一種紅外光音頻傳輸裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蘆瑞琪 楊溪遠(yuǎn)

【摘要】本文講述了一種以紅外射線為傳輸介質(zhì)的音頻信號(hào)傳輸裝置，本裝置是先將傳入的立體聲音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成單聲道信號(hào)，然后音頻信號(hào)放大、濾波;通過約90KHz三角波后調(diào)制為SPWM波驅(qū)動(dòng)二極管經(jīng)光電二極管輸出紅外光;通過紅外光進(jìn)行傳輸，通過中繼轉(zhuǎn)發(fā)裝置接收后偏轉(zhuǎn)90度后再次發(fā)射。光電二極管接收傳入PWM紅外信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，電流電壓轉(zhuǎn)化、放大、濾波，最后還原成音頻信號(hào)輸出。此裝置具有傳輸距離遠(yuǎn)，失真度小，聲音清晰顯著等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】紅外光傳輸;SPWM調(diào)制;解調(diào);中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置

1.引言

隨著年齡的增長(zhǎng)，人們的聽力日趨下降，獲取信息的能力也在減弱。紅外光音頻傳輸裝置的出現(xiàn)為聽力衰弱的朋友們帶來了福音。聽覺好的成年人能聽到的聲音頻率常在30～16000Hz之間，老年人則常在50～10000Hz之間。本設(shè)計(jì)在紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體的基礎(chǔ)之上，將音頻信號(hào)通過紅外光進(jìn)行傳輸。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置的意義在于將紅外信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，使它克服了只能直線傳輸?shù)娜秉c(diǎn)。此裝置刻意將左右聲道的立體聲音效合并為單聲道音頻信號(hào)，有效地降低了節(jié)目中背景音樂及其它聲音，使得講話的聲音更為明顯和突出。

2.系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

立體聲音頻信號(hào)被混合在一起形成一個(gè)單聲道信號(hào)，在發(fā)生裝置進(jìn)行放大、濾波、比較等一些列處理，由此產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)晶體管通過LED發(fā)射紅外光。中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置將光電二極管接收到紅外LED發(fā)射的PWM紅外信號(hào)經(jīng)過轉(zhuǎn)換、濾波、放大再輸出，并且改變90度的角度。光電二極管接收傳入PWM紅外信號(hào)后進(jìn)行解調(diào)，放大、濾波、最后輸出音頻信號(hào)，解調(diào)的另一路信號(hào)在液晶上進(jìn)行溫度顯示。接收裝置在6V電源供電下經(jīng)過放大、低通濾波后，從耳機(jī)放出。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

Fig.1 Structure diagram of the system function

3.系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 紅外發(fā)射裝置

傳入的兩路立體聲音頻信號(hào)產(chǎn)生的電壓信號(hào)被混合在一起以形成一個(gè)單聲道信號(hào)，依次通過同相放大電路以及濾波電路得到一路正弦波信號(hào)。另一路由施密特觸發(fā)器與D類觸發(fā)器產(chǎn)生一路方波信號(hào)，通過積分電路生成90KHz三角波形。LM311電壓比較器設(shè)計(jì)運(yùn)行在更寬的電源電壓：從標(biāo)準(zhǔn)的±15V運(yùn)算放大器到單5V電源用于邏輯集成電路其輸出兼容RTL，DTL和TTL以MOS電路。此外，他們可以驅(qū)動(dòng)繼電器，開關(guān)電壓高達(dá)50V，電流高達(dá)50mA。因此我們選用LM311作為發(fā)射裝置的比較器。正弦波信號(hào)與三角波一同通過LM311進(jìn)行比較，由此產(chǎn)生的占空比可調(diào)的PWM波，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)晶體管通過LED發(fā)射紅外光。

3.1.1 音頻前置放大部分

輸入的左右聲道音頻信號(hào)被混合在一起輸入運(yùn)算放大器，電阻與運(yùn)算放大器構(gòu)成同向比例運(yùn)算電路，增大了輸入阻抗的同時(shí)降低輸出電阻。我們選擇LM833雙音頻運(yùn)放作為核心，將電壓放大。根據(jù)同向比例放大電路[1]：

則信號(hào)被放大23倍。在輸入端引入6V偏置電壓，將音頻信號(hào)墊高，易于與三角波進(jìn)行比較，從而產(chǎn)生PWM波。由于篇幅有限，此處前放電路省略。

3.1.2 有源低通濾波部分

被放大的音頻信號(hào)依次經(jīng)過兩次濾波被從入比較器。在器件選擇方面我們?nèi)匀贿x用LM833以及通用型低噪聲JFET 運(yùn)算放大器TL072.電路圖如圖2所示。

3.1.3 三角波發(fā)生電路

三角波的作用是用來調(diào)制音頻信號(hào)，對(duì)此有兩方面的要求。其一，調(diào)制后的信號(hào)可以被完整地恢復(fù)。根據(jù)Nyquist采樣定理[2]，三角波的頻率至少是音頻信號(hào)最高頻率的兩倍，由于人耳的所能夠聽到的聲音頻率范圍20Hz—20KHz，說明三角波的頻率應(yīng)在 40 kHz 以上，為確保音頻信號(hào)的采樣，可取三角波的頻率為 90 kHz;其二，三角波要有穩(wěn)定的頻率和幅度，否則，調(diào)制后的脈寬會(huì)產(chǎn)生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質(zhì)變差，噪聲增大。

在高頻的情況下，產(chǎn)生頻率、幅度穩(wěn)定的三角波，對(duì)一般的波形發(fā)生器來說很難實(shí)現(xiàn)。利用積分運(yùn)算電路可實(shí)現(xiàn)方波—三角波的波形變換。我們將4093B施密特觸發(fā)器設(shè)計(jì)成方波振蕩器[3]，其可實(shí)現(xiàn)180KHz的方波，之后，使用D觸發(fā)器4013B構(gòu)成2分頻器將180KHz的方波分頻，依次通過積分電路即產(chǎn)生90KHz的三角波。由于篇幅有限，此處三角波發(fā)生電路省略。

3.1.4 PWM波發(fā)生電路與紅外輸出

為了簡(jiǎn)單說明，我們以音頻信號(hào)為單一正弦信號(hào)為例來說明SPWM信號(hào)。等腰三角波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波[4]。當(dāng)三角波的頻率發(fā)生改變時(shí)，輸出SPWM的頻率也隨之改變，同時(shí)也會(huì)影響到輸出電壓的變化。正弦波的幅度發(fā)生變化時(shí)，三角波的交點(diǎn)也將發(fā)生變化而導(dǎo)致輸出脈沖波的寬度發(fā)生變化，最終使得輸出電壓發(fā)生改變。當(dāng)音頻信號(hào)大于三角波信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平，當(dāng)音頻信號(hào)小于三角波信號(hào)時(shí)，比較器輸出低電平。值得注意的是：音頻信號(hào)的幅值不允許大于三角波信號(hào)的幅值，否則，結(jié)果是一個(gè)錯(cuò)誤的PWM信號(hào)。如圖3所示。

圖3 SPWM波形成[4]

Fig.3 SPWM wave form[4]

經(jīng)過放大、濾波后的音頻信號(hào)從B端與三角波信號(hào)從反相端進(jìn)入，通過LM311電壓比較器比較，產(chǎn)生90KHz的SPWM波，從而完成調(diào)制。選擇通用LM311作為電壓比較器。產(chǎn)生PWM波形的LM311，驅(qū)動(dòng)晶體管BC328為串聯(lián)在一起的6個(gè)LED以及一個(gè)電源指示燈D4工作。如圖4所示。

圖4 音頻信號(hào)的發(fā)射

Fig.4 Transmitting an audio signal

3.2 紅外接收裝置

光電二極管BP104接收到6個(gè)紅外LED發(fā)射的PWM紅外信號(hào)，通過LM833進(jìn)行電流—電壓轉(zhuǎn)換，之后LM833放大電路，再次放大脈沖信號(hào)。根據(jù)反向比例運(yùn)算電路[1]：

因此輸出端放大-10倍。LM311構(gòu)成限幅器的作用，從而再次產(chǎn)生90KHz的PWM信號(hào)。整個(gè)電路需提供6V直流電源供電，如圖7所示。

生成的PWM波還需通過兩次低通濾波，進(jìn)行解調(diào)，最后通過音頻放大器進(jìn)行放大，最后分為兩路輸出。低通濾波器選用LM358AD，音頻放大器選擇LM386N。

3.3 中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置

中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置將紅外接收裝置的裝換、放大、限幅電路與紅外發(fā)射部分的三極管驅(qū)動(dòng)光電二極管進(jìn)行組合連接。即圖5中Vout與BC328相連接構(gòu)成，用5V直流單電源供電，所以最多只能驅(qū)動(dòng)3個(gè)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)射紅外光，通過接收部分輸出信號(hào)。

4.功能測(cè)試和結(jié)果分析

當(dāng)接入手機(jī)音頻信號(hào)，在紅外發(fā)射端端波形較好。紅外接收端可以聽到傳輸過來的音頻信號(hào)，將發(fā)、收裝置角度調(diào)整后，即可聽到清晰聲音，無明顯失真、噪音干擾。當(dāng)接收信號(hào)改到800Hz單音信號(hào)時(shí)，在8Ω的耳機(jī)電阻負(fù)載上，輸出電壓有效值不小于0.4V。不改變電路狀態(tài)，當(dāng)減小發(fā)射端輸入信號(hào)的幅度至0V，采用低頻毫伏表（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應(yīng)范圍低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）測(cè)量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數(shù)不大于0.1V。

但存在一點(diǎn)不足之處，由于中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)裝置電壓過低，導(dǎo)致轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)強(qiáng)度可能有些偏小，造成接收部分不易接收信號(hào)。可根據(jù)實(shí)際適當(dāng)提升電源電壓，以增加發(fā)射功率。

參考文獻(xiàn)

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[4]王賢江.高效AC_DC開關(guān)電源[D].成都：電子科技大學(xué)，2013（3）.

作者簡(jiǎn)介：

蘆瑞琪（1992—），男，新疆哈密人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院輻射防護(hù)與環(huán)境工程專業(yè)。

楊溪遠(yuǎn)（1993—），男，江西南昌人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。