一種紅外光音頻傳輸裝置的設計與實現

蘆瑞琪 楊溪遠

【摘要】本文講述了一種以紅外射線為傳輸介質的音頻信號傳輸裝置，本裝置是先將傳入的立體聲音頻信號轉換成單聲道信號，然后音頻信號放大、濾波;通過約90KHz三角波后調制為SPWM波驅動二極管經光電二極管輸出紅外光;通過紅外光進行傳輸，通過中繼轉發裝置接收后偏轉90度后再次發射。光電二極管接收傳入PWM紅外信號后進行解調，電流電壓轉化、放大、濾波，最后還原成音頻信號輸出。此裝置具有傳輸距離遠，失真度小，聲音清晰顯著等特點。

【關鍵詞】紅外光傳輸;SPWM調制;解調;中繼轉發節點裝置

1.引言

隨著年齡的增長，人們的聽力日趨下降，獲取信息的能力也在減弱。紅外光音頻傳輸裝置的出現為聽力衰弱的朋友們帶來了福音。聽覺好的成年人能聽到的聲音頻率常在30～16000Hz之間，老年人則常在50～10000Hz之間。本設計在紅外通信是利用950nm近紅外波段的紅外線作為傳遞信息的媒體的基礎之上，將音頻信號通過紅外光進行傳輸。中繼轉發節點裝置的意義在于將紅外信號進行轉彎，使它克服了只能直線傳輸的缺點。此裝置刻意將左右聲道的立體聲音效合并為單聲道音頻信號，有效地降低了節目中背景音樂及其它聲音，使得講話的聲音更為明顯和突出。

2.系統框圖設計

立體聲音頻信號被混合在一起形成一個單聲道信號，在發生裝置進行放大、濾波、比較等一些列處理，由此產生占空比可調的PWM波，進而驅動晶體管通過LED發射紅外光。中繼轉發節點裝置將光電二極管接收到紅外LED發射的PWM紅外信號經過轉換、濾波、放大再輸出，并且改變90度的角度。光電二極管接收傳入PWM紅外信號后進行解調，放大、濾波、最后輸出音頻信號，解調的另一路信號在液晶上進行溫度顯示。接收裝置在6V電源供電下經過放大、低通濾波后，從耳機放出。

圖1 系統結構框圖

Fig.1 Structure diagram of the system function

3.系統硬件電路設計

3.1 紅外發射裝置

傳入的兩路立體聲音頻信號產生的電壓信號被混合在一起以形成一個單聲道信號，依次通過同相放大電路以及濾波電路得到一路正弦波信號。另一路由施密特觸發器與D類觸發器產生一路方波信號，通過積分電路生成90KHz三角波形。LM311電壓比較器設計運行在更寬的電源電壓：從標準的±15V運算放大器到單5V電源用于邏輯集成電路其輸出兼容RTL，DTL和TTL以MOS電路。此外，他們可以驅動繼電器，開關電壓高達50V，電流高達50mA。因此我們選用LM311作為發射裝置的比較器。正弦波信號與三角波一同通過LM311進行比較，由此產生的占空比可調的PWM波，進而驅動晶體管通過LED發射紅外光。

3.1.1 音頻前置放大部分

輸入的左右聲道音頻信號被混合在一起輸入運算放大器，電阻與運算放大器構成同向比例運算電路，增大了輸入阻抗的同時降低輸出電阻。我們選擇LM833雙音頻運放作為核心，將電壓放大。根據同向比例放大電路[1]：

則信號被放大23倍。在輸入端引入6V偏置電壓，將音頻信號墊高，易于與三角波進行比較，從而產生PWM波。由于篇幅有限，此處前放電路省略。

3.1.2 有源低通濾波部分

被放大的音頻信號依次經過兩次濾波被從入比較器。在器件選擇方面我們仍然選用LM833以及通用型低噪聲JFET 運算放大器TL072.電路圖如圖2所示。

3.1.3 三角波發生電路

三角波的作用是用來調制音頻信號，對此有兩方面的要求。其一，調制后的信號可以被完整地恢復。根據Nyquist采樣定理[2]，三角波的頻率至少是音頻信號最高頻率的兩倍，由于人耳的所能夠聽到的聲音頻率范圍20Hz—20KHz，說明三角波的頻率應在 40 kHz 以上，為確保音頻信號的采樣，可取三角波的頻率為 90 kHz;其二，三角波要有穩定的頻率和幅度，否則，調制后的脈寬會產生變形，從而降低音頻輸出的信噪比，音質變差，噪聲增大。

在高頻的情況下，產生頻率、幅度穩定的三角波，對一般的波形發生器來說很難實現。利用積分運算電路可實現方波—三角波的波形變換。我們將4093B施密特觸發器設計成方波振蕩器[3]，其可實現180KHz的方波，之后，使用D觸發器4013B構成2分頻器將180KHz的方波分頻，依次通過積分電路即產生90KHz的三角波。由于篇幅有限，此處三角波發生電路省略。

3.1.4 PWM波發生電路與紅外輸出

為了簡單說明，我們以音頻信號為單一正弦信號為例來說明SPWM信號。等腰三角波稱為載波，而正弦波則稱為調制波[4]。當三角波的頻率發生改變時，輸出SPWM的頻率也隨之改變，同時也會影響到輸出電壓的變化。正弦波的幅度發生變化時，三角波的交點也將發生變化而導致輸出脈沖波的寬度發生變化，最終使得輸出電壓發生改變。當音頻信號大于三角波信號時，比較器輸出高電平，當音頻信號小于三角波信號時，比較器輸出低電平。值得注意的是：音頻信號的幅值不允許大于三角波信號的幅值，否則，結果是一個錯誤的PWM信號。如圖3所示。

圖3 SPWM波形成[4]

Fig.3 SPWM wave form[4]

經過放大、濾波后的音頻信號從B端與三角波信號從反相端進入，通過LM311電壓比較器比較，產生90KHz的SPWM波，從而完成調制。選擇通用LM311作為電壓比較器。產生PWM波形的LM311，驅動晶體管BC328為串聯在一起的6個LED以及一個電源指示燈D4工作。如圖4所示。

圖4 音頻信號的發射

Fig.4 Transmitting an audio signal

3.2 紅外接收裝置

光電二極管BP104接收到6個紅外LED發射的PWM紅外信號，通過LM833進行電流—電壓轉換，之后LM833放大電路，再次放大脈沖信號。根據反向比例運算電路[1]：

因此輸出端放大-10倍。LM311構成限幅器的作用，從而再次產生90KHz的PWM信號。整個電路需提供6V直流電源供電，如圖7所示。

生成的PWM波還需通過兩次低通濾波，進行解調，最后通過音頻放大器進行放大，最后分為兩路輸出。低通濾波器選用LM358AD，音頻放大器選擇LM386N。

3.3 中繼轉發節點裝置

中繼轉發節點裝置將紅外接收裝置的裝換、放大、限幅電路與紅外發射部分的三極管驅動光電二極管進行組合連接。即圖5中Vout與BC328相連接構成，用5V直流單電源供電，所以最多只能驅動3個發光二極管。發光二極管發射紅外光，通過接收部分輸出信號。

4.功能測試和結果分析

當接入手機音頻信號，在紅外發射端端波形較好。紅外接收端可以聽到傳輸過來的音頻信號，將發、收裝置角度調整后，即可聽到清晰聲音，無明顯失真、噪音干擾。當接收信號改到800Hz單音信號時，在8Ω的耳機電阻負載上，輸出電壓有效值不小于0.4V。不改變電路狀態，當減小發射端輸入信號的幅度至0V，采用低頻毫伏表（低頻毫伏表為有效值顯示，頻率響應范圍低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）測量此時接收裝置輸出端噪聲電壓，讀數不大于0.1V。

但存在一點不足之處，由于中繼轉發節點裝置電壓過低，導致轉發信號強度可能有些偏小，造成接收部分不易接收信號?？筛鶕嶋H適當提升電源電壓，以增加發射功率。

參考文獻

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第四版）[M].北京.高等教育出版社，2006.

[2]何子述.信號與系統（第一版）[M].北京：高等教育出版社，2007，5.

[3]閻石.數字電子技術基礎（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王賢江.高效AC_DC開關電源[D].成都：電子科技大學，2013（3）.

作者簡介：

蘆瑞琪（1992—），男，新疆哈密人，大學本科，現就讀于成都理工大學核技術與自動化工程學院輻射防護與環境工程專業。

楊溪遠（1993—），男，江西南昌人，大學本科，現就讀于成都理工大學核技術與自動化工程學院電氣工程及其自動化專業。