基于PFM的寬角度紅外光音頻通信系統(tǒng)

廖仕利，李文杰，趙立鑫

(重慶理工大學電子信息與自動化學院，重慶 400054)

紅外通信是將紅外線作為載體來進行通訊。紅外光通信技術在現(xiàn)代通訊中有著較為廣泛的應用［1］。與無線電通信相比，它具有抗干擾能力強、傳輸安全性高、體積小、成本低、帶寬不受無線管制等優(yōu)點，現(xiàn)已被廣泛應用到軍事、工業(yè)、服務業(yè)等領域，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等調制方式，存在功率效率低、調制速率低、帶寬利用率低和解調復雜等問題［8－14］。本文提出一種脈沖頻率調制(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，構建了寬角度的紅外傳輸系統(tǒng)。實驗結果表明，該紅外光傳輸系統(tǒng)具有低功耗、高效率、高保真等特點，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個部份，其系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 寬角度紅外光通信系統(tǒng)結構

紅外光通信的發(fā)射端和接收端均以STM32F103ZET6單片機為核心。該單片機為增強型，它的時鐘頻率可以達到 72 MHz，有 256～512 K字節(jié)的閃存程序存儲器，64 K字節(jié)的SRAM，具有較強的運算和數(shù)據(jù)處理能力，存儲器的零等待周期可達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［15－18］。該單片機主要完成實時音頻信號與數(shù)字信號間的AD、DA、編碼、調制和解調等工作。

本系統(tǒng)發(fā)射電路和接收電路的設計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，不利于個性化設計;②模擬集成芯片成本較高;③研制原理樣機，便于驗證相關的調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化為光脈沖信號并發(fā)射出去。為達到較好的保真效果，考慮到音頻轉換后的PFM調制信號具有較高的頻率(大于50 kHz)，電路的驅動管選用工作頻率較高(最高可達1 MHz)、功率較大的NPN型三極管TIP41C，保證了系統(tǒng)的傳輸帶寬，同時提高了驅動功率。

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變成電信號。由于本系統(tǒng)采用PFM調制方式，故需要傳輸?shù)男畔⑹且詳?shù)字脈沖的形式進行傳輸，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、轉發(fā)電路主要延長傳輸距離，同時實現(xiàn)傳輸方向的靈活調整，其電路的結構及參數(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線跨接實現(xiàn)方向的靈活調整。圖4為中繼電路結構，兩電路板之間所成角度α可在0°～360°靈活調整。

圖4 中轉電路結構

1.4 帶通濾波器設計

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，在對音頻信號進行功率放大之前設計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Up為同相比例運算電路的輸入，U0為同相比例運算電路的輸出，則比例系數(shù)為

設電路的中心頻率為

電壓放大倍數(shù)為

當f=f0時，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)，并結合參考文獻［22］計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調制原理

PFM調制是將每個時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時刻的采樣電壓Ui與(b)中輸出脈沖頻率 fi成一一對應關系，脈沖的占空比和幅值無變化。

圖6 PFM調制原理

2.1 同步傳輸協(xié)議

PFM調制信號以紅外光形式傳輸，接收端對PFM信號直接解調，調制及解調幾乎是實時同步的。具體調制、解調方法如下:設t為單片機定時器的值，fk為時鐘頻率，fb為基準頻率，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，解調后的輸出模擬電壓為vo。

輸出脈沖頻率為

接收端解調后的輸出為

通過實驗發(fā)現(xiàn):當發(fā)射脈沖的峰峰值為1 V、占空比為12%、有中間轉發(fā)電路共同作用時能獲得較高的效率和較遠的傳輸距離，傳輸距離為12 m。

3 系統(tǒng)軟件設計

本設計的軟件部分由發(fā)射端及接收端組成。在發(fā)射端部份，對輸入信號幅值進行采樣，其采樣頻率為50 kHz，并按PFM原理調制為數(shù)字脈沖信號，調制后的數(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，單片機以中斷服務程序檢測輸入的數(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 實驗結果

4.1 濾波效果測試

該測試主要驗證濾波器設計是否滿足系統(tǒng)要求和濾波器部分參數(shù)是否需要微調。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，采用誤碼儀測試，在誤碼率為10－8時，有效傳輸距離約為6 m;加入中繼傳輸電路時，采用誤碼儀測試，在誤碼率為10－8時，有效中斷傳輸距離能達到12 m。

實驗證明: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，并且可以實現(xiàn)0°～360°傳輸方向的任意調整。

4.3 中間轉發(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，測得中繼電流為2 mA，中繼功耗約為0.42 W，實現(xiàn)了低功耗的中繼轉發(fā)傳輸，方便將來實現(xiàn)電池供電。如果采用性能更佳的發(fā)、收紅外管，預計功耗將進一步降低。

4.4 音質效果測試

輸入峰峰值Vpp=1 V的音頻信號，在有中繼電路情況下實現(xiàn)12 m傳輸時，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現(xiàn)10 m傳輸時，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 結束語

由測試結果可以看出:采用基本元件所設計的發(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;通過中間轉發(fā)電路可以有效延長傳輸距離，同時能實現(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提供較好的音質和無噪聲的效果。

本設計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調制和中繼電路等方法，設計了基于PFM的寬角度紅外光音頻通信系統(tǒng)。音頻傳輸實驗證明本音頻傳輸系統(tǒng)有較好的應用價值。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，實現(xiàn)中繼發(fā)射角度的自動調整。

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