基于PWM的紅外語音通信裝置設計

魏西媛

摘 要：本文介紹了一種基于PWM調制技術的紅外光短程無線語音通信系統。系統可實現語音信號的定向傳輸，接收信號的噪聲小、傳輸時延小，通信質量優良。

關鍵詞：紅外光通信；語音信號；PWM調制

1 設計方案

本設計由語音信號采集模塊、紅外收發模塊、語音數據恢復模塊等組成。系統模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統模塊框圖

本設計采用PWM（Pulse Width Modulation）調制將模擬語音信號轉換為數字形式的脈寬調制信號，通過紅外發光管傳輸。紅外接收管對接收到的微弱紅外光信號放大后送入PWM解碼電路，實現音頻信號的恢復。由耳機輸出。原理框圖如圖2所示。

圖2 原理框圖

PWM調制使得模擬語音信號具有了數字形式特點，大大提高了模擬傳輸系統的傳輸可靠性，延長了通信距離。在接收端，通過積分網絡即可濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。所以PWM方式比傳統的D/A轉換器功耗小；PWM方式輸出的是電壓信號，可以直接驅動喇叭，克服了傳統的D/A轉換器不能直接驅動喇叭的缺點；PWM方式作為數字的方法具有工藝移植性好的特點。

PWM調制方案制作簡單、成本低、系統穩定、抗噪聲能力強，若采用專用PWM控制器TL494可使系統結構更簡潔、進一步提高系統的抗干擾能力和可靠性。

2. 理論分析與計算

語音信號頻率范圍為300～3400Hz，本設計中采用模擬信號的脈沖寬度調制實現模擬語音信號的數字形式變換，為保證模擬語音信號的無失真傳輸，選定脈寬調制載波為30kHz。

根據可計算得負載電阻上所得輸出功率。在測得紅外接收管接收信號強度時，可根據實際要求由此計算出接收端所需要的放大器增益，繼而確定放大器的設計方案。

3. 主要硬件電路

本設計利用波長940 nm的近紅外波段的紅外線作為傳輸信息的載體，語音信號經脈寬調制后由紅外發光管送出，接收端收到紅外脈沖信號后轉換為電信號，再經過放大、濾波、積分等處理還原成模擬語音信號輸出。

3.1 PWM前置放大及調制電路

語音信號的采集、放大和偏置處理由前置放大電路部分完成，以利于進一步調制。脈寬調制采用專用PWM控制器TL494對語音信號進行調制。

根據PWM調制原理，調制信號必須保持在載波信號峰值以內才能取得較好的效果。因放大倍數過大，可能會使部分峰值超過電源電壓的信號無法得到調制；而放大倍數太小，則會使調制后的PWM波形間距區分過小，這樣再經濾波還原后，波形失真可能較大。一般情況下話筒采集到的聲音信號的平均峰值約為200mV，為保證輸出信號滿足接收強度要求，將前置電路放大倍數設計為 1～10倍可調，偏置電

3.2 紅外管發射電路

紅外光收發功能應用IR333紅外線發射管實現，其響應速度快，靈敏度高，接收距離長，性能穩定可靠，體積小巧精致，操作方便。為提高紅外發射管的發射功率，設計時應盡量增大驅動電流，普通紅外發射管的額定工作電流可達數百毫安。因此，該系統中的發射電路和接收電路都是用三極管構成的簡單開關驅動電路。

3.3 紅外接收及收端前置放大電路

接收端采用紅外線接收管PT333實現940nm紅外光信號的接收，再由前置放大電路部分完成微弱信號的放大，以便于PWM信號解調。

3.4 PWM解調電路

由于本設計采用占空比調制模擬語音信號，使得載波脈沖信號的脈沖寬度受模擬語音信號控制，故在接收端對接收到的脈寬信號進行積分，再經過低通濾波就可以得到原始的模擬語音信號。

4 總結

本設計應用PWM調制方式對模擬語音信號進行數字形式變換，實現了940nm紅外光的近距離定向音頻信號傳輸。系統設計合理，電路結構簡單，抗噪聲能力強，在傳輸距離2m可實現基本無失真傳輸，傳輸時延小，通信質量優良。

紅外發射管和接收管若改用LD271、BPW34等精度較高的紅外管，其傳輸距離和傳輸穩定性等系統性能將會得到進一步的改善。為提高模擬信號的傳輸質量，在發送端可對模擬語音信號進行自動增益控制，使語音信號中占絕大比例的小信號的傳輸質量得到大幅度提高。

參考文獻

[1] 李祥臣. 通用模擬電路[M]. 北京： 中國計量出版社， 2001

[2] 康華光. 電子基礎（數字部分）. 高等教育出版社. 2001-4

[3] 文俊峰 喬曉軍 王成 等. 便攜式紅外收發器的設計與實現[J].光電子技術. 2006-26