送端子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

（1）前置放大器子系統(tǒng)電路。前端放大器用于給輸入的信號起到一個放大作用，可通過電位器實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)，能更好地控制輸入信號。加入了調(diào)零電路，以免給后級帶來直流偏置。（2）紅外發(fā)射管電路。用三極管的開關狀態(tài)來驅(qū)動紅外二極管的工作。利用調(diào)制芯片，將輸入的音頻信號轉(zhuǎn)化為調(diào)頻信號，示波器顯示為疏密變化的方波。

3.1.3 接收端子系統(tǒng)框圖與電路原理圖

（1）高倍放大器子系統(tǒng)電路（如圖3所示）。該電路用于放大紅外接收端收到的很弱的信號，該信號也可由多級三極管構(gòu)成高倍放大。其中NE5532是高性能低噪聲雙運算放大器集成電路。與很多標準運放相似，但它具有更好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動能力及相當高的小信號帶寬，電源電壓范圍大等特點。因此很適合應用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設備、一起、控制電路及電話通道放大器。

圖 3 高倍放大器

（2）紅外接收模塊。被分為放大、解調(diào)、功放三個部分組成，放大即放大接收到的小信號，（注：可采用上述集成運算放大器，也可采用三極管組成的多級放大器）。解調(diào)部分對前級放大的信號進行解調(diào)，功放部分實現(xiàn)功率的放大，用于帶耳機或者音響等設備。

3.1.4 電源

電源由變壓部分、濾波部分、穩(wěn)壓部分組成。為整個系統(tǒng)提供±5V或者±12V電壓，確保電路的正常穩(wěn)定工作。由LM317、LM337構(gòu)成的可調(diào)電壓電源。

3.2 程序的設計

3.2.1 程序功能描述與設計思路

（1）程序功能描述。DS18B20溫度傳感器，采集溫度信息，將信息傳遞給單片機，單片機將該信號處理為8位信號，傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA對信號進行編碼，將信息通過紅外發(fā)射出去，另一端的紅外接收，并將信息傳遞給FPGA進行解碼。顯示部分通過128*64液晶屏幕顯示溫度信息。

（2）程序設計思路

3.2.2 程序流程圖

（1）溫度發(fā)送模塊子程序流程圖

（2）溫度接收模塊子程序流程圖

4 測試方案與測試結(jié)果

4.1 測試方案

4.1.1 硬件測試。（1）紅外音頻傳輸測試。在接收端通過功放進行放大輸出，比較輸入和輸出的聲音，憑借人耳判斷失真度。（2）紅外失真度。通過示波器檢測輸入和輸出端的波形并進行比較，測量是否發(fā)生削頂?shù)仁д媲闆r。（3）溫度信息傳輸測試。通過在接收端進行1602液晶顯示將溫度在液晶屏上顯示出來并與實際溫度作比較，測試溫度傳輸?shù)臏蚀_性。

4.1.2 硬件軟件聯(lián)調(diào)。綜合連接元器件，將所有元器件擺放好，接通信號源和電源，檢測兩側(cè)的波形比較失真度，信息誤碼率，傳輸速率等信息。

4.2 測試條件與儀器

測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路必須與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且檢查無誤，硬件電路保證無虛焊。

測試儀器：高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。

4.3 測試結(jié)果及分析

4.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

通信距離測試

800Hz通信測試

當信號為800Hz時，4V正弦波，測量8歐姆電壓有效值，性能優(yōu)異。

4.3.2 測試分析與結(jié)論

根據(jù)上述測試數(shù)據(jù)，可知系統(tǒng)有很好的保真能力和通信能力，由此可以得出以下結(jié)論：信號傳輸能到達很遠距離，沒測過極限值，不過在四米處仍能清晰聽到音樂，感覺不到有噪聲。輸入正弦波時，在遠處（兩米外），觀察波形很穩(wěn)定，而且噪聲很小，不到10mv。

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