【基于红外光的音频传输系统设计4900字（论文）】

基于红外光的音频传输系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u253071系统总体设计 1208562红外通信原理及特点 295452.1红外通信原理 246202.2红外通信协议 2321392.3红外通信的特点 398293.1主要器件的选择 3101803.2调制方式 4138433.3电路设计 53364系统调试 8299005结论 813234参考文献： 9摘要：本文设计了一款基于红外光的音频传输系统，该系统由红外发射模块和接收模块组成。采用了红外发射管、红外接收管、LM386音频功率放大器等器件，经过测试该系统可以实现2m范围内的红外音频传输。该装置具有结构简单、传输性能好、性价比高等特点。红外通信是目前使用较为广泛的一种通信方式，该系统的设计具有一定的使用价值。关键词：红外光；音频传输传统的音频播放系统必须依靠电缆才能将音频信号进行传输，这种有线传输的方式使得系统的灵活性较差，同时电缆的接入也增加了系统的成本，不便维护，这种传输方式已不再适应现代通信系统移动化的发展。那么有没有一种无需电缆连接就可以实现音频传输的方法呢？此时，红外光进入了人们的视野，随着科技的进步，红外技术也得到了前所未有的发展。红外通信便可实现音频信号的无线传输。红外无线通信技术的发展对传统的音频信号传输方式产生了重大影响。这种通信方式是以红外线作为传输媒介来传输音频、视频、文字等信息，具有灵活、便捷、高速、保密性强等诸多特性。在国外，许多的研究机构和院校长期进行这方面的研究。研究成果也源源不断地走向商用。红外无线通信的应用主要体现在数据传输和遥控方面，可用于教室的语音教学系统、实验室等短距离无线通信场合。、作为无线连接的重要组成部分，红外技术在电子产品中具有很大的发展潜力。本文设计了一款以红外光为载体的音频传输系统。1系统总体设计红外音频传输系统是以红外光作为音频信号传输的载体，整个系统主要由红外发射模块、红外接收模块两大部分组成。发射端首先接受音频信号，由于其接收到的音频信号是比较微弱的，需要通过放大电路进行放大，放大后的音频信号调制后即可由红外发射电路向外发射。接收端的任务是将接收到的红外信号转换为电信号，然后再进行解调，将该信号还原为音频信号。最后经音频功率放大电路的驱动即可输出音频信号，完成红外传输过程。系统的基本结构如图1所示。图1红外音频传输系统设计框图2红外通信原理及特点2.1红外通信原理红外光通常也称其为红外线，它是一种波长比可见光长的电磁波，波长范围在760纳米到1毫米之间。红外光由英国科学家赫歇尔于1800年发现。。红外通信就是用近红外波段的红外线作为传输信息的媒介。发送端将输入的信号转换为脉冲串信号，再由红外发射管进行发射。该信号在接收端被转换成电信号，解调之后便可输出。脉冲宽度调制（PWM）、脉冲位置调制（PPM）是两种常用的调制方法。2.2红外通信协议1993年，红外数据协会（IrDA）成立，建立了一个统一的红外通信标准。IrDA成立后，将红外通信使用的红外光波长范围限定在850~900nm之间，以此来保证不同的红外产品能最大限度获得最佳通信效果。1994年IrDA发布了第一个红外数据通信标准IrDA1.0，即SIR，这是HP开发的一种半双工红外通信方式。最高通信速率只有115.2kbps。1996年IrDA1.1标准发布，即FIR。它采用了4PPM调制解调技术，其通信速率最高可达4Mbps，从而被广泛采用。此后IrDA又发布了通信速率高达16Mbps的技术。IrDA标准都包含三个基本的协议和规范：红外物理层连接规范、红外连接访问协议以及红外连接管理协议。图2IrDA协议2.3红外通信的特点红外通信是一种广泛使用的无线连接技术，它被很多的软硬件平台所支持。主要有以下特点：1.低成本、性价比高；2.具有很高的传输速率，最高可以达到16Mbps；3.安全性高、保密性强；4.新旧版本的通信标准可以互相兼容。3.系统硬件设计3.1主要器件的选择在红外音频传输系统中用到的主要期间就是红外光发射器和红外光接收器，它们的选择直接影响实验能否成功。3.1.1红外光发射器在该系统中，红外发射器的作用是将音频信号转换为红外信号，并将转换后的信号向外发射。红外发光二极管、红外激光器就是常用的红外光发射器。但是他们的性能有很大的差别。红外发光二极管的带宽较宽，这样就导致了接收器收到的光噪声增加，使得系统的信噪比和接收器接收效率大大降低。和红外发光二级管相比较，激光器的光电转换效率很高、输出功率大，但是发射功率也大，过大的发射功率会损伤人眼，功率太小又无法提升传输速率，最重要的一点是其价格也十分昂贵。二极管的发射功率虽低，但是对人眼无伤害，价格相对来说也很便宜，基于以上考虑，最终选择的发射器为红外发光二极管。红外发光二极管的外形和普通的二极管相差不大，不同之处在于其发出的是看不见的红外光。红外发光二极管的类型不同，其管压降和工作电流也不一样。经常采用在电路中加入限流电阻的方式来使红外发光二极管适应不同的工作电流和工作电压。3.1.2红外光接收器红外光接收器在系统中起着至关重要的作用，它位于接收模块的最前端，其作用是实现红外信号的光电转换。通常将红外光接收器分为两类：一是红外光一体接收机，二是光敏二极管。前者的内部继承了放大电路、滤波电路等，主要用于红外遥控等特定的红外通信系统中。红外光敏二极管分为PIN型、APD型。它的性能决定着能否实现系统的功能。在该系统中，对二极管有以下要求：1.具有足够宽的光谱范围，可以接受发射端发出的红外信号（波长为850~940nm的红外光）；2.失真度低、光电转换效率高、输出电流大；3.安全可靠、使用寿命长；4.有较宽的频带和较高的响应速率。通过对比发现，APD型的二极管性能更好，但是该系统传输距离较短，PIN型二极管也可以满足系统的要求，价格也便宜，所以选择PIN型二极管。此外，它还可以直接将红外信号转换为电信号，使得系统的更加简单。3.2调制方式红外音频传输系统的调制就是使携带音频信息的信号随着高频调制信号的频率、振幅等参数变化，然后将变化后的信号加载到红外光载波上以此来实现音频信号的传输。传统的红外同声传译系统大多采用频率调制的方式来实现音频信号的调制。频率调制就是指音频号的频率受到高频调制信号的控制，使音频信号的频率随着高频调制信号不断变化，在频率调制的过程中，不会改变音频信号的振幅。频率调制要求中心频率稳定、频率偏移要足够大。在电路中，多采用锁相环技术来稳定中心频率、增加频率偏移量。锁相环调频电路具有抗干扰能力强、功率利用率高等特点，其缺点是需要鉴相器进行解调，必须要将前置放大电路加到调制电路之前，这使得系统的结构变得复杂。此外，利用单片机也可以进行调制。在发射端先对输入的信号进行放大处理，然后将音频信号送入A/D转化器。接收端对信号进行放大、整形后进入D/A转换器，以此来滤除模拟信号中的高频噪声，恢复音频信号。这种方法的优点是外围电路较简单，但是用单片机进行调制，需要对音频信号进行A/D转换，然后再编程，这样就增加了系统的设计周期。在系统的设计过程中，应该综合考虑调制电路、解调电路的复杂程度，选择最佳方案。对调制电路有两点要求：一是能让系统获得较高的传输速率、二是使系统具有高信噪比。和连续载波调制相比较，脉冲调制具有更强的抗干扰能力，提高传输速率的方法也比较简单，只需改变脉冲的宽度即可；红外音频传输系统发射端所使用的红外发光二极管在工作电流低于25mA时，二极管的发光强度会随着正向电流呈线性变化，一旦电流超过25mA，PN结就会发热，正向电流也不再随着二极管的发光强度线性变化，这样就会使光电转换后的信号无法恢复。采用脉冲调制可以降低PN结的发热量，减小对系统的影响。基于以上考虑，该系统采用脉冲调制方式。通常将脉冲调制分为以下几种：脉冲幅度调制（PAM）、脉冲位置调制（PPM）和脉冲宽度调制（PWM）。脉冲幅度调制比较简单，在这种调制方式下，脉冲信号的幅度与音频信号的幅度成线性关系，只要对调制的信号进行周期性采样便可以得到PAM调制波形。红外音频传输的过程中，随着传输距离的变化，信号会出现不同程度的衰减，如果采用PAM调制，则无法实现较长距离的传输。在脉冲宽度调制、脉冲位置调制中则不会改变信号的幅度，本文主要介绍了脉冲宽度调制。脉冲宽度调制与脉冲幅度调制不同的是，脉冲的宽度随着音频信号的变化而变化，经调制后的信号，占空比是可变的。脉冲位置调制抗干扰能力强、功率利用率高，但这种方式会牺牲系统带宽，并且这种调制方式要求发射端和接收端同时进行传输。通过对以上几种调制方式的比较，最终选择脉冲宽度调制。脉冲宽度调制的原理就是把发射端采集到的音频信号与三角波进行比较，然后将宽度变化的脉冲信号进行输出来实现脉冲宽度的调制。这种调制方式实现的关键是，三角波的幅度要大于音频信号，这样就能够避免幅度较大的音频信号未进行调制，三角波幅度也不宜过大，如果幅度过大就会消耗系统的功率，降低系统的利用率。3.3电路设计3.3.1放大电路在本系统中，音频信号可以用手机进行输入，但是发射模块得到的音频信号比较微弱，而且输入音频信号的同时会混入噪声信号，所以要对输入的信号进行放大和滤波处理。为了对输入的音频信号进行发大，在此设计了一个放大电路，放大电路如图3所示。放大器选择TL082运放芯片。该芯片的偏置电压和偏移电流较低，对于输出电路具有短路保护功能，它的最大工作电压为18V。可以对电路进行两级反向放大，第一级放大倍数为100，第二级放大倍数为1-10倍。输入的音频信号有直流偏置，为了滤除直流信号，需要加入C1、C2两个电容，对其进行隔直处理。电容C1、C2的值均为47μF。在电路中加9V的电压。耦合电容C20、C21加在电源的输入端；电容C14、C15为旁路电容，其作用是减小电源不稳定性对电路产生的影响。图3放大电路3.3.2发射电路发射电路如图所示，红外发光二极管位于电源和8050三极管之间，首先音频信号由输入端传送至三极管构成的放大电路，接着再由红外发光二极管将该信号转换为红外信号并向外发射。图4红外发射电路3.3.3接收电路接收电路的作用就是接收红外信号，完成红外信号到电信号的转换过程。光敏二极管的内阻是随着接收信号的强弱不断变化的，接收的信号强内阻变小，接收的信号弱内阻变大，二极管负极的电压也随之变化。在经过耦合电容，音频信号就被耦合出来了。图5红外接收电路3.3.4音频功率放大电路音频信号不能直接输出，必须经过功放模块的处理才可以发出声音，选择一款合适的音频功率放大器尤为重要。LM386是由美国国家半导体研发的一款音频功率放大器，被广泛应用于低电压类的产品。它的外围原件少，电压增益在20~200范围内可以任意调节，同时它还具有功耗低、失真度低、工作电压范围宽、结构简单等特点，很适合用在这里。其原理如图所示。图6功放输出电路4系统调试系统设计完成之后，对每个模块进行检查，检查电路设计、连线以及器件的焊接是否正确，若没有问题，开始对系统进行调试，检验系统的功能。在发射端，用手机输入音频信号，红外发射管将该信号以红外光的形式向外发送，接收端将接收到的红外信号还原为音频信号，经过音频功率放大器的驱动即可输出音频信号。完成红外传输过程。系统实物如图所示。图7系统实物图5结论本文设计了一款基于红外光的音频传输系统，经测试，可实现2m范围内的红外音频传输，达到了实验目的。该系统传输速率较快、设计简单、性价比高。在短距离无线通信中具有良好的应用前景。不足之处是该系统的传输距离较短，超过传输范围就无法进行有效传输。可以通过设置中继模块来增加系统的传输距离，因自身能力问题，没有完成这一步的设计。基于该系统的设计思路和原理，进一步还可以设计出红外耳机、红外对讲机等。在系统的设计过程中，从电路的设计到元器件的焊接都遇到了许多的问题，尤其是电路的设计让我看到自己在专业知识上还有很大的欠缺，在今后的学习生活中还需不断提升自己的能力。

参考文献：张小莉.红外语音通信系统的研究与设计[D].延安大学，2015.鄢盟.红外通信模块的设计与实现[D].吉林大学，2012.马鑫.远距离红外激光无线通信系统设计与实现[D].天津大学，2008.董光辉.室内无线红外通信调制技术研