红外光通信装置.docx

红外光通信装置（F题） 摘 要 本设计要求设计一个红外光通信装置，通过确定红外发光管和接收管的静态工作点，使其工作于线性区，使得音频信号可以直接调制红外光强，从而实现语音红外通信。发挥部分采用MSP430单片机采集温度信息并通过38KHz的载波进行OOK调制，利用加法电路实现与音频信号的频分复用。本设计还通过加入中继转发节点增加了传输距离并改变了传输方向。在系统接收端分别通过高通和低通滤波器滤出低频语音信号和高频温度调制信号，并经耳机输出声音信号，同时将温度信息在LCD12864上显示。本系统在2m距离上利用红外装置实现了信号的顺利传输，通过中继成功实现了4m距离的信号传输，其他测量结果均满足要求。系统数字信道部分采用信道编码，提高了通信传输质量。 PAGE 5 1 系统方案 1.1 方案比较与选择 1.1.1调制方式选择 方案一：采用数字调制。利用专业芯片将语音信号经过一定的编码，如PCM编码、增量编码等，转换成数字信号，将其与单片机采集的温度信号通过TDM组帧，并发射、接收。 方案二：采用模拟调制。语音信号通过模拟方式对光强进行调制，温度信号通过OOK调制成38KHz的数字信号与语音信号做频分复用，并发射、接收。 方案一经语音编码后的速率高（如PCM芯片编码后的速率为64Kbps）,这一速率对红外对管的工作频率要求较高，因此很难找到合适的器件；方案二实现简单，虽抗干扰能力差，但本系统要求传输的距离短，且红外光方向性好，弥补了这一缺点，因此在本设计中采用方案二。 1.1.2数字温度信号调制方案选择 方案一:采用OOK方案，以数字基带信号来控制载波的开启与关闭，很多红外遥控器采用该方案，且有现成的解码芯片可使用，解码方便。但OOK的信号抗干扰能力较差。 方案二：采用FSK方案，以数字基带信号来控制载波频率，优点是抗干扰 能力强，缺点是调制和解调电路都很复杂 。 综合两种方案，采用OOK方法更容易实现信号的调制和解调，其抗干扰能力可以通过适当增加发射功率来改善。因此在本设计中采用方案一。 1.1.3 中继转发选择 方案一：直接转发，即光收二极管收到信号后直接通过红外光发二极管发送。其优点是中继电路设计简单，中继功率小，缺点是接收端信号容易产生一定失真。 方案二：中继接收到信号经过滤波、整形、解调、放大后再转发。优点是信号传输距离大，信号失真度小，缺点是电路设计复杂，中继功耗大。 综合两种方案，采用直接转发可以对功率有较好的控制，对于可能出现的误码可以在接收端通过滤波放大整形之后再检波还原出输入信号。因此在本设计中采用方案一。 1.2 方案描述 1.2.1 整体方案流程 本系统主要由三个模块组成：发送模块，中继模块和接收模块。系统由耳机输入音频信号，由MSP430单片机采集温度信号。发送模块负责将音频信号和经过OOK调制的温度信号通过频分复用合成后，利用红外发光管发送出去；中继模块负责接收发送模块的信号，然后利用红外发光管转发出去；接收模块接收发送模块或中继模块发送的信号，进行光电转化后经高、低通滤波器分离低频音频信号和高频温度信号，并分别输出。 发送模块 发送模块 音频信号中继模块 音频信号 中继模块 红外发射温度信息OOK调制加法器 红外发射 温度信息 OOK调制 加法器 38KHz载波发送 38KHz载波 发送 传 送并中继 MSP430 MSP430 接收 接收 LCDMSP430包络检波高通滤波接收模块红外接收 LCD MSP430 包络检波 高通滤波 接收模块 红外接收 耳机放大输出低通滤波器器 耳机 放大输出 低通滤波器器 图 图1 整体方案系统框图 2.1 通信原理分析 图2 图2 红外发光管 V-I特性曲线 图2为红外发光管工作的电压-电流（V-I）特性 曲线。红外发光管具有与一般半导体三极管相似的伏 安特性曲线。在AB段，电流随着电压增加而近似于 线性增加，发光强度也随之增强，因而可以利用这一 特性实现光强调制。为了保证输入有较大的动态范围， 将静态工作点选在AB的中间段。 接收端输出电流的大小与接收光强度也存在着非 线性关系，因此必须将静态工作点设置在线性区AB 中间，才能得到较好的光电转换。 2.1.2高频数字信号和低频语音信号频分复用分析 根据频分复用原理，不同频率的信号占据不同的频带，可实现对信道的复用。由于语音信号的频率（300-3400Hz）较低，已调温度信号频率（载波频率为38KHz）较高，可通过加法器将两路信号合成，然后接收端分别通过低通、高通滤波器将两路信号分离，使两路信号能够同时传输，实现信道复用。接入数字信号后对语音信号有影响，因此采用了灵敏度高的数字信号解码芯片CX20106A，从而