红外线音频信号传输系统设计2.docx

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红外线音频信号传输系统设计2

编号

本科生毕业设计

红外线音频信号传输系统

SignalTransmissionSystemofInfraredandFrequency

学生姓名

蔡力健

专业

通信工程

学号

0932314

指导教师

杨光

分院

电子工程分院

2013年6月

摘要

调频信号的传播媒介除了无线电波外还可以是红外线、超声波等，其中，红外线的应用日益广泛。

本文将要介绍的是红外线通信的一种应用形式——利用红外线来传送音频信号，这是一种红外线无线光通信电路。

首先介绍了红外线音频信号传输系统发展方向，提出了红外线立体耳机系统的设计和工作原理，紧接着逐步分析每一步工作原理，包括发射系统和接收系统，发射系统又包括频率调制，基本驱动方式，红外发光二极管和发射电路。

接收系统又包括光敏二极管，前置放大器，频率解调器和接收电路。

最后介绍了系统的调试与应用。

关键词：

驱动电路红外发光二极管光敏二极管

ABSTRACT

Thefrequency-modulatedsignalvectorbesidestheradiowavealsomaybetheinfrared,theultrasonicwaveandsoon.Amongthem,theinfraredapplicationisdaybydaywidespread.

Thisarticleintroducesonekindoftheinfraredcorrespondenceapplicationform-usingtheinfraredtotransmitthefrequencysignal.Thisisonekindofinfraredwirelesscommunicationcircuit.Firstintroducethedevelopmentdirectionsystemdesignandthenintroduceworkprincipleofinfraredandfrequencysignaltransmissionsystem.Thenanalysiseveryworkprincipleincludingemittingandreceivingsystem.Theemittingsystemincludefrequencymodulation,actuatingcircuit,infraredemitterdiodeandemittingcircuit.Thereceivingsystemincludesphotodiode,pre-amplificationdemodulatorandreceivingcircuit.Atlastintroducedebuggingandapplificationofthesystem.

Keywords:

ActuatingCircuitInfraredEmitterDiodePhotodiode

绪论

语言和音乐等所产生的电信号与其它低频电信号一样，一般不能直接作远距离传输。

被传送的低频信号（如语言、音乐）经过放大后去对发射机中高频振荡进行调制，使高频振荡的频率随低频信号而改变。

然后将此携带有低频信号的已调高频振荡经功率放大到实际需要的功率，通过一定的媒介向周围空间辐射。

在接收端，利用接收元件（如天线、红外接收管等等）将接收到的微弱电磁波或红外光变为已调波电流，经高频放大器选择出所需要接收的信号，并同时放大信号。

放大后的高频已调信号与本振频率相混频，变为频率较低且固定的中频已调信号，经中频放大器放大后，由鉴频器检出原来的调制信号，再经低频放大级放大去推动终端设备（如耳机、扬声器）。

红外线受人们青睐的原因是它的穿透能力强，容易绕过雾、尘埃等，还可以定向发射。

正因为红外线具有如此优点，仅在军事上红外线就有很多用途，如：

夜视机器、红外照相、红外雷达等。

此外，红外线被广泛的应用于自动控制、通信、家用电器等领域。

如普遍应用于彩电、录像机以及空调等的红外遥控，用红外遥控器在几米到几十米远距离的直视范围内任何位置，都可以任意地实现各种家用的遥控。

红外线通信，通常又叫红外光通信，是利用红外线来传送信息的一种通信方式。

红外线通信分为以光缆为传输介质的有线通信和用无线电波来传输的无线光通信。

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；可以是模拟信号，也可以是数字信号[1]。

本文将要介绍的是红外线通信的一种应用形式——利用红外线来传送音频信号，这是一种红外线无线光通信电路。

目前这种方式主要用于室内，如构成无绳电话及无绳耳机系统等。

红外线的传输距离虽然不远，但应用于办公室和家庭已绰绰有余。

由于可免去布线的麻烦，故它具有有线光通信无法比拟的优点。

本文设计的是红外线立体耳机系统，红外线耳机是70年代末在国外发展起来的产品，近几年国内也有研制和生产红外线耳机的报道。

它是利用红外线技术进行无线传送的新型音响辅助设备。

它可以使你不必用零乱而麻烦的电线，就能获得高音质放音。

第一章系统设计方案和工作原理

1.1系统总体设计方案

一、技术指标：

1、传输距离：

5米≤距离≤10米

2、采用光源：

半导体激光器或红外发光管

3、信号频率范围：

40HZ~5KHZ

二、系统设计方案

图1-1，1-2分别为发射机和接收机的设计框图。

放射电路由AGC放大器、频率调制器、驱动电路及红外线发射电路组成。

接收电路由前置放大、选频电路、频率解调电路、功放电路及耳机组成。

图1-1发射机设计框图

图1-2接收机设计框图

1.2频率调制红外线通信的基本原理

图1-3为频率调制红外线通信的原理框图。

图1-3（a）为发射机原理图。

在这种调制方式下，音频信号首先对某一适当频率的副载波进行频率调制，再用这个被调制频率的信号对光源进行调制。

图1-3频率调制红外线通信的原理框图

在频率调制中，输出光信号的幅度不变，而输出光信号的频率随着输入音频信号的幅度而变化，即输出光信号为调制光脉冲。

调频原理如图1-4所示。

图1-4音频信号的调频

在频率调制红外线通信中，调制脉冲对光源的调制为脉冲调制，其调制原理如图1-5。

图1-5光源的脉冲调制

在这种调制方式中，作用于红外发光二极管的驱动电流为脉冲电流，故输出的光信号为光脉冲，而频率在不断变化。

放大与压缩电路的作用是控制加到频率调制电路音频信号的幅度，以免产生调制失真[2]。

图1-3（b）为接收机原理图。

前置放大器将红外接收二极管收到的调频红外线脉冲进行足够的放大，然后进行限幅。

限幅后的调频信号送频率解调电路，将音频信号解出。

最后由功率放大器推出发声器件。

在频率调制红外线通信电路中，所传送的红外线信号幅度不变，不会受外界光的干扰，因此，这种通信方式较幅度调制通信方式有较高的信噪比。

这就意味着距离可以延伸。

在频率调制红外线通信中，频率调制与解调电路的中心频率一般为几十kHz~几百kHz。

第二章发射系统

2.1频率调制

在频率调制红外线通信系统中，频率调制与解调器便是这种通信系统的关键电路[3]。

一、频率调制器

频率调制器实际上是一种压控振荡器，它的振荡频率随输入的控制电压（即音频信号）的大小而变化，即将所要传输的音频信号反映在压控振荡器的频率变化上。

而这种频率的变化是以某一中心频率（即载波频率）为基准的。

这就要求载波频率有一定的稳定度。

否则，会造成通信信号的严重失真，甚至使通信无法进行。

另外，还要求频率调制器的频率偏移应与音频信号的大小成正比，即线性调频。

下面介绍几种在红外线通信中常用的频率调制器。

1、555时基电路构成频率调制器

VC时基电路555的控制端（即第5脚）电位的变化，将使555中上、下两比较器的阈值电平发生变化，如果令555时基电路构成方波振荡器，其VC端不悬空，而是输入一音频信号，这就构成了频率调制器。

电路如图2-1所示。

与通常的多谐振荡器一样，电源通过RA和RP对C充电，C上的电位逐渐上升，当上升到VC值时，电容开始放电，当电容放电到1/2VC时中，输出状态发生翻转，电容开始充电周而复始，形成振荡。

可见，电容C的充放电时间是与控制电压VC有关的，从而实现了VC对振荡频率的调制。

输入信号为零时的载波中心频率可由RP来调整。

改变RP也就改变了时基电路555的VC的静态电压，从而就可以改变振荡频率。

当然也可以通过改变RA或C的数值来改变中心频率。

采用555时基电路构成的频率调制器，电路比较简单，若用NE555、LM555等TTL型时基电路，还可直接驱动红外发光器件。

图2-1555电路构成频率调制器

2、CMOS门电路构成频率调制器

由CMOS非门可非常方便地构成一个简单的频率调制器，如图2-2所示。

图2-2CMOS非门构成频率调制器

在R2两端并上一个N沟道MOS管，音频信号加在它的栅极上，当音频信号变化时，MOS管的沟道电阻也随之变化，从而使振荡频率随输入音频信号而变化。

从而实现调制。

二、锁相环构成频率调制器

采用锁相环路实现频率调制，在红外线通信中应用很广。

它具有中心频率稳定度高，调制指数大等特点。

频率调制是将音频信号加在压控振荡器的控制输入端，利用压控振荡器的中心频率跟踪输入信号的变化而实现。

在压控振荡器的输出端得到的便是调频信号[4]。

TTL音频锁相环LM567是美国国家半导体公司（NSC）产品。

图2-3LM567内部结构

图2-3是LM567的内部框图，它由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。

图2-4是作选频时的电路。

LM567的第5脚和6脚外接定时电阻和电容决定锁相环内部压控振荡器的中心频率。

第2脚对地接电容C2为相位比较器输出的低通滤波器。

第2脚所接电容C2对锁相环的捕捉带宽BW有影响。

C2及压控振荡器中心频率越大，捕捉带宽BW越窄。

因此，在输入信号幅度及压控振荡器频率已确定的情况下，可通过改变低通滤波电容C2来扩展或收缩捕捉带宽。

第一脚对地接一电容C1为正交相位检波器的输出滤波，其外部功能作如下描述：

第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV，最佳值为200mV左右。

图2-4LM567选频电路

1、当LM567的输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率f0附近时，逻辑输出端8脚将由原高电平变为低电平，输出一个负脉冲。

可见，利用LM567的8脚输出，不仅可以实现选频，而且还有脉冲形成功能，用8脚输出的负脉冲去触发记忆电路，最终便可实现某种功能的控制。

LM567作为选频电路，具有电路简单、功能多、体积小等优点。

LM567作为选频电路时的结构如图2-4所示。

改变RP可非常方便地改变选频频率。

由于8脚为集电极开路输出，故实际应用时，其8脚应接一上拉电阻R1至电源正极VDD。

2、如果在LM567的2脚（实际上是内部压控振荡器的控制端）加入音频信号，则它将使压控振荡器的5脚输出受2脚信号调制的调频信号。

利用这一功能可以实现对信号的频率调制。

应当说明，调制信号的中心频率f0是由5脚和6脚的外接阻容元件确定的。

3、如果在3脚输入一用音频信号调制的调频信号，且调频信号的中心频率f0与LM567内部压控振荡器中心频率f0相同时，第2脚将输出调制信号的解调信号。

对信号的频率调制与解调，在红外光通信电路中有着广泛的应用。

频率调制与解调电路如图2-5（a）、（b）所示。

LM567的主要参数如下：

（1）电源电压4.75~9V