红外语音通讯在国内外的研究以及其发展的毕业论文.docx
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红外语音通讯在国内外的研究以及其发展的毕业论文
红外语音通讯在国内外的研究以及其发展的毕业论文
目录
第1章绪论1
1.1背景和意义1
1.2国内外研究发展现状1
1.3主要设计内容及预期目标2
第2章红外通信技术分析3
2.1红外通信的基本原理及特点3
2.2红外通信技术对计算机技术的冲击4
2.3红外通信技术开辟数据通信的未来4
第3章系统的总体设计6
3.1方案的提出6
3.1.1通信方式的选择6
3.1.2放大电路的选择9
3.2发射部分电路设计14
3.2.1发射部分框图14
3.2.2发射部分电路15
3.2.3信号放大部分15
3.2.4信号发射部分21
3.3接收部分电路设计22
3.3.1接收部分框图22
3.3.2接收部分电路23
3.3.3音频功率放大部分23
3.3.4信号显示部分27
3.3.5信号采集部分28
3.4中继部分电路设计29
3.4.1中继部分框图29
3.4.2中继部分电路29
第4章硬件的调试与测试31
4.1硬件的焊接调试31
4.2硬件电路的测试31
4.2.1发射部分31
4.2.2接收部分32
4.2.3中继部分33
结论34
参考文献35
致谢36
附录整体硬件电路37
第1章绪论
1.1背景和意义
在日常生活中，电脑、电视等电器让我们眼花缭乱，各种设备的线缆随处可见，就连我们的声音传输在很大程度上也依赖于各种各样的电缆。
这种采用有线方式来传输语音信号的系统必须有大量的电缆将收发端连接起来，声音信号才能进行传输。
有没有一种无需电缆的连接就能实现声音传输的方法呢？
科学技术的日新月异，红外技术的飞速发展给传统的声音传输带来的很大的冲击，为通信业带来了无穷的希望和活力。
红外技术的应用使得语音无线传输成为了可能，并使传输更加灵活、方便、高效。
红外技术是无线连接的鼻祖，是先进科学技术的重要组成部分，主要应用在遥控和传输方面。
红外传输以红外光为载体，通过其在空中的传播来传输语音和数据的传输方式。
这种通信系统传输速度快，干扰小，可靠性高，适合多种近距离无限通信场合使用，例如教师的语音教学系统，家庭居室、图书馆、医院等，在电子产品中具有官方的发展潜力。
1.2国内外研究发展现状
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，应用范围更加广泛。
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）就红外通信的一套标准达成一致。
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，已推出了在计算机之间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）设备[1]。
此外，红外通信的连通性已用在大多数新的笔记本计算机中，并成为一种最具成本效益和便于使用的无线通信技术而问鼎市场。
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，因此也就成为设计手持遥控器的首选[2]。
除此之外，在基于单片机的智能家居设计中，红外通信作为单片机之间的通信手段与电信市话通信手段结合，实现了对家居异常情况（盗窃、火警、燃气泄漏、漏水等）电话远程报警、远程遥控功能[3]。
1.3主要设计内容及预期目标
本设计的主要设计内容是：
用三极管放大电路对音频输入口得到的音频信号进行无失真的放大，送到三极管与发射头组成的发射电路进行发射，接收部分由红外接收头接收到的信号再传入后再由音频功率放大芯片进行放大输出，最后得到质量较好的音频信号。
本设计要达到的预期目标为：
利用红外发光管和红外接收管作为收发器件，来实现定向传输语音信号，传输距离为3m，接收的声音无明显失真，制作一个红外光通信中继转发节点，可以改变通信方向90°，延长通信距离。
第2章红外通信技术分析
2.1红外通信的基本原理及特点
红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。
发送端将基带二进制信号调制为一系列的脉冲串信号，通过红外发射管发射红外信号。
接收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。
常用的有通过脉冲宽度来实现信号调制的脉宽调制（PWM）[4]和通过脉冲串之间的时间间隔来实现信号调制的脉时调制（PPM）以及自适应调制（ADM）[5]三种方法。
同样的通过红外发射管还可以发射最基本的模拟信号，即接收端可以根据接收到的红外光线的强度可以产生不同的电流大小，即可还原发射端的模拟信号。
简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号或模拟信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。
红外通信的优点是兼容性强，能被众多的硬件和软件平台所支持；通过数据电脉冲和红外光脉冲之间的相互转换实现无线的数据传输；主要是用来取代点对点的线缆连接；新的通讯标准兼容早期的通讯标准；小角度（30度以内），短距离，点对点直线数据传输，保密性强；传输速率较高，目前4M速率的FIR技术已被广泛使用，16M速率的VFIR技术已经发布。
其缺点为
通信距离短，通信过程中不能移动，遇障碍物通信中断；目前广泛使用的SIR标准通讯速率较低（115.2kbit/s）；功能单一，扩展性差。
2.2红外通信技术对计算机技术的冲击
红外通信标准有可能使大量的主流计算机技术和产品遭淘汰，包括历史悠久的调制解调器。
执行红外通信标准规定的发射功率很低，因此它自然是以电池为工作电源的标准。
目前，惠普移动计算分公司正在开发内置式端口，所有拥有支持红外通信标准的笔记本计算机和手持式计算机的用户，可以把计算机放在电话机的旁边，遂行高速呼叫，可连通本地的因特网。
由于电话机、手持式计算机和红外通信连接全都是数字式的，故不需要调制解调器。
红外通信标准的广泛兼容性可为PC设计师和终端用户提供多种供选择的无电缆连接方式，如掌上计算机、笔记本计算机、个人数字助理设备和桌面计算机之间的文件交换；在计算机装置之间传送数据以及控制电视、盒式录像机和其它设备。
2.3红外通信技术开辟数据通信的未来
目前，符合红外通信标准要求的个人数字数据助理设备、笔记本计算机和打印机已推向市场，然而红外通信技术的潜力将通过个人通信系统（PCS）和全球移动通信系统（GSM）网络的建立而充分显示出来。
由于红外连接本身是数字式的，所以在笔记本计算机中不需要调制解调器。
便携式PC机有一个任选的扩展插槽，可插入新式PCS数据卡。
PCS数据卡配电话使用，建立和保持对无线PCS系统的连接；扩展电缆的红外端口使得在PCS电话系统和笔记本计算机之间容易实现无线通信。
由于PCS、数字电话系统和笔记本计算机之间的连接是通过标准的红外端口实现的，所以PCS数字电话系统可在任何一种PC机上使用，包括各种新潮笔记本计算机以及手持式计算机，以提供红外数据通信。
而且，由于该系统不要求在计算机中使用调制解调器，所以过去不可能维持高性能PC卡调制解调器运行所需电压的手持式计算机，现在也能以无线方式进行通信。
红外通信标准的开发者还在设想在机场和饭店等地点使用步行传真机和打印机，在这些地方，掌上计算机用户可以利用这些外设而勿需电缆。
银行的ATM机也可以采用红外接口装置[6]。
由于红外通信具有隐蔽性、保密性强，因此军事通信机构历来重视这一技术的开发和应用。
这一技术在军事隐蔽通信，特别是军事机密机构、边海防的端对端通信中将发挥出重要的作用。
正如前面所述，它还将对计算机技术产生冲击，对未来数据通信产生重大影响。
第3章系统的总体设计
3.1方案的提出
本次的设计，本来想用数字通信[7]的方式，即用基本的51单片机[8]进行模数和数模转换来实现。
但是经过实际电路的测试，发现数字通信的方式不能达到本次设计的要求，所以之后开始选择用模拟方式进行通信。
3.1.1通信方式的选择
1.数字通信
耳机
数字通信[9]是指把音频模拟信号放大后送入A/D转换中进行模/数转换，由单片机控制A/D芯片进行模数转换，然后将数字量加上数据头后串行发送出去，当红外接收头接收到数据后单片机对接收到的数据后识别数据头将数据传入D/A转换器后送入音频功率放大器进行音频的输出，原理如图3-1。
图3-1红外数字通信原理图
2.AM调制通信
AM调制通信[10]就是把音频模拟信号进行放大，直接送入红外发射，将音频信号转变成被音频信号调制的红外信号，通过红外信号实现无线传输。
接收到红外信号后再将得到的信号解调成音频信号，送入音频功率放大器对音频进行放大后输出，原理如图3-2所示。
音频输出
图3-2AM调制通信的原理图
3.FM调制通信
FM调制通信[11]就是利用锁相环技术（简称为PLL）对输入的音频信号进行调频之后送入红外发射端传送调频信号，接收的调频信号后用锁相环技术进行解调，解调后的信号送入音频功率放大后输出原理如图3-3所示。
图3-3FM调制原理图
经过比较最终的选择AM调制，因为数字通信中用到数字电路的设计，虽然优点是可控制性强，但是缺点是程序复杂，而且因为受到单片机处理速度的影响，以及加上红外发送编码的速度影响，传输速率较慢，整体影响了采样的时间，由采样定律[12]在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时，
即公式（3-1）：
（3-1）
采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍，因为声音频率的范围为300~3kHz，根据采样定律的采样的频率要达到最少6kHz，才能保证采样得到的值还原后不失真，由于单片机采用的是12M晶振，处理一条指令的时间为1μs，对A/D芯片的控制需要指令，而且要在每条数据前面加上数据头也需要大量的指令，总的程序复杂导致整体的采样频率不够6kHz，所以会导致严重的失真，必须要采用高速单片机才能实现，这样成本就会大大提高。
所以从成本，效果以及电路的复杂程度来讲都不能选择数字通信。
而AM调制与FM调制采用的是三极管放大，电路实现简单，成本低廉，又可以达到理想的传输距离，关键的是不宜失真，所以主要的优点就是电路简单效果好，成本低廉，但是AM调制的缺点就是传输距离会受到限制，距离过远就会收不到信号，但是相比之下FM调制采用的是FM调制，发送的是宽度不同的脉冲信号，所以传输距离会比AM调制的要远，但同时因为是在高频段，所以收到干扰也比较多，即AM调制同时兼容成本低，电路实现简单，不宜产生失真，同时又能达到目标的传输距离，所以选用AM调制方式。
3.1.2放大电路的选择
1.集成运放
集成运放是集成运算放大器的简称，是具有高放大倍数的集成电路。
它把晶体管、必要原件以及相互之间的连接同时制造在一个半导体芯片上，形成具有一定电路功能的器件。
它的内部是直接耦合的多级放大器，这个电路可分为输入级、中间级、输出级三部分。
输入级采用差分放大电路以消除零点漂移和抑制干扰；中间级一般采用共射极电路，以获得足够高的电压增益；输出级一般采用互补对称功放电路，以输出足够大的电压和电流其输出电阻小，负载能力强。
常用的集成运放为OP07。
OP07芯片是一种低噪声的双极性运算放大器集成电路[17]。
由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25μV），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。
OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。
其具有超低偏移：
150μV最大；低输入偏置电流：
1.8nA；低失调电压漂移：
0.5μV/℃；超稳定，时间：
2μV/month最大；高电源电压范围：
±3V至±22V等特点。
工作电源电压范围是±3V~±18V；OP07完全可以用单电源供电，＋5V,-5V绝对没有问题，用单＋5V也可以供电，但是线性区间太小，单电源供电，模拟地在1/2VCC。
建议电源最好>8V，否则线性区实在太小，放大倍数无法做大，一不小心，就充顶饱和了。
OP07管脚如图3-4所示，其中1和8为偏置平衡（调零端），2为反向输入端，3为正向输入端，4接地，5空脚6为输出，7接电源+。
图3-4OP07管脚图
运放组成的基本放大电路有两种，反向放大电路如图3-5，正向放大电路如图3-6。
图3-5反向放大电路
运放的同向端接地即为0V，反向端和同向端虚短，所以也是0V，反向输入端输入电阻很高——虚断，几乎没有电流注入和流出，那么R1和R2相当于是串联的，流过一个串联电路中的每一只组件的电流是相同的，即流过R1的电流和流过R2的电流是相同的。
流过R1的电流
（3-2）
（3-3）
（3-4）
（3-5）
求解上面的代数方程得放大公式
（3-6）
图3-6同向放大电路
图中Vi与V-虚短，则
（3-7）
因为虚断，反向输入端没有电流输入输出，通过R1和R2的电流相等，设此电流为I，由欧姆定律得：
（3-8）
（3-9）
由上面三式得放大公式
（3-10）
2.三极管放大
三极管[13]，全称应为半导体三极管，也称双极型晶体管，晶体三极管，是一种电流控制电流的半导体器件，起作用时把微弱信号放大成辐值较大的电信号，也用作无触电开关。
晶体三极管，是半导体基本元器件之一，具有电流放大作用，是电子电路的核心元件。
三极管是在一块半导体基片上制作两个相距很近的PN结，两个PN结把整块半导体分成三部分，中间部分是基区，两侧部分是发射区和集电区，排列方式有PNP和NPN两种。
三极管是电流放大器件，有三个极，分别叫做集电极C，基极B，发射极E。
分成NPN和PNP两种。
这里仅以NPN三极管的共发射极放大电路为例来说明一下三极管放大电路的基本原理。
一、电流放大
下面的分析仅对于NPN型三极管[14]。
如图3-7所示，把从基极B流至发射极E的电流叫做基极电流Ib；把从集电极C流至发射极E的电流叫做集电极电流Ic。
这两个电流的方向都是流出发射极的，所以发射极E上就用了一个箭头来表示电流的方向。
三极管的放大作用就是：
集电极电流受基极电流的控制，并且基极电流很小的变化，会引起集电极电流很大的变化，且变化满足一定的比例关系：
集电极电流的变化量是基极电流变化量的β倍，即三极管的放大倍数（β一般远大于1，例如几十，几百）。
将一个变化的小信号加到基极跟发射极之间，这就会引起基极电流Ib的变化，Ib的变化被放大后，导致了Ic很大的变化。
如果集电极电流Ic是流过一个电阻R的，那么根据电压计算公式U=R*I可以算得，这电阻上电压就会发生很大的变化，这就是放大后的信号了。
图3-7三极管简单电路
二、偏置电路
三极管在实际的放大电路中使用时，还需要加合适的偏置电路。
这有几个原因。
首先是由于三极管PN结的非线性（相当于一个二极管），基极电流必须在输入电压大到一定程度后才能产生。
当基极与发射极之间的电压小于0.7V时，基极电流就可以认为是0。
但实际中要放大的信号往往远比0.7V要小，如果不加偏置的话，这么小的信号就不足以引起基极电流的改变（因为小于0.7V时，基极电流都是0）。
如果事先在三极管的基极上加上一个合适的电流（叫做偏置电流，上图中那个电阻Rb就是用来提供这个电流的，所以它被叫做基极偏置电阻），那么当一个小信号跟这个偏置电流叠加在一起时，小信号就会导致基极电流的变化，而基极电流的变化，就会被放大并在集电极上输出。
另一个原因就是输出信号范围的要求，如果没有加偏置，那么只有对那些增加的信号放大，而对减小的信号无效。
而加上偏置，事先让集电极有一定的电流，当输入的基极电流变小时，集电极电流就可以减小；当输入的基极电流增大时，集电极电流就增大。
这样减小的信号和增大的信号都可以被放大了。
经过比较最终的选择三级管放大电路。
因为集成运放运放虽然放大倍数方便好计算，但是要想对音频信号达到比较理想的放大效果就要同时用到+12V和-12V，这样一来电源方面，就要重新做两路电压输出，这样就会提高了成本，而使用三极管放大电路的话输入电压的范围较宽，电路方面只需要用同一种电源就可以实现对音频信号的放大。
但是对放大电路的计算方面就会比较麻烦一些，一般的三极管对音频的放大只要在饱和区就可以做到比较好的保真，这样既可以降低成本又可以达到比较理想的结果。
所以选用三极管放大方案。
最终通过方案的提出和对比，最终决定使用AM调制的方法进行总体方案的实现。
即用三级管驱动红外发射头对音频信号进行放大和发射，在发射端用电容对发送的信号进行滤波。
接收时用红外接收头采集到信号后送入LM386[15]音频功率放大器进行放大，指示信号方面用LM393双向比较器对采集到的信号进行比较后驱动LED小灯进行指示信号的强弱。
而中继部分就是将采集到的信号进行滤波放大后，再次送到发射管进行发射。
3.2发射部分电路设计
红外发射
3.2.1发射部分框图
图3-8红外光发射模块子系系统框图
红外光发射部分由三个部分组成，音频信号的输入，之后是过滤放大，再之后是红外发射部分如图3-8所示。
音频信号从3.5mm耳机插孔输入，当收到音频信号后，通过电容对信号进行滤波放大，放大用的是三极管放大，之后通过红外发射管对信号进行发射。
3.2.2发射部分电路
图3-9发射部分原理图
如图3-9所示，电源输入后用电容C1、C2对电路进行滤波去噪，音频信号从3.5mm音频接口输入后直接用三极管放大，音量调节电位器R3可以通过调节其阻值的大小来调节输入的音量大小，而电位器R4可以用来调节放大倍数。
C3的作用是对输入的信号进行滤波，发射端用三个红外发射头串联发射来提高发射功率。
3.2.3信号放大部分
S8050三极管是NPN型三极管，由三块半导体构成，其中两块N型和一块P型半导体组成，P型半导体在中间，两块N型半导体在两侧。
三极管是电子电路中最重要的器件，它最主要的功能是电流放大和开关作用。
三极管最基本的作用是放大作用，它可以把微弱的电信号变成一定强度的信号，当然这种转换仍然遵循能量守恒，它只是把电源的能量转换成信号的能量。
三极管有一个重要参数就是电流放大系数β。
当三极管的基极上加一个微小的电流时，在集电极上可以得到一个是注入电流β倍的电流，即集电极电流。
集电极电流随基极电流的变化而变化，并且基极电流很小的变化可以引起集电极电流很大的变化，这就是三极管的放大作用。
1.三极管的输入特性曲线
图3-10三极管的输入特性曲线
本图是指当集-射极之间的Vce为定值是，输入回路中的基极电流Ib与加在基-射极之间的电压Vbe之间的关系曲线，如图3-10所示。
2.三极管输出特性曲线
图3-11三极管输出特性曲线
这个曲线图的意思是指当基极电流Ib为定值是，输出电路中集电极电流Ic与集-射极间的电压Vce之间的关系曲线，如图3-11所示。
Ib不同，对应的输出特性曲线也不同，所以三极管的出处特性曲线是一组曲线。
由图可以看出三极关的工作状态有三个，分别是饱和区、放大区、截止区。
饱和区：
发射结和集电结均处于正偏状态。
三极管没有电流放大作用，相当于一个开关的闭合状态。
放大区：
发射结正偏，集电结反偏。
三极管具有电流放大作用。
截止区：
发射结处于反偏或零偏状态，集电结处于反偏状态，三极管没有电流放大作用，相当于一个断开状态。
3.三极管的三种放大电路
（1）共集电极放大电路
图3-12共集电极放大电路
图3-13共集电极小信号等效电路
由图3-12和3-13可推得电压增益
（3-11）
（3-12）
（3-13）
（3-14）
一般情况下，则电压增益接近于1，即。
只有电流放大作用，没有电压放大，有电压跟随作用。
在三种组态中，输入电阻最高，输出电阻最小，频率特性好。
可用于输入级、输出级或缓冲级。
（2）共基级放大电路
图3-14共基极放大电路
图3-15共基极小信号等效电路
由图3-14和3-15可推得电压增益
（3-15）
（3-16）
（3-17）
（3-18）
只有电压放大作用，没有电流放大，有电流跟随作用，输入电阻小，输出电阻与集电极电阻有关。
高频特性较好，常用于高频或宽频带低输入阻抗的场合，模拟集成电路中亦兼有电位移动的功能。
（3）共射级发射电路
图3-16共射极放大电路
图3-17共射极小信号等效电路
由图3-16和3-17可推得电压增益
（3-19）
（3-20）
（3-21）
（3-22）
电压和电流增益都大于1，输入电阻在三种组态中居中，输出电阻与集电极电阻有很大关系。
适用于低频情况下，作多级放大电路的中间级。
3.2.4信号发射部分
1.红外发射头简介
在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。
所有高于绝对零度（-273.15℃）的物质都可以产生红外线。
现代物理学称之为热射线。
医用红外线可分为两类：
近红外线与远红外线。
红外线发射管在LED封装行业中主要有三个常用的波段850NM、875NM、940NM。
根据波长的特性运用的产品也有很大的差异，850NM波长的主要用于红外线监控设备、875NM主要用于医疗设备、940NM波段的主要用于红外线控制设备。
如红外线遥控器、光电开关、光电记数设备等。
红外发射管是由红外发光二极管组成发光体，用红外辐射效率高的材料（常用砷化镓）制成PN结，正向偏压向PN结注入电流激发红外光，其光谱功率分布为中心波长830～950nm。
红外发射头的特点有高发射功率、绝缘性好、抗湿、耐磨；长寿命、高可靠性；镀金引脚可焊性好。
2.红外发射头的电性能
直径3mm,5mm为小功率红外线发射管。
而8mm,10mm为中功率及大功率发射管。
小功率发射管正向电压：
1.1-1.5V，电流20mA。
中功率发射管正向电压：
1.4-1.65V，电流50-100mA。
大功率发射管正向电压：
1.5-1.9V，电流200-350mA。
1-10W大功率红外线发射管可应用于红外监控照明。
3.红外发射头的方向特性
红外线发光二极管的发射强度因发射方向而异。
当方向角度为零度时，其放射强度定义为100%，当方向角度越大时，其发射强度相对的减少，发射强度如由光轴取其方向角度一半时，其值即为峰值的一半，此角度称为方向半值角，此角度越小即代表元件之指向性越灵敏。
一般使用红外线发光二极管均附有透镜，使其指向性更灵敏。
4.红外发射头的距离特性
红外线发光二极管的辐射强度，依光轴上的距离而变，亦随受光元件的不同而变。
是受光元件的入射光量变化和与红外发光管的距离呈一定特性。
基本上光量度是随距离的平方成反比，且和受光元件特性不同有关。
发射红外线去控制相应的受控装置时，其控制的距离与发射功率成正比。
为了增加红外线的控制距离，红外发光二极管工作于脉冲状态，因为脉动光（调制光）的有效传送距离与脉冲的峰值电流成正比，只需尽量提高峰值Ip，就能增加红外光的发射距离。
提高Ip的方法，是减小脉冲占空比，即压缩脉冲的宽度T。
一般
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