廖仕利，李文杰，趙立鑫

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

紅外通信是將紅外線作為載體來進(jìn)行通訊。紅外光通信技術(shù)在現(xiàn)代通訊中有著較為廣泛的應(yīng)用［1］。與無線電通信相比，它具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸安全性高、體積小、成本低、帶寬不受無線管制等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到軍事、工業(yè)、服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域，但也存在諸如通信方向單一、距離近和功耗較高等問題［1－7］。目前，紅外光通信基本采用OOK、PPM等調(diào)制方式，存在功率效率低、調(diào)制速率低、帶寬利用率低和解調(diào)復(fù)雜等問題［8－14］。本文提出一種脈沖頻率調(diào)制(PFM)方法，采用4階帶通濾波器濾除干擾噪聲，為確保紅外光通信系統(tǒng)的傳輸距離和寬角度，構(gòu)建了寬角度的紅外傳輸系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該紅外光傳輸系統(tǒng)具有低功耗、高效率、高保真等特點(diǎn)，并克服了傳輸方向單一、距離近的不足。

1 寬角度紅外光通信系統(tǒng)

寬角度紅外光通信系統(tǒng)包括紅外發(fā)射電路、紅外中繼電路和紅外接收電路3個(gè)部份，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 寬角度紅外光通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

紅外光通信的發(fā)射端和接收端均以STM32F103ZET6單片機(jī)為核心。該單片機(jī)為增強(qiáng)型，它的時(shí)鐘頻率可以達(dá)到 72 MHz，有 256～512 K字節(jié)的閃存程序存儲器，64 K字節(jié)的SRAM，具有較強(qiáng)的運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，存儲器的零等待周期可達(dá)1.25DMIPS/MHz，使用方便，具有雙采樣和保持功能，且具有低功耗等特點(diǎn)［15－18］。該單片機(jī)主要完成實(shí)時(shí)音頻信號與數(shù)字信號間的AD、DA、編碼、調(diào)制和解調(diào)等工作。

本系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路的設(shè)計(jì)主要采用基本電子元器件，考慮以下因素:①集成芯片對電路的功率大小、帶寬、工作電壓等參數(shù)有一定的限制，使得芯片選擇面較小，不利于個(gè)性化設(shè)計(jì);②模擬集成芯片成本較高;③研制原理樣機(jī)，便于驗(yàn)證相關(guān)的調(diào)制方法和中繼子系統(tǒng)。

1.1 紅外光通信發(fā)射電路

在紅外發(fā)射電路中，紅外管主要將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為光脈沖信號并發(fā)射出去。為達(dá)到較好的保真效果，考慮到音頻轉(zhuǎn)換后的PFM調(diào)制信號具有較高的頻率(大于50 kHz)，電路的驅(qū)動(dòng)管選用工作頻率較高(最高可達(dá)1 MHz)、功率較大的NPN型三極管TIP41C，保證了系統(tǒng)的傳輸帶寬，同時(shí)提高了驅(qū)動(dòng)功率。

為更有效地給紅外發(fā)射管提供充足的發(fā)射功率，發(fā)射電路并聯(lián)了3個(gè)容量較大的電容器為其儲備電能。系統(tǒng)中的紅外管額定功率為1.5 W，脈沖電流為1 A，額定電壓為1.5 V，串聯(lián)4個(gè)發(fā)射管的管壓降約為6～7 V。在8 V電源供電的情況下，其發(fā)射電路效率可達(dá)到87.5%。紅外光通信發(fā)射電路見圖2。

圖2 紅外光通信發(fā)射電路

1.2 紅外光通信接收電路

接收電路是通過紅外接收管將紅外光信號轉(zhuǎn)變成電信號。由于本系統(tǒng)采用PFM調(diào)制方式，故需要傳輸?shù)男畔⑹且詳?shù)字脈沖的形式進(jìn)行傳輸，即由接收管完成由光信號脈沖向電信號脈沖的過渡。由于接收管產(chǎn)生的電信號比較微弱，故采用多級放大電路級聯(lián)以增強(qiáng)電信號。與發(fā)射電路類似，考慮到信號頻率較高，放大電路采用高帶寬、直流放大系數(shù)β值較大的NPN型三極管8050，構(gòu)成普通共射極放大電路。此電路有很高的接收效率，且輸出信號仍具有較低的占空比和較低的功耗。接收電路如圖3所示。

圖3 接收電路

1.3 紅外光通信中繼電路

中繼接收、轉(zhuǎn)發(fā)電路主要延長傳輸距離，同時(shí)實(shí)現(xiàn)傳輸方向的靈活調(diào)整，其電路的結(jié)構(gòu)及參數(shù)與上述接收、發(fā)射電路相似。中斷發(fā)射與接收電路制成板通過導(dǎo)線跨接實(shí)現(xiàn)方向的靈活調(diào)整。圖4為中繼電路結(jié)構(gòu)，兩電路板之間所成角度α可在0°～360°靈活調(diào)整。

圖4 中轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu)

1.4 帶通濾波器設(shè)計(jì)

由于數(shù)字脈沖形成的高頻干擾不可避免，因而為保證高信噪比音質(zhì)，在對音頻信號進(jìn)行功率放大之前設(shè)計(jì)帶通濾波電路以濾除帶外干擾信號［20－21］。輸入模擬音頻信號頻率大小約為50 Hz～10 kHz。設(shè)Up為同相比例運(yùn)算電路的輸入，U0為同相比例運(yùn)算電路的輸出，則比例系數(shù)為

設(shè)電路的中心頻率為

電壓放大倍數(shù)為

當(dāng)f=f0時(shí)，可以算出通帶的放大倍數(shù)為

最后解得通頻帶為

參考式(1)～(6)，并結(jié)合參考文獻(xiàn)［22］計(jì)算得到各元器件的具體數(shù)值。帶通濾波電路如圖5所示。

圖5 帶通濾波電路

2 PFM調(diào)制原理

PFM調(diào)制是將每個(gè)時(shí)刻采樣的模擬信號電壓按一定比例量化為發(fā)射的脈沖頻率，接收端根據(jù)接收的脈沖頻率還原為模擬信號電壓輸出［7］。如圖6所示，其中(a)中ti時(shí)刻的采樣電壓Ui與(b)中輸出脈沖頻率 fi成一一對應(yīng)關(guān)系，脈沖的占空比和幅值無變化。

圖6 PFM調(diào)制原理

2.1 同步傳輸協(xié)議

PFM調(diào)制信號以紅外光形式傳輸，接收端對PFM信號直接解調(diào)，調(diào)制及解調(diào)幾乎是實(shí)時(shí)同步的。具體調(diào)制、解調(diào)方法如下:設(shè)t為單片機(jī)定時(shí)器的值，fk為時(shí)鐘頻率，fb為基準(zhǔn)頻率，vt為被采樣的模擬信號電壓值，vmin為vt的最小電壓，ADC的參考電壓為vb，n為采樣位數(shù)，輸出脈沖頻率為f0，解調(diào)后的輸出模擬電壓為vo。

輸出脈沖頻率為

接收端解調(diào)后的輸出為

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):當(dāng)發(fā)射脈沖的峰峰值為1 V、占空比為12%、有中間轉(zhuǎn)發(fā)電路共同作用時(shí)能獲得較高的效率和較遠(yuǎn)的傳輸距離，傳輸距離為12 m。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分由發(fā)射端及接收端組成。在發(fā)射端部份，對輸入信號幅值進(jìn)行采樣，其采樣頻率為50 kHz，并按PFM原理調(diào)制為數(shù)字脈沖信號，調(diào)制后的數(shù)字脈沖頻率范圍為100～200 kHz，發(fā)射端部分流程見圖7。在接收端部分，單片機(jī)以中斷服務(wù)程序檢測輸入的數(shù)字脈沖的頻率值，并按通信協(xié)議解調(diào)后輸出0～3.3 V的模擬電壓，接收端部分流程見圖8。

圖7 發(fā)射端部分流程

圖8 接收端部分流程

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 濾波效果測試

該測試主要驗(yàn)證濾波器設(shè)計(jì)是否滿足系統(tǒng)要求和濾波器部分參數(shù)是否需要微調(diào)。測試數(shù)據(jù)主要包括該帶通濾波器的輸出信號的峰峰值(Vpp)，以此推算通頻帶內(nèi)的增益和截止頻率，以及通頻帶外的衰減率。

輸入信號峰峰值為10 V，調(diào)節(jié)輸入信號頻率，觀察并記錄輸出信號的峰峰值。

由表1可知:該濾波器的上限截止頻率為11 kHz，下限截止頻率為100 Hz，通頻帶平坦，通頻帶外衰減快速，效果較好。

表1 濾波器測試數(shù)據(jù)

4.2 傳輸距離測試

為方便測試數(shù)據(jù)對比，在有、無中繼電路兩種條件下，發(fā)射端輸入的電信號均為800 Hz、峰峰值為1 V的正弦信號。在無中繼傳輸電路時(shí)，采用誤碼儀測試，在誤碼率為10－8時(shí)，有效傳輸距離約為6 m;加入中繼傳輸電路時(shí)，采用誤碼儀測試，在誤碼率為10－8時(shí)，有效中斷傳輸距離能達(dá)到12 m。

實(shí)驗(yàn)證明:中繼電路有效地延長了通信傳輸距離，使傳輸距離增加了一倍，并且可以實(shí)現(xiàn)0°～360°傳輸方向的任意調(diào)整。

4.3 中間轉(zhuǎn)發(fā)裝置功耗測試

中繼電路采用5 V電壓供電，輸入的信號為800 Hz、峰峰值為1 V的正弦信號。在發(fā)射電路與中斷電路距離為6 m時(shí)，測得中繼電流為2 mA，中繼功耗約為0.42 W，實(shí)現(xiàn)了低功耗的中繼轉(zhuǎn)發(fā)傳輸，方便將來實(shí)現(xiàn)電池供電。如果采用性能更佳的發(fā)、收紅外管，預(yù)計(jì)功耗將進(jìn)一步降低。

4.4 音質(zhì)效果測試

輸入峰峰值Vpp=1 V的音頻信號，在有中繼電路情況下實(shí)現(xiàn)12 m傳輸時(shí)，放音效果好，無雜音，具有較高的清晰度。在有中繼電路情況下實(shí)現(xiàn)10 m傳輸時(shí)，將接收端輸出信號有效幅值放大到2 V，若置發(fā)射端輸入為0 V，測得接收端輸出信號的有效值Vpp=20 mV，靜噪比為0.01，說明靜噪效果良好。

5 結(jié)束語

由測試結(jié)果可以看出:采用基本元件所設(shè)計(jì)的發(fā)射電路和接收電路具有較低的功率耗散和較高的傳輸效率;通過中間轉(zhuǎn)發(fā)電路可以有效延長傳輸距離，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)0°～360°傳輸通信;采用PFM的同步通信協(xié)議方式及4階帶通濾波器電路能為傳輸?shù)囊纛l提供較好的音質(zhì)和無噪聲的效果。

本設(shè)計(jì)針對紅外光通信存在的傳輸距離短、傳輸方向單一、功耗偏高等不足，采用PFM調(diào)制和中繼電路等方法，設(shè)計(jì)了基于PFM的寬角度紅外光音頻通信系統(tǒng)。音頻傳輸實(shí)驗(yàn)證明本音頻傳輸系統(tǒng)有較好的應(yīng)用價(jià)值。下一步將根據(jù)具體傳輸數(shù)據(jù)的頻率帶寬要求，改進(jìn)發(fā)射電路、接收電路和濾波電路的頻率參數(shù)，通過功率檢測，實(shí)現(xiàn)中繼發(fā)射角度的自動(dòng)調(diào)整。

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