红外光通信装置 设计报告

红外光通信装置设计报告

红外光通信装置设计要求 (1)

基本实现方案分析 (2)

2.1模拟调制方案 (2)

方式1：调幅 (2)

方式2：调频 (2)

2.2数字调制方案 (2)

3. 红外通信信道测试和数字调制方案选择 (3)

3.1发送管接收管性能测试 (3)

3.1数字调制方案选择 (3)

4.硬件电路设计 (4)

4.1 AD输入部分 (4)

4.2 DA输出部分 (5)

4.3 红外发送部分 (6)

4.4 红外接收部分（技术难点） (6)

4.6 MIC接收电路 (7)

5.软件设计 (8)

5.1基本工作方式 (8)

5.4数字通信方式 (8)

5.2发送模式 (8)

5.3接收模式 (9)

5.4转发模式 (9)

红外光通信装置设计要求

设计一款红外通讯装置，可以传送频率范围为300~3400Hz的语音信号和数字信号。

基本实现方案分析

2.1模拟调制方案

方式1：调幅

原理：红外发送端发送固定频率的红外信号，利用声音信号对红外信号进行幅度调制。

优点：方案简单，纯模拟电路即可实现。

缺点：1）抗干扰特性较差，很容易受外界光强影响。

2）传输距离较近，距离变远后声音变小，接收效果明显下降，噪声增大。

3）很难实现产地数字信号的功能。

方式2：调频

原理：红外发送端发送一定幅度的红外信号，利用声音信号对红外信号的频率进行调制。

优点：1）抗干扰性比调幅方案好

2）不怕信号衰减，传输距离比调幅方案远。

缺点：1）调频发送和调频接收电路复杂，调试难度大。

2）很难实现产地数字信号的功能。

2.2数字调制方案

原理：把声音信号首先按照一定速率进行AD采样量化，然后把AD采样值通过红外发送给接收端，接收端再按照采样速率进行重现声音。

优点：1）因为传输过程为数字信号，信号的抗干扰特性好，不怕信号远距离衰减。

2）红外传输的为数字信号，所以可以把其他数字信号一起发送，从而达到同时传送数字信号和声音信号的功能。

3）因为传输的是数字信号，所以系统调试相对模拟电路可能会简单些。

缺点：1）需要寻找可行的数字调制方案。

2）该方式对单片机编程要求较高。

3. 红外通信信道测试和数字调制方案选择

3.1发送管接收管性能测试

仅采用简单的电路，测试红外通信最高频率范围。

测试发现：

红外发送二极管的发送频率很高，可以达到500KHz以上。

红外接收二极管的工作频率最高只有50KHz，当频率升高后输出波形幅度急剧下降。红外接收管的输出波形不是方波，而变成了三角波。

光敏三极管的接收频率也可以达到500KHz以上，但是其已受干扰，距离变远后输出波形急剧下降。

HS0038红外接收头的载波频率为38KHz，输出为数字信号。若要对其进行调制，则调制频率最多有10KHz。因为传送信号频率最高3.4KHz，同时需要对声音电压幅度进行量化，则量化仅10KHz/3.4KHz=3左右，根本无法通信。

测试结论：

采用红外发送二极管不用担心担心频率问题。

采用红外接收二极管，带宽只有50KHz，需要搭建放大，滤波整形电路。

3.1数字调制方案选择

方案1：

原理：利用载波信号调制38KHz红外信号，接收直接用HS0038红外接收头即可。

分析：按照声音信号100级电压量化等级，该方案只能发送38K/100=380Hz以下的音频信号。结论：该方案不可行。

方案2：

原理：自己产生高频红外信号，利用声音信号对该信号进行调制。

分析：按照3.4KHz，100级量化等级，需要发送频率为340KHz。经过测试接收二极管的特性不足，该方案无法实现。

结论：该方案频率要求太高，器件无法满足要求。

方案3：（最终方案）

原理：因为红外接收二极管的频率范围只有50KHz以下，所以发送端可以直接发送50KHz 以下的信号。比如发送端发送10KHz的信号，该信号的占空比即声音信号的幅度。

10KHz即信号采样速率。

分析：1）按照采样定理，发送3.4KHz的信号，需要的采样频率大于6.8KHz即可，所以选择10KHz作为采样频率可行。声音信号的赋值按照10KHz信号的PWM占空比来量化。

2）数字信号和模拟信号可以通过占空比范围来判断。数字信号占空比为10%或90%。

模拟占空比为25%到75%。

结论：该方案可行，发送端按照10KHz进行电压采样，发送利用10KHz的占空比代表声音信号的幅度。接收端接收10KHz的上升沿进行采样频率同步，通过测量信号的占空比来衡量信号的幅度。

发送端的波形：（绿色为输入信号，蓝色为调制后的信号）

（当发送波形为正弦波时，输出后的调配波形很类似SPWM信号）

接收端的波形：（黄色为接收信号，蓝色为单片机解调后的波形）

4.硬件电路设计

4.1 AD输入部分

因为采样频率为10KHz，所以需要增加一套低通滤波器来滤除高频信号，防止AD采样的频率高于5KHz，造成额外采样失真。

4.2 DA输出部分

因为DA的输出能力有限，所以DA后需要增加缓冲器做音频功率放大。

需要注意5V下运放可能不是轨到轨特性，造成输出波形失真，发送幅度不够。

可以采用提高电源电压的方式。

DA发送增加2阶低通滤波电路，降低输出谐波。