雙信號單通道紅外光傳輸

楊 奕,廖鳴宇,龍 楊

(1.重慶市能源互聯(lián)網(wǎng)工程技術研究中心,重慶 400054;2.重慶理工大學電氣與電子工程學院,重慶 400054)

1 引 言

隨著線纜音頻傳輸發(fā)展在各行各業(yè)中達到了瓶頸期,市場對無線音頻傳輸裝置的渴求日益增多。而實際上無線音頻傳輸信號的效率和通訊質量始終是一大難題,以無線音頻傳輸以及信號傳輸質量為切入點,提供一種受雜波干擾小,不占用通信、廣播頻道,保密性好,音質好,安裝使用方便的無線音頻傳輸方式,將為市場解決無線音頻傳輸需求這一難題,促進通信技術的發(fā)展。

本研究提出了一種紅外光通信技術,采用了PFM與PWM兩種調制方式,在一個通道中同時傳輸兩種信號并且實時傳輸,增加了通道的利用性,使得音頻設備得到了極大的簡化,保留了信號的真實性。同時加入了低功耗的傳輸中繼站,使信號能多方向傳輸并且傳輸?shù)酶h。

2 通信技術原理

調制、解調使用最多的方式有三種。一是調節(jié)脈沖頻率來實現(xiàn)頻率調制(PFM)；二是調節(jié)脈沖寬度來實現(xiàn)脈寬調制(PWM)；三是調節(jié)脈沖串之間的時間間隔來實現(xiàn)脈時調制(PPM)。但由于脈時調制傳輸時間比較長,因而不能有效地傳輸音頻信號。

選擇具有調頻特性的脈沖頻率調制,使中繼傳輸和再生整形信號的脈沖形式更為簡便。從而能夠使系統(tǒng)線性的容限變寬。同時該方式的抗干擾能力強,傳輸信噪比較高。考慮到當前設備對傳輸通道的利用率低下,所以本設計方案采用的是脈寬調制(PWM)與頻率調制(PFM)相結合的方法進行信號調制,并且同時傳輸。

3 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示,由于涉及大量的數(shù)據(jù)處理,故MCU采用增強型FPGA。該處理器具有雙采樣功能和保持功能,并且數(shù)據(jù)處理頻率高,存儲運算能力強。

設計中調制與解調均采用頻率調制(PFM)和脈寬調制(PWM)方法。其傳輸過程如下,首先語音信號通過濾波、放大等操作,接著發(fā)射端FPGA便對該信號進行采集。通過紅外發(fā)射與接收裝置傳遞該采集信號。最后接收端FPGA采樣接收信號,經過D/A轉換、濾波放大后輸出[1-2]。

圖1 裝置總體設計框圖

4 硬件電路設計

該設計的發(fā)射裝置與接收裝置沒有使用集成芯片,只使用電容、電阻和開關管等基本元器件。信號的整形放大電路則采用的共射級放大電路來實現(xiàn)。

4.1 紅外發(fā)射電路

發(fā)射電路損耗包括紅外發(fā)射管和限流電阻的功率損耗,在整個裝置中功耗最大。與集成功放相比,紅外發(fā)射驅動性能更好、效率更高,電路更為簡便。由于紅外發(fā)光管發(fā)光功率并不是完全相同的,采用全部并聯(lián)紅外發(fā)光管使用效果不佳,因此采用兩組串聯(lián)紅外發(fā)光管發(fā)射電路再并聯(lián)的方式。其中每一組由三個紅外發(fā)光管串聯(lián)組成,供電端由功率三極管驅動的三個4700 μF的耐壓大電容以儲存能量。若檢測電源供電電流過大,則在電路中加入測試后合適功率負載限流。

功率負載R與紅外發(fā)光管個數(shù)n應滿足以下關系:

Ip=(Vcc-nVd)/R

(1)

(2)

式中,驅動電壓Vcc、管壓降Vd、峰值電流Ip均為定值。為提高電路的功率利用率,功率負載上的功率Pr越小越好,發(fā)光管個數(shù)n應無線接近Vcc/Vd[3-5]。

經檢驗分析,令:Vd=(2.5～2.9)V,Vcc=12 V,R=10 Ω。求得峰值電流Ip=1.5 A。

4.2 紅外接收電路

接收電路由三極管構成共射放大電路,驅動管采用高頻開關管降低功耗提高裝置精度。電容C1提高電路抗干擾能力。三個紅外接收管并聯(lián),接收電路對弱光信號的拾取能力強,有效傳輸距離更遠。

輸入信號有紅外發(fā)光管接收,經100 pF的電容C1濾波后,耦合到第一個三極管Q1的基極[6-7]。為實現(xiàn)信號進行三級放大整形。在三個三極管上,直流穩(wěn)壓電源通過電阻給發(fā)射結提供正向偏壓,并給集電結提供反向偏壓,使三極管工作在放大狀態(tài)。也可調節(jié)電位器,改變集電極輸出電壓的同時,改變的基極偏置電壓,使得三極管處于放大狀態(tài)。

4.3 中繼轉發(fā)裝置

中繼轉發(fā)裝置的設計使電路簡便,是發(fā)射電路和接收電路的擴展。為了避免傳統(tǒng)光通信對點傳遞數(shù)據(jù)的不足,使用了30°的定向大功率紅外發(fā)射管,并制作了一個特別的結構。

用多層圓形電路板搭建成類似球形的結構,所有板子的圓心被一根軸貫穿,并將每層電路板之間保持一定距離,使所有發(fā)射管的外表面構成了一個空間球形。這樣的結構能夠使得每個方向都能發(fā)射出信號[8]。

同時,為了提高中繼器的應用范圍,以用2000 mA,11 V的蓄電池為中繼電路供電。在保證傳遞信號不失真的情況下,通過改變繼接收裝置共射級放大電路第一級開關管集電極電阻,同時增大中繼發(fā)送裝置功率負載的阻值,使功耗進一步減少。

5 理論分析

本設計的核心技術是在一個通道同時傳輸兩種信號,實時進行。采用先處理PFM信號后處理PWM信號的順序。信號處理過程中,首先需要對信號進行調制。在PFM信號的調制解調過程中,先對正弦波進行50 K的固定頻率采樣。設所采到的電壓值分十個等級0.1～1 V,如圖2所示。分別對應210～300 K的PFM,采到0.1 V即發(fā)送210 K的PFM,以此類推。并且根據(jù)奈奎斯特定理,采樣頻率應大于信號最高頻率的兩倍[9-13]。發(fā)送PFM的時候會有相應的延時,此延時也能有效避免信號重疊所導致的亂碼。

圖2 雙信號采樣圖

在第一個5 μs內利用FPGA的ADC對另一信號采集到特定的電壓值。轉換成相應的脈寬,例如采樣到了0.8 V的電壓轉化為80%的占空比,于是在第一個采樣周期內發(fā)送了一個頻率為210 K占空比為80%的PWM。解調時先對PFM解調后對PWM解調,如圖3所示。

圖3 雙信號解調圖

在紅外接收端,會出現(xiàn)如圖4所示問題,在發(fā)送的PWM的頻率改變處會使得占空比的識別出現(xiàn)誤差。針對這樣的情況,在接收到每個PWM波時捕獲該PWM的頻率,設第一次捕獲到的PWM記頻率 為f11,對應的占空比為Δ11。與下一時刻記錄的頻率f12作比較。如果f11=f12,則繼續(xù)解碼該頻率下的占空比；如果f11≠f12,則令Vf11=Vf12保持輸出f11對應解碼的電壓值。繼續(xù)比較f12與f13,若f12≠f13,輸出電壓值為Vf12；若f12=f13,則輸出f13所對應的電壓Vf13。據(jù)此來減小在頻率變化出占空比識別出錯率高的情況[14]。

6 系統(tǒng)軟件設計

該部分主要由信號處理發(fā)送模塊、信號接收處理模塊兩部分組成,而連接這兩個部分的裝置,將采用紅外光通信,為保證正確識別、接收信號,可以采用同步傳輸協(xié)議；采用同步傳輸協(xié)議可以使得發(fā)送和接收同步進行,再利用單片機對音頻信號進行PFM、PWM的調制與解調,由此便可實現(xiàn)音頻信號的無線傳輸。

6.1 信號處理發(fā)送模塊

發(fā)射機程序中共有發(fā)送校準模式、音頻傳輸模式兩種模式,其流程圖如圖5所示。

圖5 發(fā)射裝置程序流程圖

6.2 信號接收處理模塊

接收裝置程序流程圖如圖6所示,在接收程序中,首先檢測接收的信號是否異常；當發(fā)現(xiàn)信號出現(xiàn)異常時,點亮指示燈報警；無異常情況時,進行 PWM捕獲中斷和PFM捕獲中斷,并根據(jù)同步傳輸協(xié)議解析信號和進行DA還原音頻信號[15]。

7 測試方案與結果

7.1 測試方案

1)測試傳輸距離對信號的影響,令負載阻值為8 Ω；

2)測試最小中繼電流,令中繼裝置供電電壓為5 V；

3)測試輸入信號為1～3 kHz時的選頻效果,并觀察波形的失真程度；

4)測試輸入、輸出信號的差別；

7.2 測試結果

1)傳輸距離測試

發(fā)射端輸入頻率1 kHz,幅值為1 V的單音信號。輸出端接8 Ω電阻負載。傳輸方式為直傳時,改變發(fā)射裝置和接收裝置距離L,得到紅外接收管兩端的PWM波占空比D；分別測試距離為L1、L2、L3、L4時發(fā)送的PWM占空比D1、D2、D3、D4和接收到的PWM占空比D11、D22、D33、D44。其占空比與傳輸距離的關系如表1 所示。

表1 傳輸距離測試

由表1數(shù)據(jù)分析可知,L=3 m和L=12 m時傳輸?shù)腜WM占空比失真度大,在L=6 m和L=9 m時,占空比D≤20%和D≥80%的時候有失真,但失真度較小；在20%≤D≤80%范圍內基本無失真。

由表1得出傳輸距離測試圖如圖7所示,在距離較近和較遠的情況下PWM失真度大,在距離適中如6～10 m范圍內PWM失真小,且失真體現(xiàn)為兩側向中間壓縮,在遠距離傳輸?shù)那闆r下我們只需要在20%到80%中調節(jié)占空比即可,對線性失真進行非線性修正。

圖7 傳輸距離測試

2)中繼站電流

為中繼裝置提供5 V的電壓,輸入1 kHz單音信號。令發(fā)射裝置和中繼裝置之間的距離L5=5 cm；中繼裝置與接收裝置距離L6=5 cm。得到其中繼電流,通過公式計算得到功率。只改變輸入信號,將單音信號改為音頻信號,其他條件均不變,測得該狀態(tài)下的中繼電流和功率。兩次結果如表2所示。

表2 中繼電流測試表

該項測試實驗證明了該系統(tǒng)實現(xiàn)了中繼轉發(fā)超低功耗的傳輸。若采用性能更為優(yōu)良的發(fā)送、接收紅外開關管,中繼電流能夠實現(xiàn)進一步降低,達到節(jié)能要求。

3)信號的選頻效果測試

當發(fā)送裝置輸入信號頻率范圍為1～3 kHz,聲音無失真,效果良好。查看接收裝置輸出信號時,測出信號在500 Hz～3 kHz內無衰減,波形也完美,通帶內無起伏。

4)測試輸入、輸出信號的差別

利用信號發(fā)生器輸出兩路信號,分別是頻率為1 kHz、幅值為1 V的正弦信號和頻率為3 kHz、幅值為1.6 V的正弦信號到FPGA的兩個AD采樣端口,如圖8和圖9所示,然后用示波器查看FPGA的兩個DA輸出端口的信號；通過示波器查看,FPGA的兩個DA輸出端口分別輸出頻率為8.1 kHz,幅值為1 V的波形完整的正弦波以及頻率為12.1 kHz,幅值為1.59 V的波形完整的正弦波信號,如圖10和圖11所示；實驗結果表明,信號傳輸正常,誤差在要求范圍內。

圖8 PWM調制圖

圖9 PWM解調圖

圖10 PFM調制圖

圖11 PFM解調圖

7 結 語

本文設計了一種信號高精度傳輸?shù)募t外光通信裝置。通過PFM與PWM調制方式同時對音頻信號同時進行調制解調,實現(xiàn)了在一個傳輸通道里同時傳輸兩個信號,并且可以進行較遠距離、功耗較小傳輸。由于具有兩種調制方式同時處理,通道的利用率增大。該裝置發(fā)射電路和信號放大整形電路均使用分立元件構成,為本裝置的核心技術之一。裝置中設計PFM與PWM雙重調制,大大的增加了傳輸通道的可用性。

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