红外线语音通信系统本科毕业论文.docx

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红外线语音通信系统本科毕业论文

本科毕业设计（论文）

题目红外线语音通信系统

姓名

专业通信工程

学号

指导教师

信息工程学院

二○一五年六月

红外线语音通信系统

摘要

随着科技的发展和创新，无线电通信技术得到了前所未有的发展，而红外无线通信相对于无线电数据通信具有低功耗、价格低廉、电磁干扰小、保密性强等优点，目前发展形势迅速，尤其在近距离（室内）无线数据通信中得到了广泛的应用。

在课本和资料中我们可以知道红外线是一种近距离、高速通信的通信方式，对于我们经常使用的一种近距离、室内通信手段,红外线无线通信具有无线电缆无法比拟和超越的优势。

本文介绍的系统主要阐述了红外线语音通信的工作原理以及红外线语音通信过程，详细的分析了系统设计中的每一个电路模块，得出了这一系统的最佳设计方案，用做大的努力去完成一个比较好的设计。

本系统分为11个模块：

语音采集模块，发送端前级音频与功率放大模块，发送端低通滤波器，红外线发射电路，红外线接收电路，接收端前级电压放大模块等等。

红外线发射模块中主要是采用二极管，LM358将接收到的信号进行电压的放大和所转化长的电信号功率的放大以及红外线发射管。

在红外线接收模块中主要是采用红外线接收管，LM386将接收到的信号进行电压放大和功率放大传输给红外线接收管。

其系统实现的功能是利用红外发射管和红外光接收管作为收发器件，将电信号传至扩音器和耳机。

关键词：

红外通信；发射；接收；LM386；LM358

INFRAREDVOICECOMMUNICATIONSYSTEM

Abstract

Today'sadvancedscienceandtechnologyandradiocommunicationtechnologyhasbeenanunprecedenteddevelopment,whilewirelessinfraredcommunicationrelativetotheradiodatacommunicationhastheadvantagesoflowpowerconsumption,lowprice,lowelectromagneticinterference,highconfidentialityof.Atpresent,therapiddevelopment.Especiallywithdevelopmentofcodingandmodulationtechniques,wirelessinfrareddatacommunicationdataratebecomeshigherandhigher,asmanymobiledevices,indoorofficeequipmentandhandhelddevices,wirelessdatacommunicationisanimportantway.

Inthetextbooksandmaterialswecanknowinfraredisashortdistance,highspeedcommunicationmeansofcommunication,forweoftenuseaclosequarters,indoormeansofcommunication,thewirelessinfraredcommunicationwithwirelesscableunmatchedandbeyondtheadvantage.

Systemisintroducedinthispapermainlyexpoundstheworkingprincipleofinfraredvoicecommunicationandinfraredvoicecommunicationprocess,detailedanalysisofthesystemdesignofeachcircuitmodule,theoptimaldesignschemeofthesystemareobtainedandsuccessfulasmightdoabettershowdesign.Thissystemisdividedinto11modules:

voiceacquisitionmodule,thesendingendofaudioandpoweramplifiermodule,thesendingendlow-passfilter,infraredemittingcircuit,aninfraredreceivingcircuit,thereceiverofvoltageamplificationmoduleandsoon.Theinfraredemissionmoduleismainlyusedindiode,LM358willreceivethesignaloftheamplificationandconversionofthelongpowerofthesignalamplificationandinfraredemissiontube.Intheinfraredreceivingmodule,theinfraredreceivingtubeismainlyused,andthesignalisamplifiedbyLM386andamplifiedbypower.

Keywords:

infraredcommunication;transmit;receive;LM386;LM358

前言

红外通信由来已久，但是进入90年代，这一通信技术又有新的发展，应用范围也越来越广泛。

1995年，一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团──红外数据协会（IrDA）就红外通信的标准达成一致。

红外数据协会开发的这种新的无线通信标准还得到PC机产业的有力支持。

主要的开发厂商，已在计算机之间推出了采用这种高速红外数据通信的PC机、笔记本计算机、打印机和手持式个人数字助理（PDA）的设备。

此外，红外通信已经用在大多数新的笔记本计算机中，逐渐成为一种最成本效益高和使用方便快捷的无线通信技术，慢慢的占据市场的主导地位。

经过40多年大发展，中国在红外技术研究方面已经取得了重大的进步，建成了专业研究所、红外物理实验室和众多的研究课题组。

一批高等院校中，也设立了红外专业或包含红外专业的光电技术系，一批民营企业、股份制企业相继诞生，已经形成了不同规模的产品。

近几年，随着智能化设备越来越普及，红外通信技术因其抗干扰性能突出，从而被广泛的应用到针对智能机器人、智能电器、智能家居的设计方案中。

红外通信是最常用的近距离无线通信方式之一，采用红外通信的优点是低成本、高速率且低功耗，因此也就成为设计便携式遥控器的首选。

除此之外，在广泛的基于单片机的智能家居设计中，红外通信也作为单片机之间的通信手段，并且与电信市话通信手段在做融洽的结合，从而实现对家居异常情况的监控，例如（盗窃、火警、燃气泄漏、漏水等）电话远程报警、远程遥控等功能[1]。

本次设计的的主要内容，用电压放大电路和滤波放大电路对语音采集端的信号进行方法和滤波，通过红外线发射管和电阻组成的发射电路进行发射，接收电路由红外线接收管接收到之后，在进行音频功率放大和电压放大，最后在喇叭和耳机端得到语音信号。

本设计的预期目的：

利用红外发光管和接收管作为收发语音的元器件，来实现语音信号的传输，传输距离在0-2m之间。

1红外线语音通信系统的总体设计

随着计算机与信息技术的发展，红外通讯技术利用红外线来传递数据，是无线通讯技术的一种，当然我认为也是最高效的一种。

利用红外线通信是目前使用较广泛的一种通信方式。

由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点，因而，在彩电之后，录音机、音响设备、空调机以及玩具等其他小型家庭生活电器上也纷纷采用红外线通信技术，不仅通信性能非常可靠，而且能有效地隔离来自其他电器的干扰。

那么总结一下来说单片机是目前设计应用中用得比较广泛的器件，因为单品机可以通过软件编程用不同代码片段来达到满足不同的功能，实现我们生活或者其他方面需要用到的各种各样不同的功能，具有灵活性强、可靠性高，可扩展性好的优点。

1.1红外光通信系统的设计要求

在教室或是实验室一些噪音较小的环境中采集，我所设计的电路是一个环形电路，声音可以来回传播，容易被噪声和声音的共鸣干扰。

在这个系统当中我们可以用自己发出来的声音或是我们手机播放器发出声音，但是对于我的这个作品来说如果想要得到清晰的不受外界干扰的语音就需要使用耳机来作为输入语音信号的工具，因为这样可以减少干扰，我们尽量把传输的距离控制在2m，在两米之内，我们耳机和喇叭都可以正常听到，若是距离大于两米，喇叭就会出现共振。

随着现在无线技术的不断创新，有好多对红外通信的做出不断创新的人才，比如我在网上查看的资料中，可以加入一个单片机来解决噪音以及共鸣得到问题等等，但是很遗憾我没有实现。

分别使用了ML386和LM358两种不同的功率放大器，来尽量优化我的设计。

1.2方案的提出与选择

所谓的数字通信就是指把在发射端接受到的语音信号放大后传输到A/D转换中进行模/数转换，再由单片机中嵌入的程序控制A/D芯片进行模数转换，当红外接收端的红外线接收管接收到信号后，单片机对接收到的信号进行识别，之后将处理好的信号数据传入D/A转换器进行转化之后，传输滤波电路和功率放大电路进行处理，最后将处理好的语音信号输出，原理如图1.1所示。

图1.1红外数字通信原理图

用电压放大电路和滤波放大电路对语音采集端的信号进行方法和滤波，通过红外线发射管和电阻组成的发射电路进行发射，接收电路由红外线接收管接收到之后，在进行音频功率放大和电压放大，最后在喇叭和耳机端得到语音信号。

AM调制通信就是把接收到的语音信号传送到放大电路中放大，之后经过红外线发射直接发射出去，通过红外发射管把电信号转化为光信号，这个过程就是通过红外线传输语音信号的过程。

红外线接收管接收到红外信号后把光信号转化成电信号，在传入功率放大电路中进行放大和滤波，最后把信号传输到音频输出也就是扬声器中，对处理好的电信号进行转化为语音信号输出，原理如图1.2所示。

图1.2AM调制通信的原理图

在通信的课程中我们了解到FM调制通信就是利用锁相环技术（简称为PLL）对语音采集端输入的语音信号进行放大滤波之后送入红外发射管传输的由光信号转化的调频信号，接收端的接收到的调频信号之后再次采用用锁相环技术不过这时是进行解调，经过解调后的信号送入功率放大电路处理之后进行输出，调制原理如图1.3所示。

图1.3FM调制原理图

通过上面的比较可以看出使用数电知识来设计电路，要涉及到单片机以及信号系统和电路基础的课程之后，还涉及到高数上面的计算，对于专业知识不是他别精通的人来说是个很大的挑战，并且在使用单片机的过程当中仍然会遇到一些不可避免的问题，还有一个问题就是利用单片机的话成本会高一些，在实现功能相同，效果相近的情况下，还是应该选择一个性价比高的方案。

本次的设计，原来的思路是想用数字通信方面的知识，也就是利用单片机的程序设计来通过模数和数模转换来实现语音的通信，但是经过实际操作电路来验证的过程中，发现本人的知识点和能力不足以支持思想的实现，实现不了本次设计的设计要求，所以之后就选用了使用纯模电电路来进行本次设计。

在设计的过程当中依然还是参考了数字技术的一些放大器和放大电路的设计思路。

来进行优化设计方案。

1.3总体设计思路

选择红外光的原因：

无线通信方式可以分为电信号、超声波和红外线等等。

由于电信号的使用方式比较传统，所以我选择超声波和红外线做为我的首要思路。

那么我对超声波和红外线这两种方式也做了一些对比和比较。

超声波通信的话，频带较窄，容易受噪声干扰，系统抗干扰能力差。

那么红外线不会向室外泄露，不会产生信号干扰，反应速度快，传输效率高。

所以我选择了这个红外线课题。

来实现我想用红外线来实现简单的语音信号的传输。

（1）红外线的特点

我们的眼睛所能看到的光称为可见光，这些可见光按照波长排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。

红光的波长范围为0.62μm～0.76μm，我们把比红光波长还长的光叫红外线。

我们的有一般家庭常用到的电视遥控器的红外线遥控器就是利用波长0.76μm～1.5μm之间的近红外线来传送控制信号的。

红外线的特点是对其他电器设备工作干扰比较小，对周边环境的要求也不是很高，一般不会相互影响。

最后就是红外线的电路具有调试简单等优点。

（2）红外线发射和接收

我们所涉及到的需要用到的红外通信项目中，必不可少的就是要用到的红外线的发射和接收两部分。

我们这次试用的是简单的元器件：

语音发射部分射发射元件为红外发光二极管，在二极管中我们还加了一个电阻，一般常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，红外线发射二极管的的外形与普通φ5mm发光二极管相同，但是颜色不是很一样。

一般分为透明色、黑色和深蓝色等三种。

接收电路的红外线接收二极管是一种光敏二极管，我们在使用的时候要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。

由于红外发光二极管需要的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以在红外线的接收端要增加高增益放大电路，也就是说我们需要使用放大倍数较高的功率放大器来放大我们接收到的电信号，使我们之后再耳机或是扬声器听到的声音和输入的声音信号差别不大。

系统的总体设计框图如图1.4所示。

图1.4系统的总体设计框图

红外语音的传输，分为语音采集和红外线的发射与接收部分，下面来仔细说说红外线的发射与接收模块。

红外线的发射部分：

语音信号通过麦克风转化为电信号再经过LM358放大后的滤掉频率超过2000hz的语音信号经过由LM358和一个电容以及二极管组成的RC电路放大后推送到红外线发射管，由于发射管的发射强度与通过其电流由红外发射管转化为光信号进行传输成语音信号的大小改变其亮度。

红外线的接收部分：

红外线接收管被语音信号调制的红外光照射到的时候，在红外线接收管这侧产生一个与语音信号变化规律相同的电信号，经S9013进行电压放大再经过有源低通滤波LM358和有源高通滤波LM358以及放大倍数较大的LM386进行功率放大后进行放大，并将电信号信传至扩音器和耳机转化成为我们可以听到的声音信号，在这里呢，为了避免语音采集器与扬声器会产生一个共鸣，我加了一个开关，可以选择用耳机来听传输过来的语音信号也可以选择用扬声器来听取所传输过来的信号。

1.4发射部分电路设计

图1.5红外线发射部分系统框图

红外线发射电路部分主要由四个部分组成，语音信号的采集，使用LM358对电信号进行电压放大，之后再过滤放大，最后由红外线发射管发射出去。

图1.6发射部分原理图

如图1.6所示，再语音信号输入后先通过一个由LM358对信号进行放大，然后在通过使用LM358和电容以及电阻组成的RC电路，进行滤波，把高于2000hz的信号过滤掉，最后交由发射管发射出去。

1.5接收部分电路设计

图1.7接收部分系统框图

红外线接收电路主要由红外接收管，电压放大和滤波电路，以及语音输出部分组成，当红外线接收管接收到信号后，通过LM386对信号进行滤波放大，通过喇叭或者耳机把语音输出。

图1.8接收部分原理图

如电路图1.8所示，接收部分由红外接收管接收到信号后，输入到LM386中进行放大和滤波，再传输到语音接收器——耳机或者喇叭，接收电路中的C12，C13同样也是对电源部分起到滤波的作用，即当接收管接收到信号引起压变化时，通过比较器比较后输出高低电平使指示灯会闪烁，于是红外接收管的亮度就起到了信号指示的作用。

2基于红外线的语音发送接收系统的模块设计

2.1发送端语音采集电路

驻极话筒其实通俗一点讲可以说是一个麦克风。

它具有以下几个优点：

体小、性能好、价格低。

在早期的录音机、无线话筒以及声控电路中应用比较广泛。

但是由于其输入和输出场效应管阻抗较高，一般要在话筒的外壳当中设置一个场效应管作为转换器，在工作当中需要直流工作电压。

上面我们说到话筒的外壳里需要一个场效应管，那么我们使用的话筒其实就是由声音信号和电信号的转化以及阻抗变换两部分组成的。

我们输入的语音信号转化为电信号关键元件就是驻极体振动膜，这个关键膜片是一片极薄的塑料膜片，然后再经过高压电场驻极后，两个极薄的塑料膜片上就会分别驻有异性电荷[5]。

膜的膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连。

塑料膜片的另外一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开。

蒸金膜与金属极板之间形成一个电容。

当驻极体膜片遇到声波振动也就是有语音信号时，电容两端的电场就会发生变化，交替变化的电场电压变化与语音信号的变化和声波。

隔膜和金属板之间的电容是相对较小，通常数万pF。

因此其输出阻抗值非常高（Xc=1/2~交变），约几十个兆以上。

这个高阻抗不直接与音频放大器。

所以有一个需要访问的麦克风转换阻抗结型场效应晶体管。

访问场效应晶体管的优点是输入阻抗、低噪声、高系数。

常见的场效应晶体管有三个电极包括：

源（S），（G）门和排水（D）。

我这里是使用特殊的场效应电极和栅极之间加上一个二极管管内部来源。

二极管场效应晶体管信号强烈影响保护功能是目的。

场效应晶体管门与金属板。

通过这种方式，驻极体麦克风的输出行有三个。

一般用蓝色塑料排水管道D，红色的塑料线和连接金属编织屏蔽线[8]。

驻极体麦克风一般动圈式麦克风和电容式麦克风的声音。

在设计中,我使用是电容麦克风的声音。

工作原理的电容式麦克风使用电容器的充电和放电的原理,压力振动感应语音隔膜，从而改变电极间的电压，然后我们输入语音信号转换为电信号，以方便我们低于功率放大和传输。

电容麦克风没有声音线圈，由于没有音圈，隔膜和非常薄，所以，即使是很弱的声音也会感应非常敏感，可以转换为电信号。

驻极话筒其实通俗一点讲可以说是一个麦克风。

它具有以下几个优点：

体积小、性能好、价格低。

在早期的录音机、无线话筒以及声控电路中应用比较广泛。

但是由于其输入和输出场效应管阻抗较高，一般要在话筒的外壳当中设置一个场效应管作为转换器，在工作当中需要直流工作电压。

上面我们说到话筒的外壳里需要一个场效应管，那么我们使用的话筒其实就是由声音信号和电信号的转化以及阻抗变换两部分组成的。

我们输入的语音信号转化为电信号关键元件就是驻极体振动膜，这个关键膜片是一片极薄的塑料膜片，然后再经过高压电场驻极后，两个极薄的塑料膜片上就会分别驻有异性电荷。

膜的膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连。

塑料膜片的另外一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔开。

蒸金膜与金属极板之间形成一个电容。

当驻极体膜片遇到声波振动也就是有语音信号时，电容两端的电场就会发生变化，交替变化的电场电压变化与语音信号的变化和声波。

隔膜和金属板之间的电容是相对较小,通常数万pF。

驻极体麦克风一般动圈式麦克风和电容式麦克风的声音。

在设计中,我使用是电容麦克风的声音。

工作原理的电容式麦克风使用电容器的充电和放电的原理，压力振动感应语音隔膜，从而改变电极间的电压，然后我们输入语音信号转换为电信号，以方便我们低于功率放大和传输。

电容麦克风没有声音线圈，由于没有音圈，隔膜和非常薄，所以，即使是很弱的声音也会感应非常敏感，敏感地可以转换为电信号。

2.2音频放大电路的概述以及所用元件的介绍

使用到的元器件的介绍

音频放大电路首先就经过一个可变电阻，通过对可变电阻的电阻阻值的调节，来改变功率放大器放大的倍数，LM358是一个双运算放大器，内部包括两个独立的、高增益的放大器，它比较适合于单电源的使用，使用的范围包括传感放大器，直流增益模组，音频放大电路，工业上的一些控制等等。

LM358的封装有8引线双列直插式和贴片式。

LM358拥有以下几个特性：

内部频率补偿特性  

直流电压增益高特性（约100dB）

单位增益频带宽特性（约1MHz）  

电源电压范围宽特性：

单电源（3V—30V）

双电源特性（±1.5V一±15V）

低功耗电流特性，适合于电池供电

低输入偏流特性  

低输入失调电压和失调电流特性

共模输入电压范围宽特性，包括接地

差模输入电压范围宽特性，等于电源电压范围

输出电压摆幅大特性

参数特性 

输入偏置电流特性

输入失调电流特性

输入失调电压特性

输入共模电压最大值特性

共模抑制比特性

电源抑制比特性

图2.1LM358引脚功能

图2.2前级电压放大电路

从电路图上，可以看到在这里用到的音频放大电路主要有LM358电阻还有电容组成的，在实际的电路当中，我使用的是可调电阻，通过调节电阻的阻值。

来影响放大倍数，前面我们已经用话筒把输入的语音信号转化为电信号，所以在这一电路当中我们就需要把当期的电信号放大，以便于在传输的过程当中不断的进行放大和过滤。

在这里使用LM358，是因为LM358是双运算放大器，在语音传输的过程当中，最为重要的就是对声音信号的处理，怎么样能把声音信号完好的，噪声小的传送到接受端。

2.3发送端低通滤波器

低通滤波器可以简单的理解为：

通常认为的给它设定一个频率点，当输入端出传输过来的频率不高于我们设定的频率是可以通过。

如果高于设定的频率则不能通过，这个频率点我们也成为截止频率，因为这个滤波器内部只能让低于截止频率的信号通过所以我们称之为低通滤波。

在这里使用的就是最简单的低通滤波电路用一个可变电阻和一个电容以及一个LM358组成了一个RC低通滤波器。

滤波器是一种能使我们需要的频率信号通过而同时抑制（或衰减）我们不需要的频率信号的电子电路或装置。

在我们通常的课程设计当中，经常使用的它对信号处理，数据传送或抑制干扰等的作用。

在以前的课程设计当中我们使用到的滤波器主要采用无源元件R、L、和C组成，那么到目前，我们一般用集成运放R、C组成，常称为有源滤波器。

在一个实际的电子系统中，有时输入信号往往受干扰等原因而含有一些不必要的成分，应当把它衰减到足够小的程度。

而在另一些场合，有时我们需要的信号和别的信号混在一起，应当设法把我们需要的信号挑出来。

要解决这些问题都需要采用有源滤波器。

所以这就引出了滤波器的进一步发展，人类一直的不断的进步，一步步使用科技来改变我们的生活，那么就像是这次的课程设计当中我们用到的滤波器，就是为了更好的能够方便生活，提高无线通信的方法。

图2.3RC低通滤波器

图2.3是本次设计使用的滤波电路，由一个电阻和电容组成，所谓滤波器上面我们已经介绍过了，它的作用就是过滤掉我们不需要的信号，在这里设定的截止频率就是人耳所能听到的最大频率，我们设定的截止频率为20000hz。

把高于最大频率的信号都过滤掉，使发射出去的信号都为我们可以接收听到的。

2.4红外线发射与接收电路

外线发射管或着说红外发光二极管，他们属于同一类。

可以直接把电能转换成近红外光转换，可以过滤。

它主要用于光电开关，触摸屏和遥控发射机。

红外线发射管与普通发光二极管的结构，内部是实现的原理是差不多的，但不同的是使用的半导体材料不一样。

红外发光二极管通常使用砷化镓（砷化镓）、砷化铝镓（GaAlAs）等材料，并且一般都使用全透明或淡蓝色、黑色树脂。

驻极体麦克风一般动圈式麦克风和电容式麦克