PAM調(diào)制型語音紅外通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁國臣　姜玉紅　王高翔

摘要：本系統(tǒng)能夠通過脈沖幅度調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)語音信號在38kHz上的紅外無線高質(zhì)量傳輸。語音信號在系統(tǒng)中經(jīng)過PAM調(diào)制后加載在紅外發(fā)射管上發(fā)射，能在2米或更遠(yuǎn)的距離外接收到，并經(jīng)過放大、濾波和功放后，還原出清晰、低噪的語音信號。系統(tǒng)功能完善，達(dá)到了所有指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：脈沖幅度調(diào)制；語音傳輸；紅外通信

中圖分類號：TN714 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）29-0216-03

本設(shè)計(jì)為參加我院電子制作比賽的作品。它采用脈沖幅度調(diào)制紅外發(fā)射方式傳送語音信號，具有傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。1方案論證與比較

方案一：采用直接發(fā)射方式。此方案簡單易行，電路簡單，時(shí)延小，但是紅外信號衰減大，且易受環(huán)境噪聲影響。

方案二：采用AM幅度調(diào)制發(fā)射方式。將語音信號調(diào)制到38kHz載波信號上進(jìn)行發(fā)射，可大幅提高信號的傳輸距離，而且易于解調(diào)，但是模擬調(diào)制易受噪聲影響。

方案三：采用PAM脈沖幅度調(diào)制紅外發(fā)射方式。38kHz的脈沖信號與語音信號在相乘器中相乘，可以實(shí)現(xiàn)PAM調(diào)制，語音傳輸抗干擾性能可以大幅提高，且載波信號不需要同步。

綜上所述，考慮到系統(tǒng)的傳輸性能和穩(wěn)定性，故采用方案三。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案與實(shí)現(xiàn)框圖

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，本語音紅外通信系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩大部分組成。發(fā)射部分先將輸入的語音信號進(jìn)行放大和濾波，同時(shí)通過溫度傳感器測量發(fā)射端的溫度，再進(jìn)行脈沖幅度調(diào)制，最后經(jīng)紅外信道發(fā)送出去。接收部分將接收到的紅外信號經(jīng)過識別放大后一路經(jīng)解調(diào)后送數(shù)碼顯示器，另一路經(jīng)解調(diào)后進(jìn)行功率放大，送揚(yáng)聲器。

3理論分析與計(jì)算

3.1PAn調(diào)制原理

脈沖振幅調(diào)制（Pulse Amplitude Modulation）是脈沖載波的幅度隨基帶信號變化的一種調(diào)制方式。采用窄脈沖串作載波信號，使用MC1496芯片構(gòu)成調(diào)制乘法器，基帶信號和載波信號在乘法器中相乘即可得到調(diào)制信號；調(diào)制信號與載波信號再次輸入乘法器中相乘即可解調(diào)出基帶信號。

3.2紅外通信原理

紅外通信是利用950nm近紅外波段紅外線作為傳遞信息媒體，即通信信道。紅外通信有發(fā)送和接收兩個(gè)組成部分，將38kHz調(diào)制信號加載在紅外發(fā)射二極管兩端就能以紅外光的形式發(fā)射出去。HS0038B型紅外接收頭能較好地接收38kHz的調(diào)制信號，經(jīng)過放大、濾波等處理即可實(shí)現(xiàn)紅外通信。

3.3濾波器截止頻率的計(jì)算

本裝置輸入的語音信號頻率范圍是300Hz～3400Hz，為了濾除多余的雜波，需要設(shè)計(jì)帶通濾波器，帶通濾波器電路如圖2所示。

4電路與程序設(shè)計(jì)

4.1紅外發(fā)射模塊

紅外發(fā)射電路如圖3所示。這是一個(gè)共發(fā)射極放大電路，當(dāng)輸入模擬信號，晶體管集電極電流隨模擬信號強(qiáng)度變化而變化，于是，LED的輸出光功率也隨模擬信號而變化。

4.2紅外接收放大模塊

紅外接收模塊電路見圖4。接收模塊由一個(gè)紅外接收管用來接收由發(fā)送端發(fā)射的紅外信號。接收二極管并聯(lián)一個(gè)電位器，用來調(diào)整接收靈敏度。由于紅外信號較弱，后面再加一級放大電路，電壓放大倍數(shù)設(shè)為5。

4.3調(diào)制解調(diào)模塊

調(diào)制解調(diào)模塊是由乘法器芯片MC1596組成的線性平衡調(diào)制器，基帶信號和載波信號分別由MC1596的7腳和1腳輸入，經(jīng)相乘后由6腳輸出，見圖5。該模塊通常用于模擬信號的抑制載波的雙邊帶調(diào)制（DSB），同樣適用于PAM調(diào)制。

解調(diào)時(shí)，接收到的紅外調(diào)制信號和載波信號同樣從1腳和7腳輸入，經(jīng)相乘后即可解調(diào)出基帶信號。調(diào)制和解調(diào)所使用的載波僅要求頻率相近，對相位沒有要求，因此易于實(shí)現(xiàn)PAM調(diào)制。

4.4載波生成模塊

38kHz載波由555定時(shí)器構(gòu)成的多諧振蕩器產(chǎn)生，由于PAM調(diào)制的原理與抽樣定理類似，因此在PAM調(diào)制中使用的載波對占空比沒有要求。電路見圖6。

5測試方案與測試結(jié)果

測試采用以下幾種方案來檢測本紅外通信裝置性能。

5.1測試儀器

5.2方案一測試結(jié)果

方案一：輸入的語音信號不變，紅外通信的距離分別在0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m，3m處查看接收聲音的效果如何。

測試結(jié)果表明，在2內(nèi)傳輸效果較好。

5.3方案二測試結(jié)果

方案二：輸入的語言信號由外接的信號源代替，輸入的信號源幅度為0.5mVpp，頻率由200Hz，300Hz，1000Hz，1300Hz，2300Hz，3000Hz，3500Hz，4000Hz依次變化。

測試結(jié)果表明，輸出信號幅度滿足頻帶要求。

5.4方案三測試結(jié)果

方案三：當(dāng)發(fā)射端輸入語音信號改為800Hz單音信號時(shí)，在813.電阻負(fù)載上，測試接收裝置在0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m，3m處的輸出電壓有效值。

測試結(jié)果表明，在規(guī)定距離內(nèi)輸出信號幅度滿足系統(tǒng)要求。

5.5噪聲測試

不改變電路狀態(tài)，減小發(fā)射端輸入信號的幅度至0V，測量此時(shí)接收裝置輸出端噪聲電壓的讀數(shù)為89.5mV。

6總結(jié)

測試結(jié)果表明，輸入頻率范圍為300Hz～3400Hz的語音信號能經(jīng)紅外傳播2m，接收無明顯失真，裝置性能良好，基本達(dá)到要求。