红外线音频信号传输系统设计2.docx

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红外线音频信号传输系统设计2

编号

本科生毕业设计

红外线音频信号传输系统

SignalTransmissionSystemofInfraredandFrequency

学生姓名

蔡力健

专业

通信工程

学号

0932314

指导教师

杨光

分院

电子工程分院

2013年6月

摘要

调频信号的传播媒介除了无线电波外还可以是红外线、超声波等，其中，红外线的应用日益广泛。

本文将要介绍的是红外线通信的一种应用形式——利用红外线来传送音频信号，这是一种红外线无线光通信电路。

首先介绍了红外线音频信号传输系统发展方向，提出了红外线立体耳机系统的设计和工作原理，紧接着逐步分析每一步工作原理，包括发射系统和接收系统，发射系统又包括频率调制，基本驱动方式，红外发光二极管和发射电路。

接收系统又包括光敏二极管，前置放大器，频率解调器和接收电路。

最后介绍了系统的调试与应用。

关键词：

驱动电路红外发光二极管光敏二极管

ABSTRACT

Thefrequency-modulatedsignalvectorbesidestheradiowavealsomaybetheinfrared,theultrasonicwaveandsoon.Amongthem,theinfraredapplicationisdaybydaywidespread.

Thisarticleintroducesonekindoftheinfraredcorrespondenceapplicationform-usingtheinfraredtotransmitthefrequencysignal.Thisisonekindofinfraredwirelesscommunicationcircuit.Firstintroducethedevelopmentdirectionsystemdesignandthenintroduceworkprincipleofinfraredandfrequencysignaltransmissionsystem.Thenanalysiseveryworkprincipleincludingemittingandreceivingsystem.Theemittingsystemincludefrequencymodulation,actuatingcircuit,infraredemitterdiodeandemittingcircuit.Thereceivingsystemincludesphotodiode,pre-amplificationdemodulatorandreceivingcircuit.Atlastintroducedebuggingandapplificationofthesystem.

Keywords:

ActuatingCircuitInfraredEmitterDiodePhotodiode

绪论

语言和音乐等所产生的电信号与其它低频电信号一样，一般不能直接作远距离传输。

被传送的低频信号（如语言、音乐）经过放大后去对发射机中高频振荡进行调制，使高频振荡的频率随低频信号而改变。

然后将此携带有低频信号的已调高频振荡经功率放大到实际需要的功率，通过一定的媒介向周围空间辐射。

在接收端，利用接收元件（如天线、红外接收管等等）将接收到的微弱电磁波或红外光变为已调波电流，经高频放大器选择出所需要接收的信号，并同时放大信号。

放大后的高频已调信号与本振频率相混频，变为频率较低且固定的中频已调信号，经中频放大器放大后，由鉴频器检出原来的调制信号，再经低频放大级放大去推动终端设备（如耳机、扬声器）。

红外线受人们青睐的原因是它的穿透能力强，容易绕过雾、尘埃等，还可以定向发射。

正因为红外线具有如此优点，仅在军事上红外线就有很多用途，如：

夜视机器、红外照相、红外雷达等。

此外，红外线被广泛的应用于自动控制、通信、家用电器等领域。

如普遍应用于彩电、录像机以及空调等的红外遥控，用红外遥控器在几米到几十米远距离的直视范围内任何位置，都可以任意地实现各种家用的遥控。

红外线通信，通常又叫红外光通信，是利用红外线来传送信息的一种通信方式。

红外线通信分为以光缆为传输介质的有线通信和用无线电波来传输的无线光通信。

红外线通信所传输的内容是多样的，可以是音频信号，也可以是视频信号；可以是模拟信号，也可以是数字信号[1]。

本文将要介绍的是红外线通信的一种应用形式——利用红外线来传送音频信号，这是一种红外线无线光通信电路。

目前这种方式主要用于室内，如构成无绳电话及无绳耳机系统等。

红外线的传输距离虽然不远，但应用于办公室和家庭已绰绰有余。

由于可免去布线的麻烦，故它具有有线光通信无法比拟的优点。

本文设计的是红外线立体耳机系统，红外线耳机是70年代末在国外发展起来的产品，近几年国内也有研制和生产红外线耳机的报道。

它是利用红外线技术进行无线传送的新型音响辅助设备。

它可以使你不必用零乱而麻烦的电线，就能获得高音质放音。

第一章系统设计方案和工作原理

1.1系统总体设计方案

一、技术指标：

1、传输距离：

5米≤距离≤10米

2、采用光源：

半导体激光器或红外发光管

3、信号频率范围：

40HZ~5KHZ

二、系统设计方案

图1-1，1-2分别为发射机和接收机的设计框图。

放射电路由AGC放大器、频率调制器、驱动电路及红外线发射电路组成。

接收电路由前置放大、选频电路、频率解调电路、功放电路及耳机组成。

图1-1发射机设计框图

图1-2接收机设计框图

1.2频率调制红外线通信的基本原理

图1-3为频率调制红外线通信的原理框图。

图1-3（a）为发射机原理图。

在这种调制方式下，音频信号首先对某一适当频率的副载波进行频率调制，再用这个被调制频率的信号对光源进行调制。

图1-3频率调制红外线通信的原理框图

在频率调制中，输出光信号的幅度不变，而输出光信号的频率随着输入音频信号的幅度而变化，即输出光信号为调制光脉冲。

调频原理如图1-4所示。

图1-4音频信号的调频

在频率调制红外线通信中，调制脉冲对光源的调制为脉冲调制，其调制原理如图1-5。

图1-5光源的脉冲调制

在这种调制方式中，作用于红外发光二极管的驱动电流为脉冲电流，故输出的光信号为光脉冲，而频率在不断变化。

放大与压缩电路的作用是控制加到频率调制电路音频信号的幅度，以免产生调制失真[2]。

图1-3（b）为接收机原理图。

前置放大器将红外接收二极管收到的调频红外线脉冲进行足够的放大，然后进行限幅。

限幅后的调频信号送频率解调电路，将音频信号解出。

最后由功率放大器推出发声器件。

在频率调制红外线通信电路中，所传送的红外线信号幅度不变，不会受外界光的干扰，因此，这种通信方式较幅度调制通信方式有较高的信噪比。

这就意味着距离可以延伸。

在频率调制红外线通信中，频率调制与解调电路的中心频率一般为几十kHz~几百kHz。

第二章发射系统

2.1频率调制

在频率调制红外线通信系统中，频率调制与解调器便是这种通信系统的关键电路[3]。

一、频率调制器

频率调制器实际上是一种压控振荡器，它的振荡频率随输入的控制电压（即音频信号）的大小而变化，即将所要传输的音频信号反映在压控振荡器的频率变化上。

而这种频率的变化是以某一中心频率（即载波频率）为基准的。

这就要求载波频率有一定的稳定度。

否则，会造成通信信号的严重失真，甚至使通信无法进行。

另外，还要求频率调制器的频率偏移应与音频信号的大小成正比，即线性调频。

下面介绍几种在红外线通信中常用的频率调制器。

1、555时基电路构成频率调制器

VC时基电路555的控制端（即第5脚）电位的变化，将使555中上、下两比较器的阈值电平发生变化，如果令555时基电路构成方波振荡器，其VC端不悬空，而是输入一音频信号，这就构成了频率调制器。

电路如图2-1所示。

与通常的多谐振荡器一样，电源通过RA和RP对C充电，C上的电位逐渐上升，当上升到VC值时，电容开始放电，当电容放电到1/2VC时中，输出状态发生翻转，电容开始充电周而复始，形成振荡。

可见，电容C的充放电时间是与控制电压VC有关的，从而实现了VC对振荡频率的调制。

输入信号为零时的载波中心频率可由RP来调整。

改变RP也就改变了时基电路555的VC的静态电压，从而就可以改变振荡频率。

当然也可以通过改变RA或C的数值来改变中心频率。

采用555时基电路构成的频率调制器，电路比较简单，若用NE555、LM555等TTL型时基电路，还可直接驱动红外发光器件。

图2-1555电路构成频率调制器

2、CMOS门电路构成频率调制器

由CMOS非门可非常方便地构成一个简单的频率调制器，如图2-2所示。

图2-2CMOS非门构成频率调制器

在R2两端并上一个N沟道MOS管，音频信号加在它的栅极上，当音频信号变化时，MOS管的沟道电阻也随之变化，从而使振荡频率随输入音频信号而变化。

从而实现调制。

二、锁相环构成频率调制器

采用锁相环路实现频率调制，在红外线通信中应用很广。

它具有中心频率稳定度高，调制指数大等特点。

频率调制是将音频信号加在压控振荡器的控制输入端，利用压控振荡器的中心频率跟踪输入信号的变化而实现。

在压控振荡器的输出端得到的便是调频信号[4]。

TTL音频锁相环LM567是美国国家半导体公司（NSC）产品。

图2-3LM567内部结构

图2-3是LM567的内部框图，它由相位比较器、压控振荡器、正交相位检波器、逻辑输出放大器等几部分构成。

图2-4是作选频时的电路。

LM567的第5脚和6脚外接定时电阻和电容决定锁相环内部压控振荡器的中心频率。

第2脚对地接电容C2为相位比较器输出的低通滤波器。

第2脚所接电容C2对锁相环的捕捉带宽BW有影响。

C2及压控振荡器中心频率越大，捕捉带宽BW越窄。

因此，在输入信号幅度及压控振荡器频率已确定的情况下，可通过改变低通滤波电容C2来扩展或收缩捕捉带宽。

第一脚对地接一电容C1为正交相位检波器的输出滤波，其外部功能作如下描述：

第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV，最佳值为200mV左右。

图2-4LM567选频电路

1、当LM567的输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率f0附近时，逻辑输出端8脚将由原高电平变为低电平，输出一个负脉冲。

可见，利用LM567的8脚输出，不仅可以实现选频，而且还有脉冲形成功能，用8脚输出的负脉冲去触发记忆电路，最终便可实现某种功能的控制。

LM567作为选频电路，具有电路简单、功能多、体积小等优点。

LM567作为选频电路时的结构如图2-4所示。

改变RP可非常方便地改变选频频率。

由于8脚为集电极开路输出，故实际应用时，其8脚应接一上拉电阻R1至电源正极VDD。

2、如果在LM567的2脚（实际上是内部压控振荡器的控制端）加入音频信号，则它将使压控振荡器的5脚输出受2脚信号调制的调频信号。

利用这一功能可以实现对信号的频率调制。

应当说明，调制信号的中心频率f0是由5脚和6脚的外接阻容元件确定的。

3、如果在3脚输入一用音频信号调制的调频信号，且调频信号的中心频率f0与LM567内部压控振荡器中心频率f0相同时，第2脚将输出调制信号的解调信号。

对信号的频率调制与解调，在红外光通信电路中有着广泛的应用。

频率调制与解调电路如图2-5（a）、（b）所示。

LM567的主要参数如下：

（1）电源电压4.75~9V，

（2）静态工作电流8mA，（3）最高工作频率500kHz，（4）8脚最大吸收电流100mA。

图2-5LM567频率调制与解调电路

2.2基本驱动方式

红外发光二极管是一种电流驱动器件。

基本的驱动方式有恒定直流电流驱动、脉动直流电流驱动和交流电流驱动三种[5]。

一、恒定直流电流驱动方式

图2-6红外发光二极管的恒定直流电流驱动

驱动电路及驱动原理如图2-6（a）、（b）所示。

在图2-6（a）中，U为驱动电压，R为限流电阻，驱动电流IF=U-UF/R，式中UF是红外发光二极管的正向压降。

由于是直流电流驱动，其驱动电流也就是正向平均工作电流。

因此，实际工作电流不要超过器件参数给出的正向工作电流数值。

由于是恒定直流驱动，红外发光二极管发出的也是光强恒定的红外光，如图2-6（b）所示。

这种驱动方式常用于简单红外光控电路。

二、脉冲直流电流驱动方式

驱动电路及驱动原理如图2-7（a）、（b）所示。

在图2-7（a）中，驱动电压U为脉冲电压，所以发光二极管的驱动电流也为脉冲电流。

红外光的有效传送距离正比于驱动峰值功率，而峰值功率又与所加驱动峰值电流成正比，所以，为了提高红外光的传送距离，应加大驱动峰值电流。

红外发光二极管参数中给出的工作电流是指平均工作电流。

当用脉冲电流驱动时，其驱动电流的平均值只要不超过参数给出的工作电流即可。

因此，可在保持脉冲电流周期T0不变的情况下，减小脉冲电流的上平顶宽度Td来减小平均工作电流，而采用减小限流电阻R的方法，提高峰值工作电流。

这样，就可在保持平均工作电流不变的情况下，提高峰值工作电流。

红外发光二极管直流平均工作电流IF与峰值工作电流IP之间有下列关系式：

IP=IF

（2.1）

式中，T0/Td为脉冲电流的空度比。

可见，空度比较大，允许的峰值电流也越大。

例如：

红外遥控中常用的小功率红外发光二极管的参数中，IF=100mA，若驱动脉冲电流的空度比T0/Td=25，则峰值驱动电流IP=100×

=500mA，达IF的5倍。

图2-7（b）用图示法画出脉冲直流电流驱动的原理，可见，在脉冲驱动电流的驱动下，红外发光二极管发出是同频率的脉动红外光。

为了减小发射器电源消耗，延长红外发光二极管使用寿命以及提高遥控发射距离，在红外遥控发射器中，红外发光管一般都采用脉冲直流电流驱动方式。

图2-7红外发光二极管的脉冲直流电流驱动

那么，遥控电路中脉冲驱动电流的空度比取多大合适，是否越大越好呢？

这个问题在设计电路时是要注意到的。

由于受红外发光二极管响应时间tw的限制，脉冲电流的上平顶宽度Td不能太窄，否则，红外发光管来不及响应，脉冲电流就消失了。

实际电路中，Td应大于tw一定数值，可取Td≥10tw=10×10-7=1（μs）。

然后再根据T0/Td计算出空度比。

这里T0是驱动脉冲电流的周期，为发射频率的倒数。

采用脉冲直流驱动还有一个好处，就是提高了红外遥控系统的抗干扰性能。

由于发射管发出的是脉动红外光，且具有特定变化频率，而日光、灯光等光线均不是脉动红外光，因此可以通过接收器中的一些电路使它们与红外脉冲分离开，将日光、灯光等杂散光干扰滤掉。

这样就保证了红外遥控系统在日光、灯光等光线下能可靠工作。

由以上可见，采用脉冲直流电流驱动有以下优点：

一是提高了作用距离；二是提高了抗干扰性能；三是降低了发射器电源消耗，延长了电池使用时间，这就可以选用较小容量的电池，从而减轻了发射器重量。

三、交流电流驱动方式

驱动电路及原理如图2-8（a）、（b）所示。

这种驱动方式主要应用在近距离简单红外光通信电路中，如简单红外线耳机等。

在图2-8（a）中，为

图2-8红外发光二极管的交流电流驱动

了使红外发光二极管工作在输出特性曲线的线性区，预先给它提供了一个偏置电流I0，I0与输出特性曲线的交点Q为红外发光管的工作点，如图2-8（b）所示。

这样，在交流驱动电流的驱动下，工作点就在输出特性曲线上，上下移动，发光管发出的红外光的幅值和相位按驱动电流的波形而变化。

在这种驱动方式下，要控制驱动交流电流的大小，以免发光二极管进入非线性区，产生非线性失真。

2.3红外发光二极管

2.3.1结构原理

红外发光二极管是只有一个PN结的半导体器件，它与普通发光二极管（红、绿、黄发光二极管）结构原理与制作工艺基本相同，只是所用的材料不同。

制造红外发光二极管材料有砷化镓、砷铝化镓等，其中应用最多的是砷化镓。

在一块砷化镓半导体中，采用半导体掺杂工艺使其一部分为P型半导体；另一部分为N型半导体。

在P型和N型半导体交界面就形成半导体PN结。

P区多数载流子为空穴，少数载流子为电子；N区多数载流子为电子，少数载流子为空穴，并且具有一定的内电场，其能带结构如图2-9（a）所示。

当给这个PN结加上正向电压时（P区接正电压，N区接负电压），

图2-9PN结注入发光能带图

在外加电压的作用下，内电场被抵消。

这样，N区的多数载流子（电子）

在外电场的作用下注入P区，同时，P区的多数载流子（空穴）在外电场的作用下注入N区。

如图2-9（b）所示。

实际上，外加正向电压作用就是加强了多数载流子的扩散运动。

这些注入P区的电子和注入N区的空穴，对于注入区来讲都是非平衡少数载流子。

这些非平衡少数载流子不断与注入区的多数载流子复合，将原来从外加电场吸收的能量以光子的形式释放，从而发出光来。

这种发光过程叫辐射复合。

这与导带中的电子到价带上与空穴复合一样，要释放出禁带宽度EG大小的能量，这种能量的释放是以发光的形式来进行的。

这就是PN结发光的基本原理[6]。

发光二极管发出的光波波长与所用材料禁带宽度EG有关。

发光波长λ与半导体材料的禁带宽度EG之间的关系为：

λ=

m（2.2）

砷化镓材料的禁带宽度EG≈1.43eV，所以砷化镓红外发光二极管的发光波长λ≈0.89μm，为不可见的近红外光。

用砷化镓材料制成的红外发光二极管的发光效率较高，可达成3%，如果输入100mW的电功率，可获得3mW的红外光输出。

另外，采用半导体制作工艺，还可以在一定范围内控制器件的发光波长。

红外发光二极管一般采用环氧树脂、玻璃、塑料等透明材料封装，除白色透明材料封装外，还可以见到用蓝色透明材料封装的发光二极管。

红外发光二极管按发光功率的大小，可分为小功率（几mW）、中功率（几十mW）、大功率（几百mW）三种。

另外，红外发光二极管除顶面发光型，还有侧面发光型。

小功率管一般采用全塑封装，也有部分是采用陶瓷底座，顶端用玻璃或环氧树脂透镜封装的；中大功率管一般采用带螺纹金属底座，以便安装散热片。

随着发光功率的提高，相应的管子的体积也增大[7]。

2.3.2特性与参数

一、基本特性

1、伏安特性

红外发光二极管的伏安特性如图2-10所示，与普通二极管的伏安特性相似。

由图可见，红外发光二极管的正向压降UF与材料及正向电流有关，砷化镓红外发光二极管的UF在1~2V之间。

小功率管的UF=1~1.3V；中功率管的UF=1.6~1.8V；大功率管的UF≤2V。

在使用时应注意驱动电源电压的数值应大于红外发光二极管的正向电压降UF，否则不能克服死区电压（内电场）产生正向电流IF[8]。

图2-10红外发光二极管的伏安特性

红外发光二极管的反向击穿电压UR较低，为5~30V，因此使用中要注意其反向电压不得超过5V，否则器件就会损坏。

2、输出特性

红外发光二极管的输出特性曲线，就是其输出光功率P0与正向工作电流IF之间的关系曲线，如图2-11所示。

由图可见，在工作电流IF较小时，输出光功率P0与工作电流IF成线性关系。

当工作电流IF较大时，曲线产生了弯曲，P0与IF不再成线性关系，出现了非线性区。

在红外遥控中，红外发光二极管一般工作在开关状态（数字调制），因此，对于输出特性曲线的线性没什么要求。

当用于简单的红外通信时，红外发光二极管工作在幅度调制状态（模拟调制），只要将工作电流限制在线性区就可以了。

图2-11红外发光二极管的输出特性

3、辐射光谱

辐射光谱是指红外发光二极管的发射光强I与发射光波长λ间的关系曲线，如图2-12所示。

由于红外发光二极管的是非相干光，因此发

图2-12红外发光二极管的辐射光谱

光光谱有一定宽度，峰值波长λp为0.88~0.94。

红外发光二极管发出的近红外光中，波长为λp的光强最大。

4、指向特性

红外发光二极管的指向特性是指它的发射光强与几何角度的关系，是由封装透镜的形状及管芯与顶端的位置决定的。

图2-13（a）、（b）分别画出了球面透镜封装与平头封装的红外发光二极管的指向特性曲线。

图2-13红外发光二极管的指向特性

由图可见，球面透镜封装的管子指向角度较小，在偏离直线发射中心线（0º发射角）10º位置上，发射光强只有0º位置上的50%。

平头封装的管子指向角度大些，在偏离0º发射角40º时的发射光强为0º位置上的50%。

采用多只发光管并列安装的方法，可以改善发射光线的指向特性。

由于近红外线具有可见光的反射特性，当红外遥控器在室内使用时，发射管不必面对接收管，靠室内墙壁及家具对近红外光的发射作用，将红外光反射到接收管，也可以实现遥控。

这是红外光的一种重要特性，利用这一特性，不仅可以方便控制，且可以构成反射式红外光电控制器。

二、主要参数

1、正向工作电流IF

是指管子长期工作时，允许通过的最大平均正向电流。

因为电流通过PN结要消耗一定的功而引起管子发热，若管子长期超过IF运行，会因为热而烧坏。

因此，使用中管子的最大平均正向工作电流不得超过IF。

2、光功率P0

是指输入到发光二极管的电功率转化为光输出功率的那一部分。

光功率越大，发射距离越远。

3、峰值波长λp

是指红外发光二极管所发出近红外光中，光强最大值所对应的发光波长。

在选用红外接收管时，其受光峰值波长应尽量靠近λp。

4、反向漏电流IR

是指管子未被反向击穿时反向电流的大小，希望它越小越好。

5、响应时间tw

由于红外发光二极管PN结电容的存在，影响了它的工作频率。

现在，红外发光二极管的响应时间一般为10-6~10-7s，最高工作频率为几十MHz。

2.4发射电路

图2-14为发射电路。

电路的上下两部分是对称的，我们以上面部分电路为例，说明此电路的工作原理。

来自音响设备R声道的音频信号，经R1和R2分压后送入由VT构成的放大器。

C1和R3组成预加重电路，将音频信号的高频成份进行提升。

然后由VT1进行放大，放大后的信号经RP调节后加到锁相环LM567-1内部压控振荡器的输入端2脚。

另外，经VT1放大后的信号由VT2进一步放大后，再经VD1、C6构成的半波整流电路整流，在结型场效应管VT3的栅极产生负压，信号愈强，负压愈大，VT3的漏源电阻RDS愈大，VT1射极负反馈电阻愈大，VT1的电压增益减少，使输出电压降低，从而使输出电压稳定在一定范围内，以免产生调制失真。

LM567-1的5脚输出受2脚音频信号调制的调频信号，其中心频率设定在110kHz。

中心频率由LM567-1的外接阻容元件R11和C9确定。

调节电位器RP就可改变输入到LM567-1的信号电平，实际上就是对发射频率的频偏控制。

如果输入信号过强，将会引起过度偏离，导致接收机的失真；如果输入信号过弱，频偏过小，导致接收机信号噪声过大，甚至无法接受。

通过调节RP，可使锁相环输入的音频信号符合要求，且由自动增益控制（AGC）电路将信号维持在一定幅度。

调频信号经VT4驱动红外发光二极管VD2~VD6发出红外调频信号。

采用多只红外发光二极管是为了增大辐射面积。

L声道的频率调制与发射电路和R声道完全相同，只是锁相环LM567-2的中心频率设定在250kHz[9]。

图2-14发射电路

发射电路采用稳压电源供电，电源电路如图2-15所示。

图2-15电源电路

第三章接收系统