红外无线通信设计与实现论文

红外无线通信系统的设计与实现红外无线通信，通常又叫红外光通信，是利用红外线传送信息的一种通信方式。红外线通信所传输的内容是多样的，可以是音频信号，也可以是视频信号。利用红外线，可以构成无绳电话电气指标较易处理，应用于普通的办公室和家庭等场合应该已经可以满足要求。红外线的应用范围很广，电视机、空调、微波炉等凡涉及到遥控的家电，一般均采用红外线来作为信号传输的载体。本次设计的红外无线通信系统主要是传递音频信号。该系统是由发射模块和接收模块组成。发射模块的输入与音响设备相连接，从音响设备输出的音频信号调制红外光以后，由红外光发射机将调制的红外光向空间发射。红外无线系统的接收部分将接收到的已调制红外光进行解调，还原出音频信号，然后送到扬声器发出声音。本次设计的电路系统具有实用、成本低廉、使用方便关键词红外线、发射、接收、调制、解调DesignandimplementationofaninfraredwirelesscommunicationsystemAbstractInfraredwirelesscommunication,typicallycalledtheinfraredlightcommunicationisacommunicationmethodusingtheinfraredtransmissionofinformation.Contenttransmittedbytheinfraredcommunicationisvaried,maybeanaudiosignalorvideosconditioners,microwaveovens,etc.,generallyusedasaninfraredsignaltransmissioncarrier.Theinfraredwirelesscommunicationsystemismainlydesignedtopassaudiothetransmittermodulewithaudioequipmentconnectedtotheaudiosignalfromtheaudioequipmentmodulatedinfraredlightoutputaftertheinfraredlighttransmitterwillemitmodulatedinfraredlighttothespace.ThereceivingsectionreceivesinfraredwirelessKeywordsinfraredtransmitterandreceivermodulation、demodulation I英文摘要 11.1红外发射系统组成框图.........................................21.2红外发射系统的工作原理分析1.2.1直流稳压电源 21.2.2音频放大电路 51.2.3高频振荡电路 61.2.4高频放大电路 9 2红外接收系统2.1红外接收系统的组成框图2.2红外接收系统的工作原理分析2.2.1直流稳压电源 2.2.2红外接收电路 3红外通信系统的仿真3.1仿真软件的介绍.............................................163.2仿真调试 4.安装、焊接、调试及性能分析 1由于计算机与通信技术的高速发展，计算机通信技术得到广泛的应用，硬件技术总体趋势向着高集成度、高稳定性、高速和高性价比趋势发展。而红外无线通信系统是在我们的生活中，我们可能会在看电视、听音乐、上网为了不影响家人或者邻居休息，特地使用耳机，然而由于受到耳机线的束约多多少少给我们带来了些许不便。如果能有一款无线耳机的话，就会解决这些不便。我们可以用红外线作为传递的媒介，通过红外线来传递音频信号。红外无线耳机由于它的信号发射采用小巧的红外发射电路，不仅可以在室内用于电化教学、家庭电方便地去掉耳机线，实现名副其实的无线“随身听”。它不仅带给我们无拘无束的轻松感觉，更多的是使我们的心情舒畅自在。无线耳机也可以广泛用于外语听力教育，是现代电化教育的辅助工具，充分利用了无线电的磁场在空气中传播的原理。信号的调制方式总体可分为三种，分别是幅度调制、频率调制、相位调制。其中频率调制在调制方面有诸多优点。它具有比幅度调制频率高、抗干扰强，同时比调相方式经济等特点。它的缺点是占用的频带要宽。说到频率调制我们要了解一种技术，即锁相环技术（PLL）。锁相环技术（PLL）是一种能自动跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统•该技术在频率调制方面应用十块来进行频率调制，这种集成模块为CD4046锁相环集成电路CD4046是一种低频多功能单片数字锁相环集成电路,最高工作频率1.3MHz,电源电压3~18V•与类似的双极性单片锁相环集成电路相比,功耗仅为其数百分之一，因而它在频率调制与解调、频率合成、电视机彩色副波提取、FM立体声解码、遥控系统、频率的编码和译码等诸多方面均得到了应用•集成环路部件以其低成本、性能优良、使用简便而得到了青睐。本次介绍一种应用锁相环和红外技术2制作而成，采用频率调制方式，用红外线传送音频信号的调频红外无线通信系统。该系统设备具有供电方式多样，传输距离10m以内，音质较好，红外信号基本不受电磁干扰，性价比高等特点。1.1红外发射系统组成框图图1是红外发射系统的组成框图。它是由音频放大电路、频率调制电路、高频功放电路、高频振荡电路、高频放大电路、直流稳压电源、红外发光二极管组成。红外发红外发管立$「二〒干迂—直流穩压电源1.2红外发射系统的工作原理分析1.2.15V直流稳压电源为了制作5V直流电源。我们用四个1N4007四个整流二极管构成桥式整流桥。将220V50HZ的交流电转换为直流电。然后用电容元器件进行滤波功能。最后我们为了使输出压降稳定在5V我们选用一种稳压电器元件即固定式三端稳压器7805。图2是直流稳压电源电路系统框图。变压器3图2直流稳压电源电路系统框图220V交流电端子连一个降变压器把电压值降到8V左右121.2桥式全波整流电路02sind()根据图，输出的平均电压值兀0本次滤波电路的设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小45121.4+5V直流稳压电源的总设计框图Jfc1N4Q07XlN4(X)7p)50Hz2Jt1N4007XlN4007LMZB05CTTOLTMt^1mF^1Q0nFi；1Q0ufc1Q0rF4--4-■图3+5v直流稳压电源的总设计框图图3是+5v直流稳压电源的总设计框图。它由电源变压器，桥式整流电路D1〜D4,滤波电容C1、C3,防止自激电容C2、C4和一只固定式三端稳压器（7805）组成的。220V交流波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化）。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。本次发射模块的电路系统的音频放大采用的是三极管共射级放大电路电路。图4是共射级放大电路6振荡器是一种不需要外加输入信号，而能够自己产生输出信号的电路。产生无线电载波信号的高频振荡器属于正弦波振荡器。正弦波振荡器由放大电路和反馈电路两部分组成，反馈电路将放大电路输出电压的一部分正反馈到放大电路的输入端，周而复始即形成振荡，如图5所示。高频振荡器有变压器耦合振荡器、电感三点式振荡器、电容三点式振荡器、晶体振荡器等多种电路形123.1变压器耦合振荡器变压器耦合振荡器电路如图6。变压器T包括振荡线圈L2和反馈线圈L1，联谐振回路构成选频放大器，只有频率f=fo的信号得到放大，并经变压器T正反馈至基极，形成振荡，振荡频率fo=1/(2nL2C2)，正弦波信号经C4耦合输出。变压器耦合振荡器的特点7123.2三点式振荡器所谓三点式振荡器，是指晶体管的3个电极直接与振荡回路的3个端点相连接而构3个电抗中有两个是电容，所以叫做电容三点式振荡器。90°,所以支路电流I比Uo滞后90°。而I流过电容C4所产生的反馈电压U8B又比I滞后90°,即与输出电压Uo反相（相差180°)而与输入电压Ui同相，实现了正反馈，电路实现振荡。电容三点式振荡器的特点是振荡输出电压波形好，振荡频率较稳定，但不易起振，波段频率范围较窄。RiL为了进一步提高振荡器的频率稳定度，可以采用晶体振荡器。因为晶体的谐振频率十分稳定，因此晶体振荡器具有非常高的频率稳定度。根据晶体在电路中的作用形式，常用的晶体振荡器可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两类。并联晶体振荡器电路如图6所示，晶体B作为反馈元件，并联于晶体管VT的集电极与基极之间。这是一个电容三点式振荡器，晶体B在这里等效为一个电感元件使用，与振荡回路电容C2、C3一起组成并联谐振回路，共同决定电路的振荡频率。串联晶体振荡器电路如图7所示，晶体管VT1、VT2组成两级阻容耦合放大器，晶体B与C串联后作为两级放大器的反馈网络。晶体B在这里等效为一个纯电阻使用，将VT2的集电极电压反馈到VT1的基极，构成正反馈电路。电路振荡频率由晶体的固有串联谐振频率决定。9==C3VtiVt2口放大器的作用是将振荡器产生的高频信号放大到足够的功率，送至天线发射出去。数十毫瓦以下的小功率发射装置也可以不用高频放大器，而由高频振荡器直接通过天线发射。高频放大器是一种选频放大器，它只放大我们需要发射的频率的无线电信号。选频放大器最显著的只有f二fo的信号得到放大，由L1耦合调频是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。（与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示信息，而其频率却保持不变。）在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。在数字应用领域，载波的频率则根据数据序列的值作离散跳变，即所谓的频率键控（FSK。图14是频率调制的例子。上图显示了一个叠加在载波信号上的调制信号。下图显示了最后得到的频率调制信号。125.1调频工作原理表在一个方向上相对f的最大频率偏离，在此我们假定x«t）是有限的幅值限于土1之间。c1.2.5.2锁相环CD4046集成模块的介绍CD4046是通用的CMO锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V-18V），耗器件。CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制，功能是完成两个电信号相位同步的自动控技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC、压控振荡低波器三部分组成，如图15所示。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I、U的输入端，图16开关K拨至2脚，则比较器I将从3脚输入的比较信号Uo与输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勺振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1oVCO勺输出又经除法器再进入相位比较器I，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2=f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20,透过pin1和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范2红外接收系统图20是红外接收系统的组成框图，它是由红外接收电路、高频放大电路、频率解调电路、音频功放电路、扬声器和直流稳压电源组成。2.2红外接收系统的工作原理分析图21是红外接收系统的电路原理图3红外通信系统的仿真3.1仿真软件的介绍由于电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益成熟，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。Multisim最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等18种路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和VerilogHDL语言的电路仿真与设计。】r.jLEIDI1DKIflnF图22红外发射电路系统仿真图图23红外接收电路系统仿真图4.安装、焊接、调试及性能分析4.1锁相环调频电路仿真分析直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低，而采用晶体振荡器的调频电路，其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图24所示。首先在Multisim软件中构造锁相环的仿真模型。基本的锁相环由鉴相器（PD）、环路滤波器（LP）和压控振荡器（VCO）三个部分组成。图中,鉴相器由模拟乘法器A1实现,压控振荡器为V3,环路滤波图24锁相环调频电路的原理框图SXWVans：25kHiOP牛根据图24建立的仿真电路如图25所示。图中,设置压控振荡器V1在控制电压为0时，输出频率0；控制电压为5V时，输出频率为50kHz。这样，实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz,为此设定直流电压V3为2.5V。调制电压V4通过电阻R5接到VCO的输入端，R5实际上是作为调制信号源V4的内阻，这样可以保证加到VCO输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和，从而满足了原理图的要求。本电路中，相加功能也可以通过一个加法器来完成，但电路要变得相对复杂一些。VCO输出波形和输入调制电压V4的关系如图26所示。由图可见，输出信号频率随着输入信号的变化而变化，从而实现了调频功能。图26锁相环调频波形（蓝色为调频输出红色为调制信号4.2锁相环鉴频电路仿真分析信号用锁相环可实现调频信号的解调，其原理框图如图27所示。为了实现不失真的解调，要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏，环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽调频波调频波图27锁相环鉴频电路的原理框图路相同。为了进一步改善低通滤波器的输出波形，在R1、C1的输出端，又串接了一级图28锁相环鉴频的仿真电路由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内阻值要比调频电路中的阻值小。本例中，R仁10k。仿真波形如图该电路实现了鉴频功能。如果将R4C2的输出作为VCO的输入,这在实际仿真时所示。由图可见,则仿真结不再正确,r^«-xsci■L_TIT4T1比例50sQvXfcS02-702m&2.7021nsD.ODOs而廿蹴過亟SEE-SlB.097mVO.OCMV757,382^757.382mV0.0MV比例SOmV^lvY位置-16.6画回iEstTrigger］［］［图29锁相环鉴频实验结果波形由图可知，由于压控振荡器计低通滤波器的参数不是特别合适，毛刺，而不能很好的实现滤波，输出完美的正弦波。导致输出波形出项毕业设计即将接近尾声，在这一段时间里，对自己来说，是一个非常大的锻炼和提对于我的毕业设计，我也做了很多工作。确定了毕业题目后，我就开始着手搜集一些有关毕业论文方面的资料与文献，并对其进行了学习与理解。之后，我就开始我的电路的系统设计。在电路设计这一板块，我对之前的一些软件又有了较为熟练的理解与操作。对我以后毕业找工作又增本论文是一个实用研究型课题。其目的是借鉴广泛应用的红外通信技术，在迅猛发展的无线音频产品市场，寻求一种顺应社会需求具有广阔市场发展空间的接听装置。本文分析了红外通信的国内外发展形势，在此基础上提出了自己的解决思路和设计本文红外无线通信系统主要有两大部分组成:1.红外发射电路模块包括基本电路及