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红外光通信装置（F题） 【本科组】 摘要利用红外发光管和红外光接收模块设计了一套频分复用的实时通信装置，能够同时传输音频信号和温度信号，通信距离超过2米，最远可达到7米。发射机采用AD9854生成正弦载波，将温度信号搬移到40KHz的载频上，实现和音频信号的频带隔离。温度信号采用自定义的类似6621码的编码方式。 接收机在FPGA平台上使用数字的方式实现解调。首先利用AD转换器将红外光接收模块得到的电信号进行采样，采样频率为500KHz，接着利用两路数字带通滤波器把音频信号和温度信号分开。 关键词：红外光通信；FPGA；数字解调； 一、方案论证及选择 （1）调制与解调 方案一：采用模拟方法进行调制和解调。在通信原理中把通信信号按调制方式可分为调频、调相和调幅三种。对于本系统而言，调频和调相实现难度较大，硬件电路庞大，而调幅对于本设计来说更容易实现，并且解调也相对简单。 方案二：采用数字方法进行调制和解调。数字调制分为ASK、PSK和FSK。数字通信相对于模拟通信来说，数字通信抗干扰性更强，差错率更小，但是其频带利用率不高，需要严格的同步系统，而鉴于红外发射管的开关频率不高，系统不适合采用数字调制的方法。 方案三：采用模拟方法进行调制，数字方法进行解调。发送端采用AM调制的方式，接收端将数据采入FPGA中进行解调，这种方式硬件电路相对简单，可行性高。最终我们选择此方案。 （2）功率放大 方案一：采用分离元件搭建A类功放对音频信号进行放大。A类功放当输入信号为0时，负载和晶体管仍然要消耗直流功率，最大效率只有25%,而且A类功放对器件要求较高，不容易实现，因此不选用此方案。 方案二：采用集成运放SPY0030进行放大。集成运放调整精度高，而且使用方便，故选用此方案。 （3）稳压电源 方案一：线性稳压电源。其中包括并联型和串联型两种结构。并联型电路复杂，效率低， 仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更是方便可靠。 方案二：线性开关电源。此方案效率高，但电路复杂, 开关电源的工作频率通常为几十至几百KHz，基波与很多谐波均在本放大器通频带内，极容易带来串扰。综上所述，选择方案一中的串联型稳压电源 二、系统总体设计及分析 如图1所示为系统发射电路框图，系统中调制器采用的是AD835，AD835为AD公司的一款乘法器，其简单的功能函数为W=XY+Z。具体到下面框图中即为40KHZ载波作为X输入，温度信号经数字编码后的二进制信号作为Y输入，经过音频功放放大后的音频信号作为Z输入，这样就达到了将语音信号和温度信号同时调制在载波上的目的。最终通过放大后经红外发射管将调制信号发射出去。 温度采集之后对温度数据有一个数字编码的过程，本设计采用了类似6621码的编码方式来对数据进行编码，编码过程和解码过程都比较容易实现，而且经过测试发现传输的差错率低，完全能达到数字信号传输时延不超过10s。温度测量误差不超过2℃的要求。 图1 发射电路框图 如图2所示为接收电路框图，光敏三极管首先将接收到的调制信号进行放大，之后通过AD采样采集放大后的调制信号，再将数字信号送入FPGA中分别进行低通滤波和带通滤波，低通滤波将调制信号中的音频信号分离出来，之后经DA输出就能还原出原始音频信号。调制信号另一路经带通滤波和阈值处理后能得到编码后的温度信号，再经解码后就能得出当前温度值并显示在TFT屏上。在FPGA中进行检波的优点在于结构简单，不需要焊接大量的外围电路，节省成本。其次FPGA中的数字滤波器的阶数可以设置的很高，能达到很好的滤波效果，经低通滤波出来的音频信号高频干扰特别小，音质特别清晰，这是模拟方法解调很难达到的。 图2 接收电路框图 三、单元模块电路分析1、音频功率放大电路 图3 音频功率放大电路 SPY0030是一个能够通过一个外部电阻调整增益的音频功率放大器，当供电电压为5V时，其输出功率最大能达到825mW，适合用来驱动扬声器和红外发射管，故本系统将利用SPY0030作为第一级功率放大电路，用来驱动红外发射管，将放大后的音频信号发射出去。2、调制电路 采用模拟乘法器AD835作为信号调制单元，AD835是一款电压输出型模拟乘法器，带宽高达250MHZ，很适合宽带调制。由于片内电路的优化和带隙电压基准的使用，AD835的输出噪声典型值为20nV/√HZ,保证了实验信号尽可能小的失真。另外，AD835需要的外围电路非常少，配置相当方便。 图4 AD835的基本连接 如图4，X、Y、Z为信号输入端，为信号输出端，W和Z之间的电阻网络起微调电路增益的作用。输出和输入之间的关系W=XY/[(1-k)U]+Z，其中U=1V。本实验Z端接地，即乘法器输出仅由X、Y决定，调节电位器可实现增益微调。3、中继转发节点电路 图5 中继转发节点电路 中继转发节点电路以5V直流单电源供电，并且尽量减小中继转发节点的供电电流，本设计选用了ti公司的单电源、微功耗、COMS精密轨至轨运算放大器，最小供电电压能达到2.1V，当5V单电源下工作时，其静态工作电流只有20uA，在一定程度上降低了中继转发节点的功耗。输出仍然以SPY0030音频功放来驱动红外发射管。红外发射管与接收管呈90度角，从而达到将通信方向改变90度的目的。4、接收电路 图6 接收电路 接收电路接收来至中继转发节点或发射电路发射的信号，并对检测到的信号进行放大，上图中100K和504K的可调电阻分别用来调节偏置电压和放大倍数，使得输出信号调整在合适的区域内，方便下一级电路的采集。四、测试方法与数据、结果分析 1、测试仪器 仪器名称 型号规格 数字万用表 UT56 MULTIMETER 四位半 函数信号发生器 RIGOL DG1102 5MHz 数字示波器 RIGOL DS1102E 20M 低频毫伏表 高频信号发生器 TRONDA SG-5150 2、测试方法与测试数据
发挥部分测试：当改变发送端的温度数据时测试接收端接收数据。
五、总结 此次设计的突出之处在于使用FPGA进行解调，这样节省了大部分的硬件电路，而且在ＦＰＧＡ中搭建数字滤波器进行滤波使得输出音频信号更加稳定清晰。通过本次设计，我们对通信有了更深的认识，设计采用的是AM调制，但是我们对其他模拟调制和数字都有进行过分析，学到了很多书上没有的东西，提升了我们的水平，我们的确收获很大。 参考文献 [1] Vinay K. Ingle John G. Proakis 数字信号处理 科学出版社 2006[2] 吴大正等. 电路基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2007 [3] 孙肖子等. 模拟电子电路及技术基础. 西安：西安电子科技大学出版社，2008 [4] 高吉祥 主编， 刘希顺 刘菊荣 高勐 编著 《全国大学生电子设计竞赛培训系列教程》 北京：电子工业出版社 2007.5 
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