F题红外光通信装置(设计报告)

1、全国大学生电子设计大赛论文红外光通信装置（F题）设计报告本科组参赛学校：解放军理工大学通信工程学院参赛队编号： NJ071参赛队员：张建红 邹燎原 王茜茜红外光通信装置摘要：本设计实现了一个语音与数据红外传输系统，采用PCM编解码器得到数字语音，FPGA器件作为主控单元，将单片机采集的室温信号和PCM编码器采集的语音信号，进行复接和编码，并驱动红外发射装置。以红外光为载体传输信号，传送至接收端。依次经过红外接收器、信道解码、PCM解码器，实现语音与数据的传输。该系统由PCM编解码器，单片机处理器，FPGA器件，红外收发模块与液晶等外设五个部分组成。经测试，本系统完全实现了基本要求和发挥部分的要

2、求，且性能稳定，传输距离可达到5米以上，语音音质好，功耗低。关键词：PCM编解码器，现场可编程门阵列，红外光通信Abstract: This design realizes a system which transmits speech signal and data by infrared light. It gets digital voice by adopting PCM codec-filter. As a master controller, FPGA joints the temperature from MCU with speech signal from PCM, then

3、 drives the infrared emission. It uses infrared light as carrier to transmit signal to the receiver. This system is composed of PCM codec-filter, MCU, FPGA, infrared emission and reception, etc. Through the test, it turns out that the communication system accord with basic requirements and higher re

4、quirements completely. Furthermore, it performs stably and the voice is good of tone quality with low-power dissipation. The transmission distance is over 5 meters.Key Word: PCM codec-filter, FPGA, infrared light communication- 11 -红外光通信装置1 系统方案1.1 设计要求基本要求：红外光通信装置利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输

5、距离为2m。发挥部分：实时传输发射端环境温度，语音信号和数字信号能够同时传输,通过转发节点延长通信距离2m,并保证语音通信质量，如图1所示。1.2 系统组成框图一个基本的红外光语音传输系统如图2所示，主要由信源、信源编码、信道编码、信道、信道解码、信源解码和信宿7个部分组成。信源包括语音信号和数字信号。信源编码实现语音模拟信号与数字信号之间的转换。信道编码实现多路信号复接、同步并提高抗噪声的能力。本系统以红外光为信息载体将信息传输到接收端，进行解扰码、解复接的信道编码、信源解码，最终实现红外光通信。1.3 方案论证1.3.1 红外接收方案一.分立元件搭建接收电路红外接收管接收到光信号并转换成电

6、信号，电信号与接收到的光强成正比。接收信号经放大处理，噪声同时被放大，接入FPGA进行判决处理，这样判决误差大。方案二. 红外接收模块红外接收集成芯片灵敏度高，同时内部集成运放、滤波器，将接收到的信号放大，滤波处理，有效地消除噪声干扰。根据指标要求，红外接收端选择方案二即采用红外接收模块TFDU4100实现红外光信号的接收。其与红外发射管TSFF6410匹配，可以直接和一个做脉冲调制的I/O口连接，简单且效率高。1.3.2 语音信号的预处理方式方案一.采用模拟信号直接传输红外光传输数据不存在无线电传输时天线尺寸的问题，理论上可以将语音信号用低噪声输入阻抗高的运放进行前置放大，信号调制二极管两端

7、电压，发光二极管的发光强度与模拟电压信号强弱成正相关。接收端接收到变化的光照强度，转换成模拟电压或电流信号。但是，输入的语音信号非常微弱，极易被噪声淹没，语音失真大。方案二.采用AD芯片将语音信号进行一定的前置放大和滤波处理，进行高精度的AD采样，将模拟量数字化，进而在通信系统中传输，但本方案模拟部分实现较为复杂。方案三.采用PCM编解码器作为最典型的语音信号数字化方式，PCM编解码将语音数字化并限制频带，量化信噪比大。常见的PCM编解码器内含有精确基准电压,并带有预采样滤波器和重构滤波器,既可用于同步传输也可用于异步传输的设计中。经讨论、分析、对比，最终选择方案三即PCM编解码器，芯片选型为

8、 MC14LC5480DW，采用A律压扩。1.3.3 信道编解码方式方案一.DSP数字信号处理芯片实现DSP运算速度快，通用性强，可以与串行设备如编解码器或串行A/D转换器直接通信，同时还可提供A-律和u-律压扩。方案二.FPGA实现可实现信道多路复用，并可同步传输语音数据和温度数据，产生适合红外光信道传输的高速脉冲。其集成有多个成熟的IP核，功能强大，编程简洁，语法易懂，处理速度快满足实时传输的要求。若加入串扰码还可以提高信息传送的可靠性。在接收端FPGA实现信道解复用、解码，恢复语音和温度两路数据。方案三.单片机实现将前端输出连接到单片机的外部中断，结合定时器判断外部中断间隔的时间，从而获

9、取数据，将采集到的数字信号进行编码产生PWM波调制信号。成本相对较低，但传输速率低，难以实现语音信号与温度信号的并行同步处理。考虑到实际情况，结合手边资源，最终采用FPGA EP3C10E144C8N和EP2C8Q208C8N实现。2 理论分析与计算2.1 红外发送距离和接收功率信号传输距离与发射管发光强度，方向角度以及接收管的灵敏度有关。光照强度与距离之间的关系为E=I/(R*R)，其中I为照度，R为发射端与接收端间的距离，光照强度E决定发射管发射功率。接收管的接收功率为 其中为红外光波长，发射口径有效面积，发射管的半功率角度越小聚光能力越强，越大。在发射功率一定的条件下，要保证2米的通信距

10、离需要将接收管对准发射管最大辐射方向，从而增大发射和接收的有效面积。 2.2 非均匀量化信噪比高语音信号数字化若采用均匀量化方式，则量化信噪比会随信号电平的减小而下降。若采用非均匀量化编码，在出现频率高的低幅度话音信号处运用小的量化间隔，在不经常出现的高幅度语音信号处运用大的量化间隔。这样可以扩大输入信号的动态范围，提高小信号的量化信噪比，进而改善量化性能。A律13折线法从非均匀量化的基点出发，将折线段划分成128个不均匀的量化级，编码时只需要7位，加上一位极性码共8位，若采用均匀量化则需要11位，所以使用PCM A律量化编码既提高了量化信噪比，又减小了带宽。2.3 脉冲频率和宽度语音频率在3

11、00-3400Hz,根据奈奎斯特定理，Fs2Fa即约8kbit/s时可无失真恢复出语音信号。信道编码采用1/4的脉宽调制方式极大地降低了系统的功耗，编码采用脉宽为1/4比特位的脉冲调制，占空比为1/4，整个通信过程中，若1，0等概率出现，高电平时间占总时间的1/8。若使用普通的全占空串行通信方式，在同等条件下，高电平占用时间为1/2。同等通信速率下，前一种信道编码方式功率消耗为后一种的1/4。3 硬件电路设计3.1 硬件模块在如图3所示的红外发射装置中，温度，湿度检测电路采用DHT11电阻温湿度传感器，由MSP430PM64单片机处理温度湿度信号，使用PCM编解码器MC14LC5480DW实现

12、语音信息的采样量化模数转换。采用FPGA EP3C10E144C8N处理语音和温度数据，产生脉冲序列，驱动红外发光二极管，红外发射管向外发送特定频率的近红外光。 在如图4所示的红外转发装置中，红外接收管接收到的信号的波形会有所失真，经非门整形，输出到红外发射管，从而在接收端获得较大信噪比。在如图5所示的红外接收装置中，TFDU4100红外接收模块将接收到的信号处理后传输给FPGA。MC14LC5480DW编解码器解码得到的其中的语音信号。同时单片机获得其中的温湿度数据并显示。3.2 软件编程3.2.1 FPGA模块软件流程如图6所示FPGA时钟源为50M的外部晶振,通过锁相环倍分频后得到40.

13、96M的系统时钟，进一步通过计数器分频得到2.048M与8K的子时钟，2.048M时钟供给语音芯片作比特同步时钟，8K为帧同步时钟。信号以80Kbits/s的速率传输，整个信道的时序被固定划分，信道传输信息的时间被划分成若干时间片（简称时隙），并被分配给每一个信号源使用，每一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。其优点是时隙分配固定，便于调节控制。帧格式如图7所示：为提高传输速率，采用数据复用，并行同步传送信息位。帧同步头码为0x00FF。本设计在FPGA中加入43阶自同步扰码，增加比特流的随机性，有效地提高了干扰能力。同时，自扰码的加入，并未增加比特流,信道利用率高。接收装置处的FPGA

14、 EP2C8Q208C8N做与发射端相反的工作，采用锁相环锁频获取信号频率，采用glitch滤除毛刺，经过解扰码、解复接将温度信息通过SPI总线返给单片机，语音数据单线输出给终端语音芯片处理。3.2.2 单片机温度显示发射装置中，DHT11数字温湿度传感器内含已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器具有快响应，抗干扰能力强等优点。该传感器与高性能，极低功耗的MSP430单片机相连接。单片机通过单总线数字信号口将温度、湿度数据读入RAM中，再通过自定义的串口将数据传输给FPGA。如图8，接收端的单片机给FPGA输入使能信号，通过FPGA的SPI总线获取16比特的数据流，高8位是温度，低8位

15、为湿度。此外，单片机外置光照强度传感器OPT101，通过单片机模数转换功能将光照强度引起传感器两端的电压变化直接转换为数据。通过SPI通信方式，在LCD上显示。4 测试方案与测试结果4.1 测试仪器TEKTRONIX TDS2012B双踪示波器 三台F120型函数发生器 一台 GDM-451数字万用表 一台YB1731A 3A直流稳压电源 一台2CHACMILLIVOLTMETER低频毫伏表 一台FLLIK117毫安表 一台音频连接线 两根MP3播放器 一个喇叭 一个温度计 一个4.2 作品测试及性能数据各项功能的测试数据如表1 表1 各项性能测试数据测试项目指标要求测试结果结果分析基本1通过

16、3.5mm的音频插孔线路输入一段mp3语音信号，在接收端用耳机接听，测试语音质量接受端无明显失真语音良好，接收端无失真系统稳定基本2发射端输入800Hz单音信号时，在8电阻负载上，用数字万用表测试接收装置的输出电压有效值(1)接受装置的输出电压不小于0.4V当发端输入有效值为0.7V时，收端毫伏表示数为0.78V性能良好减小发端信号至0V，接收装置的输出噪声不大于0.1V输出端噪声电压为2.5mV性能良好基本3接收装置不能接收信号时，要用发光管显示要求同本项目但用纸片遮挡时，接收装置上的发光管即刻由暗变亮，反应迅速，功能正常FPGA反应迅速，功能正常发挥4实时传送发端温度值时延10S内，温度误

17、差2oC内温度时间响应<1S，温度误差<1SDHT11与MSP430单片机工作正常，系统能实时传送多路信号发挥5增加一个中继转发节点，延长通信距离两米要求同项目2当发端输入有效值为0.7V时，收端毫伏表示数为0.78V结果与直接传输效果一致，转发端用串连双非门整形效果良好输出端噪声电压为2.7mV，比直接传输时略有提高同上发挥6中继转发节点采用5V供电，测量电流满足两米通信距离的前提下，电流尽量小电流实测值为6.2mA在满足性能要求前提下，红外管串联了两个二极管，有效减小了电流拓展7在项目5的前提下延长通信距离语音无明显失真实验室最长延长距离为5.8m中继转发效果，信息编码可靠稳定拓展8多中继转发语音无明显失真实验室我们采用2m距离，两个通信中继，语音接收正常中继采用的非门串联电路整形，极大提高了整个系统的抗干扰能力5 总结本系统主控部分采用高性能的可编程门阵列，语音终端采用高性能PCM编解码器，系统实现了红外光语音与数据实时通信，功耗小，噪声低，传输距离远，能达到基本要求和发挥部分的各项指标要求。中继采用的非门串联电路整形，极大提高了整个系统的抗干扰能力。理论上