邵繼虎，白 晶

（1.北京中創(chuàng)為南京量子通信技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211899；2.南京市致遠(yuǎn)初級(jí)中學(xué)，江蘇 南京 210019）

隨著無(wú)線通信技術(shù)不斷發(fā)展，基于藍(lán)牙和Wi-Fi 技術(shù)的各種產(chǎn)品日新月異，尤其是基于ISM 頻段的IOT 技術(shù)如NB-IOT 和LORA 技術(shù)也得到運(yùn)營(yíng)商等的不斷推廣和應(yīng)用，早期基于zigbee 和紅外無(wú)線通信技術(shù)的產(chǎn)品目前應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越少，市場(chǎng)在不斷被蠶食和萎縮[1]。紅外短距離通信具備的物理空間分割特性，是基于微波技術(shù)的無(wú)線通信技術(shù)，具有不可比擬的先天優(yōu)勢(shì)，在某些場(chǎng)合下具有不可替代作用，室內(nèi)無(wú)線音頻擴(kuò)音系統(tǒng)是紅外無(wú)線通信技術(shù)最典型的應(yīng)用場(chǎng)景。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于模擬FM 技術(shù)的紅外音頻擴(kuò)音系統(tǒng)[2]，該系統(tǒng)可在150 m2房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量無(wú)死角擴(kuò)音，下文中將對(duì)該系統(tǒng)研制的一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

紅外光，又稱紅外線，是電磁波的一種，其波段在可見(jiàn)光與微波波段之間，大約為0.000 76～1 mm[3]，依據(jù)其波段又可分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外，具有一定的溫?zé)嵝?yīng)[4]。目前應(yīng)用在無(wú)線通信系統(tǒng)中的主要是近紅外。由于紅外光頻譜較寬，其使用不用經(jīng)過(guò)無(wú)線委員會(huì)審核，且由于紅外光無(wú)法穿過(guò)非透明物體，因而在室內(nèi)無(wú)線通信中，基于紅外的無(wú)線通信系統(tǒng)依然被廣泛使用。

目前，室內(nèi)紅外無(wú)線通信系統(tǒng)主要采用強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)方式工作[5]，常用的調(diào)制方式有OOK、PWM、PPM 和PAM 等，這種調(diào)制方式主要應(yīng)用在視距鏈路傳輸方面，在漫反射鏈路傳輸時(shí)，其信噪比較低，接收距離較短[6]。為改善這一缺陷，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種采用模擬FM 的調(diào)制方式的紅外無(wú)線擴(kuò)音系統(tǒng)，其可以無(wú)死角、高質(zhì)量地工作在面積大于150 m2的室內(nèi)。

基于模擬FM 調(diào)制的紅外音頻擴(kuò)音系統(tǒng)如圖1 所示，可以大致分為發(fā)送鏈路和接收鏈路。發(fā)送鏈路中，音頻信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)或音頻連接器進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路1，信號(hào)調(diào)理電路1對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行濾波和放大后，送入預(yù)加重電路，該預(yù)加重電路參數(shù)應(yīng)適配后端解調(diào)器的去加重參數(shù)。信號(hào)預(yù)加重后，經(jīng)調(diào)制器調(diào)制至3.2 MHz 頻段，后將輸出的3.2 MHz 的正弦波整形具有一定占空比的方波信號(hào)，該方波信號(hào)控制紅外發(fā)光管的發(fā)光，從而將信號(hào)傳遞出去。接收鏈路中，紅外接收管接收到紅外光后，經(jīng)I-V 轉(zhuǎn)換后，將電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理電路2，進(jìn)行濾波和放大，形成適合解調(diào)器解調(diào)的信號(hào)，解調(diào)后，由于輸出的音頻信號(hào)幅值較小，需要再次經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路3 進(jìn)行放大和濾波，提高信號(hào)信噪比，之后送入音頻功放放大，音頻信號(hào)經(jīng)揚(yáng)聲器傳遞出去。在該方案中，調(diào)制器使用的是美芯集成電子的MCD2006S 芯片，解調(diào)器使用的是美芯集成電子MC3361 芯片，音頻PA 使用的是TI 的LM386，變?nèi)荻O管型號(hào)為BB200。

圖1 基于模擬FM 調(diào)制的紅外音頻擴(kuò)音系統(tǒng)框圖

下文將詳細(xì)闡述該方案中的一些核心設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。

2 發(fā)送鏈路設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)理電路1

人耳可以聽(tīng)到的音頻信號(hào)的的頻率范圍為0.02～20 kHz，正常人的語(yǔ)音范圍為0.3～3.4 kHz，高保真音樂(lè)范圍幾乎覆蓋人耳能夠聽(tīng)到的全部頻域。因而，在設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路時(shí)，需要依據(jù)信號(hào)輸入的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)不同的信號(hào)調(diào)理電路，同時(shí)還需要考慮對(duì)工頻50 Hz 的衰減。

人的語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)麥克風(fēng)輸入，因而在設(shè)計(jì)匹配麥克風(fēng)的同時(shí)，設(shè)計(jì)0.3～3.4 kHz 的低通濾波器，該濾波器的增益為15 dB，截止頻率為4 kHz。該放大濾波電路如圖2 所示。

圖2 語(yǔ)音信號(hào)信號(hào)調(diào)理電路

音樂(lè)信號(hào)經(jīng)音頻連接器輸入至信號(hào)調(diào)理電路，由于音樂(lè)的音頻頻率上限為20 kHz，因而相對(duì)于語(yǔ)音信號(hào)，采用同樣的電路結(jié)構(gòu)，只需重新計(jì)算截止頻率即可。

在信號(hào)調(diào)理電路1 中，最大的難點(diǎn)是去除50 Hz 工頻信號(hào)，如果不能有效去除，在PA 放大后，將有嚴(yán)重的底噪，在本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的50 Hz 帶阻濾波電路如圖3 所示，增益為0 dB，帶寬20 Hz，50 Hz 衰減約30 dB。

圖3 50 Hz 帶阻濾波器設(shè)計(jì)

2.2 預(yù)加重與去加重技術(shù)

FM 系統(tǒng)中，當(dāng)輸入信號(hào)的信噪比足夠大時(shí)，輸出信噪比與輸入信噪比幾乎呈線性關(guān)系，當(dāng)輸入信噪比低于一定值后，輸出信噪比會(huì)出現(xiàn)急劇惡化現(xiàn)象[7]。為改善這一現(xiàn)象，采用預(yù)加重和去加重技術(shù)。音頻信號(hào)的主要能量集中在低頻段，而高頻段能量較小，高頻噪聲相對(duì)較大，因而在調(diào)制端設(shè)計(jì)預(yù)加重電路，提高高頻信噪比。在解調(diào)端，為使信號(hào)恢復(fù)，要設(shè)計(jì)對(duì)稱的去加重電路。本系統(tǒng)中，由于去加重參數(shù)集成在MC3361 芯片上，因而需要依據(jù)此去加重參數(shù)，設(shè)計(jì)預(yù)加重參數(shù)，從而使信號(hào)輸入輸出平衡。

2.3 信號(hào)調(diào)制

MCD2006S 是一組用于VHF 頻段的無(wú)線語(yǔ)音/數(shù)據(jù)發(fā)射芯片，其在單片上集成了一個(gè)壓控振蕩器（VCO）、一個(gè)射頻功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)頻率綜合器，加上片外 LPF、電感和變?nèi)莨芙M成一個(gè)完整的鎖相環(huán)（PLL）。MCD2006S 有一個(gè)6 位ROM 模塊，用戶只能根據(jù)固定的邏輯表設(shè)定6 個(gè)腳位的邏輯電平，使芯片鎖定在對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)。PLL 的頻率范圍為3～110 MHz，射頻放大器在50 Ω負(fù)載條件下輸出典型功率3 dBm@27 MHz，射頻信號(hào)失真度小于1%，發(fā)射調(diào)制頻偏可達(dá)5 kHz，調(diào)制頻響范圍為0.05～30 kHz，調(diào)制速率為0.3～120 kbps。該芯片可以很好地應(yīng)用在本系統(tǒng)中，其典型應(yīng)用如圖4 所示。

圖4 基于MCD2006S 的調(diào)制電路

由于在本系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)制在3.2 MHz 載波上，因而芯片外圍電路以及鎖相環(huán)的LP 參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況重新設(shè)計(jì)[8]。參數(shù)如圖5 所示。

圖5 MCD2006S 外圍電路設(shè)計(jì)

2.4 波形變換

由于MCD2006S 輸出的3.2 MHz 正弦信號(hào)具有一定直流偏置，因而在將該正弦信號(hào)變換成方波時(shí)，需用電容隔離掉直流信號(hào)，之后利用邏輯與門SN74LVC1G08 將信號(hào)整形成方波。為提高發(fā)射鏈路的效率，經(jīng)試驗(yàn)，該方波在占空比為20%時(shí)，具有最大的效率，利用R403 和R408 調(diào)節(jié)直流偏置電壓，可以控制占空比。波形變換如圖6 所示。

圖6 波形變換

3 接收鏈路設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)接收

在本系統(tǒng)中，使用威世半導(dǎo)體的BPV22NF 作為紅外接收傳感器，其具有可見(jiàn)光阻斷功能，接收角為±60°，具有靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。紅外信號(hào)被該傳感器接收后，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)三級(jí)放大器ASK253 放大約100 倍后，送入后端信號(hào)調(diào)理電路2。紅外信號(hào)接收電路如圖7 所示。

圖7 紅外信號(hào)接收電路

3.2 接收信號(hào)調(diào)理

紅外信號(hào)被接收后，被送入信號(hào)調(diào)理電路2，如圖8 所示，該電路使用的三極管放大器S9018 具有較大的增益，為使放大穩(wěn)定，引入負(fù)反饋環(huán)路，確保放大電路穩(wěn)定可靠。在本系統(tǒng)中載波頻率為3.2 MHz，為提高載波的信噪比，在鏈路中使用了3.2 MHz 的無(wú)源帶通濾波器，可以極大提高3.2 MHz的載波的SNR，提高接收解調(diào)鏈路靈敏度。該帶通濾波器3 dB 帶寬約±70 kHz，插損最大6 dB，阻帶衰減大于20 dB。

圖8 紅外接收信號(hào)調(diào)理電路

3.3 信號(hào)解調(diào)

在本方案中采用美芯集成電子的MC3361 芯片作為本系統(tǒng)的另一核心部件。該芯片是一款中頻解調(diào)器，具有二次混頻器、晶體振蕩器、二次中頻放大器、濾波放大器、靜噪電路、掃頻開(kāi)關(guān)和靜音開(kāi)關(guān)。此外，該芯片在-3 dB 限幅條件下的靈敏度低至-2.6 μVrms。在本系統(tǒng)中，其外圍配置如圖9 所示。

圖9 MC3361 解調(diào)電路

在圖9 中，可調(diào)點(diǎn)容選擇村田的產(chǎn)品，外圍LC 參數(shù)配置為3.2 MHz，此外還需注意去加重參數(shù)的設(shè)置，確保與預(yù)加重參數(shù)統(tǒng)一。

由于TDA7088 解調(diào)輸出的音頻信號(hào)最大只有160 mVrms，因而解調(diào)出的音頻信號(hào)還需送入到信號(hào)調(diào)理電路3 進(jìn)行放大，最后送至音頻PA LM386 放大功率，并輸出至揚(yáng)聲器播放。

4 性能測(cè)評(píng)

在音頻系統(tǒng)中，3 dB 帶寬、線性度和輸出SNR 是系統(tǒng)評(píng)價(jià)的重要性能指標(biāo)，下文中將對(duì)上述系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。

4.1 3 dB 帶寬

在音頻系統(tǒng)中，3 dB 帶寬是核心技術(shù)指標(biāo)之一，3 dB帶寬越寬，說(shuō)明系統(tǒng)響應(yīng)不同信號(hào)頻率的范圍越寬。在本系統(tǒng)中，通過(guò)從音頻連接器輸入不同頻率的單頻信號(hào)，用音頻頻譜分析儀測(cè)量LM386 輸出端的輸出信號(hào)大小，即可測(cè)出本系統(tǒng)的3 dB 帶寬性能，經(jīng)測(cè)量，本系統(tǒng)的3 dB 帶寬范圍為0.1～16 kHz，遠(yuǎn)好于當(dāng)前已有的紅外音頻設(shè)備。實(shí)測(cè)曲線如圖10 所示。

圖10 系統(tǒng)頻響曲線

4.2 線性度

音頻系統(tǒng)線性度越好，動(dòng)態(tài)范圍越大，那么在環(huán)路中引起信號(hào)失真的可能性就越小，在本系統(tǒng)中，為確保系統(tǒng)的輸出響度大于100 dB 無(wú)失真，需對(duì)系統(tǒng)整體的動(dòng)態(tài)范圍，即線性度做一定評(píng)價(jià)。經(jīng)測(cè)量，在音頻信號(hào)輸入動(dòng)態(tài)范圍（0～3.3 V）內(nèi)，系統(tǒng)具有較好的線性度。系統(tǒng)線性曲線如圖11 所示。

圖11 系統(tǒng)線性曲線

4.3 系統(tǒng)輸出SNR

音頻輸出SNR 指在播放設(shè)備時(shí)，正常音頻信號(hào)強(qiáng)度與噪聲信號(hào)強(qiáng)度的比值，通常用對(duì)數(shù)的方式表示，單位為分貝。在實(shí)際測(cè)量中，從音頻連接器端口輸入1 kHz 頻率的正弦信號(hào)，測(cè)量PA LM386 輸出端的1 kHz 信號(hào)強(qiáng)度，利用音頻頻譜分析儀即可測(cè)量出系統(tǒng)的輸出SNR。為準(zhǔn)確測(cè)量系統(tǒng)的SNR 值，需要確保源端輸入的1 kHz 信號(hào)具有最大的SNR，測(cè)量才有意義，否則評(píng)價(jià)無(wú)效。經(jīng)測(cè)量，本系統(tǒng)的輸出SNR大約為64.6 dB，高于普通FM 音頻廣播的50 dB 要求[9]，但高保真系統(tǒng)SNR 可達(dá)110 dB，與高保真系統(tǒng)相比還有較大差距，這主要是因?yàn)榻庹{(diào)器的輸出信噪比最大為65 dB，是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸。測(cè)試結(jié)果如圖12 所示。

圖12 系統(tǒng)輸出SNR 測(cè)量

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種基于模擬FM調(diào)制技術(shù)紅外音頻擴(kuò)音系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以高質(zhì)量地在面積為150 m2的室內(nèi)工作，最大響度可達(dá)120 dB，線性度和3 dB 帶寬均在合理范圍內(nèi)，系統(tǒng)輸出SNR 雖然與高保真系統(tǒng)有較大差距，后續(xù)還需持續(xù)改進(jìn)，尋求更好的解決方案。當(dāng)前該系統(tǒng)已被應(yīng)用于實(shí)踐中。