红外光通信课程设计报告

1、苏州科技学院 红外光通信装置课程设计报告 院系：电子信息工程 班级： 姓名： 指导老师： 姓名所做工作原理图优化及pcb板的生成报告制作及排版搜集关于红外光通信的资料在已有资料的基础上画出简易原理图红外光通信一、红外光通信的定义红外线通信是一种廉价、近距离、无线、低功耗、保密性强的通讯方案，主要应用于近距离的无线数据传输，也有用于近距离无线网络接入。从早期的IRDA规范（115200bps）到ASKIR（1.152Mbps)，再到最新的FASTIR（4Mbps），红外线接口的速度不断提高，使用红外线接口和电脑通信的信息设备也越来越多。红外线接口是使用有方向性的红外线进行通讯，由于它的波长较短，

2、对障碍物的衍射能力差，所以只适合于短距离无线通讯的场合，进行“点对点”的直线数据传输，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。二、红外光通信的特点红外通信技术适合于低成本、跨平台、点对点高速数据连接，尤其是嵌入式系统。其主要应用：设备互联、信息网关。设备互联后可完成不同设备内文件与信息的交换。信息网关负责连接信息终端和互联网。红外通信技术是在世界范围内被广泛使用的一种无线连接技术，被众多的硬件和软件平台所支持其特点主要有：主要优点如下：（1） 通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据收发。（2） 主要是用来取代点对点的线缆连接。（3） 新的通信标准兼容早期的通信标准。（4） 小角

3、度（30度锥角以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强。（5） 传输速率较高，4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。红外数据通信技术的缺点 ：（1）受视距影响其传输距离短；（2）要求通信设备的位置固定；（3）其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。但是这些缺点并没有给IRDA的应用带来致命的障碍，红外技术已在手机和笔记本电脑等设备上得到了广泛的应用。三、红外光通信的技术原理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

4、等特点，因而，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。红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端将基带二进制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

5、脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。四、红外光通信的发展史自从1800年英国天文学家赫歇尔发现红外辐射至今，红外技术的发展经历了将近两个世纪。从那时开始，红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展，但发展比较缓慢，直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。20世纪初开始，测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱，证明了红外技术在物质分析中的价值。30年代，首次出现红外光谱仪，以后，它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。40年代初，光电型红外探测器问世，以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器，其性能优良、结构牢靠。50年代，半导体物

6、理学的迅速发展，使光电型红外探测器得到新的推动。到60年初期，对于13、35和813微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。在同一时期内，固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展，使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。从60年代中叶起，红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。（1）在114微米范围内的探测器已从单元发展到多元，从多元发展到焦平面阵列。红外探测器最早是用单元探测器，为了提高灵敏度和分辨率，后来发展为多元线列探测器。多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时，它输出的信噪比可比单元探测器高n（开平方）倍，n为元数。如果多元线列探测器平行

7、扫过(平扫)目标时，则可获得目标辐射的一维分布。以线列探测器为基础的红外探测系统，大都安装在飞机或卫星遥感平台上，平台的前进运动垂直于线列作为第二维时，就可得到目标辐射的分布图像。现在，红外探测器已从多元发展到焦平面阵列，相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。红外热成像仪是一种最有发展前途的设备，代表着夜视器材的发展方向，它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。（2）红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。早期的红外探测器通常工作在近红外。随着红外技术的发展，红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外，例如，美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划，目的是为了提供一种安全有效地探

8、测地雷的方法。该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪，这是一种红外传感器，它已在直升机上进行了近、中波段的试验，下一步计划把工作波段延伸到远红外。远红外已经成为科学家们关注的重点。五、红外光通信的应用产生红外辐射的物体就是红外辐射源。物理学的研究告诉我们，在自然界中，任何温度高于绝对零度(0K或-273)的物体都在向外辐射各种波长的红外线，物体的温度越高，其辐射红外线的强度也越大。我们根据各类目标和背景辐射特性的差异，就可以利用红外技术在白天和黑夜对目标进行探测、跟踪和识别，以获取目标信息。在现代战争中，获取战场信息的优势已经成为掌握战争主动权的关键，红外技术是从空中和空间获取战场信息的关键技

9、术之一，因此，许多国家均投入很大的人力和物力去研究红外技术，并将其广泛地应用于军事领域，并产生巨大影响。成为军事目标的侦察、监视、预警与跟踪的重要手段。一切军事目标，如海洋中的舰船、地面部队行动及各种装备、空中的飞机、导弹，都散发热量，发出大量的红外辐射。利用红外技术装备，就可以从空中和空间对这些目标进行侦察、监视与跟踪。如侦察卫星依靠红外成像设备和多光谱仪可以白天黑夜地获取大量的军事情报。装有红外探测器的导弹预警卫星从70年代以来，一直监视着世界各国的弹道导弹发射，为国家及军事指挥部门提供警报，如目前美国国防支援计划中的预警卫星在几十秒钟内，就可以鉴别来袭导弹的发射和方向，据说将来美国的天基

10、红外系统可在20秒内，提供有关导弹发射和方向方面的精确信息，为拦截来袭导弹提供宝贵的预警时间。又如，在1991年的海湾战争中，美国的导弹预警卫星把伊拉克的所有导弹发射尽收眼底，然后及时地把有关信息传送给美军的爱国者导弹部队，使爱国者导弹有效地拦截了伊方的飞毛腿六、红外光通信的设计原理（一）锁相环：（1）概念：PLL(Phase Locked Loop)： 为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。PLL用于振荡器中的反馈技术。 （2）特点：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入

11、电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。 （3）构成：鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）（二）鉴相器：又称为相位比较器，它的作用是检测输入信号和输出信号的相位差，并将检测出的相位差信号转换成uD（t）电压信号输出（三）低通滤波器：该信号经低通滤波器滤波后形成压控振荡器的控制电压uC（t）（四）压控振荡器：对振荡器输出信号的频率实施控制。工作流程：输入信号 鉴相器 低通滤波器 压控振荡器 输出信号。鉴相器有两个输入，分别

12、是输入信号和压控振荡器的输出信号，在二者相位差和频率差不是很大的情况下，鉴相器的输出与两输入信号之差成正比，鉴相器的输出为模拟信号，其通过低通滤波器虑除高频杂波，后进入压控振荡器，压控振荡器的输出频率随其输入电压的改变而改变。图1锁相环（4046）内部电原理框图CD4046工作原理：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器、的输入端，图3开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2

13、，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同，不再赘述。电路图如下：发送电路调频发射电路，主要是对输入的音频信号进行调制，来产生PWM信号，再通过红外发射管将载有音频信号的PWM信号发射出去，PWM比较器可以选择常用的LM339，为了提高LM339的输出电压上升沿的速率，采用跟随器上拉电路，其中电阻可以选择10K，二极管可以选择1N4148，晶体管可以选择s9014。为了改善驱动能力，在每一路输出接有缓冲器，可以选用高速CMOS的反相器M

14、C74HC04A，对于发射管选用普通的红外对管发射管。接收电路音频信号经过调制后得到一组PWM信号，为了将音频信号解调，首先要完成红外通信，需要对红外发射管发射出来的PWM音频信号进行接收，本设计通过普通红外对管接收管接收，由于脉冲放大电路采用的是H桥互补对称输出电路，驱动信号应为两组PWM波，并且一组反向，驱动能力也应该满足开关管的工作要求，这里PWM正向信号，可以直接利用接收的PWM脉冲信号，另一组对称的反向信号也可以通过选用高速CMOS的反相器MC74HC04A完成，从而得到两组输出级驱动信号。PCB如图所示： 发送机板覆铜后的发送机板接收机板覆铜后的家手机板7、 总结和结论本设计实现了信号经过红外发送和接收完成较远距离的输送。基本实现了红外收发系统的设计与实现。 该次实验是我们在整个过程中学到很多，经过这次实验我基本解了简单的红外光通信系统的组成及设计原理，初步了解了通信电子系统方案设计、电路设计的方法， 和红外发送、接收电路的设计原理和原则，熟悉了电路仿真软件AD的使用。也深刻地感受到只有灵活运用所学的电路分析理论知识才能与实践完美的结合起来。做实验之前首先应该熟悉各个器件的使用，以及检查各个器件是否是有问题，确保器件都正常地前提下再进行实验。这样可以提高实验效率，也可以提前排除由于器件不好引出的不合理的实验现象