红外无线通信设计与实现论文

红外无线通信系统的设计与实现

摘要

红外无线通信，通常又叫红外光通信，是利用红外线传送信息的一种通信方式。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。利用红外线，可以构成无绳电话及无线耳机系统。红外线的传输距离不远，一般在十米以内，但可以避免频谱占用，信号失真等电气指标较易处理，应用于普通的办公室和家庭等场合应该已经可以满足要求。红外线的应用范围很广，电视机、空调、微波炉等凡涉及到遥控的家电，一般均采用红外线来作为信号传输的载体。本次设计的红外无线通信系统主要是传递音频信号。该系统是由发射模块和接收模块组成。发射模块的输入与音响设备相连接，从音响设备输出的音频信号调制红外光以后，由红外光发射机将调制的红外光向空间发射。红外无线系统的接收部分将接收到的已调制红外光进行解调，还原出音频信号，然后送到扬声器发出声音。本次设计的电路系统具有实用、成本低廉、使用方便的优点。

关键词红外线、发射、接收、调制、解调

Design and implementation of an

infrared wireless communication system

Abstract

Infrared wireless communication , typically called the infrared light communication is a communication method using the infrared transmission of information . Content transmitted by the infrared communication is varied , may be an audio signal or video signal. Using infrared , can constitute a cordless phone and wireless headset system . Far infrared transmission distance , usually in less than ten meters , but avoid spectrum occupancy , signal distortion and other electrical indicators easier to deal with , such as used in ordinary office and home should have to meet the requirements of the occasion . Infrared wide range of applications , where it comes to the TV remote control home appliances , air conditioners, microwave ovens , etc., generally used as an infrared signal transmission carrier. The infrared wireless communication system is mainly designed to pass audio signals. The system is composed of the transmitter module and receiver module . Enter the transmitter module with audio equipment connected to the audio signal from the audio equipment modulated infrared light output after the infrared light transmitter will emit modulated infrared light to the space. The receiving section receives infrared wireless system to demodulate a modulated infrared light , the reduction of the audio signal is then supplied to the speaker sound. The circuit design has a practical, low cost, ease of use advantages .

Keywords infrared transmitter and receiver、modulation、demodulation

目录

中文摘要 (Ⅰ)

英文摘要 (Ⅱ)

0 引言 (1)

1 红外发射系统

1.1 红外发射系统组成框图 (2)

1.2 红外发射系统的工作原理分析

1.2.1 直流稳压电源 (2)

1.2.2 音频放大电路 (5)

1.2.3 高频振荡电路 (6)

1.2.4 高频放大电路 (9)

1.2.5 频率调制电路 (10)

1.2.6 高频功放电路 (13)

2 红外接收系统

2.1 红外接收系统的组成框图

2.2 红外接收系统的工作原理分析

2.2.1 直流稳压电源 (14)

2.2.2 红外接收电路 (15)

3 红外通信系统的仿真

3.1 仿真软件的介绍 (16)

3.2 仿真调试 (17)

4.安装、焊接、调试及性能分析 (18)

5.结论 (21)

6.致谢 (22)

7.参考文献 (23)

0 引言

由于计算机与通信技术的高速发展，计算机通信技术得到广泛的应用，硬件技术总体趋势向着高集成度、高稳定性、高速和高性价比趋势发展。而红外无线通信系统是目前应用较为广泛的通信形式。

在我们的生活中，我们可能会在看电视、听音乐、上网为了不影响家人或者邻居休息，特地使用耳机，然而由于受到耳机线的束约多多少少给我们带来了些许不便。如果能有一款无线耳机的话，就会解决这些不便。我们可以用红外线作为传递的媒介，通过红外线来传递音频信号。红外无线耳机由于它的信号发射采用小巧的红外发射电路，不仅可以在室内用于电化教学、家庭电视和音响设备的音频信号无线接收，同样也能在户外使用便携式录音机、CD、VCD 及MP3时，方便地去掉耳机线，实现名副其实的无线“随身听”。它不仅带给我们无拘无束的轻松感觉，更多的是使我们的心情舒畅自在。无线耳机也可以广泛用于外语听力教育，是现代电化教育的辅助工具，充分利用了无线电的磁场在空气中传播的原理。

信号的调制方式总体可分为三种，分别是幅度调制、频率调制、相位调制。其中频率调制在调制方面有诸多优点。它具有比幅度调制频率高、抗干扰强，同时比调相方式经济等特点。它的缺点是占用的频带要宽。说到频率调制我们要了解一种技术，即锁相环技术（PLL）。锁相环技术(PLL) 是一种能自动跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统．该技术在频率调制方面应用十分广泛, 遍及广播、电视、通信、雷达、导航、计算机及仪表等领域。一般我们用一种集成模块来进行频率调制，这种集成模块为

CD4046。锁相环集成电路CD4046是一种低频多功能单片数字锁相环集成电路, 最高工作频率1.3 MHz , 电源电压3 ~18 V．与类似的双极性单片锁相环集成电路相比,功耗仅为其数百分之一, 因而它在频率调制与解调、频率合成、电视机彩色副波提取、FM 立体声解码、遥控系统、频率的编码和译码等诸多方面均得到了应用．集成环路部件以其低成本、性能优良、使用简便而得到了青睐。本次介绍一种应用锁相环和红外技术

制作而成，采用频率调制

方式，用红外线传送音频信号的调频红外无线通信系统。该系统设备具有供电方式多样，传输距离10m以内，音质较好，红外信号基本不受电磁干扰，性价比高等特点。

1红外发射系统

1.1 红外发射系统组成框图

图1是红外发射系统的组成框图。它是由音频放大电路、频率调制电路、高频功放电路、高频振荡电路、高频放大电路、直流稳压电源、红外发光二极管组成。

图1 红外发射系统的组成框图

1.2 红外发射系统的工作原理分析

1.2.1 5V直流稳压电源

为了制作5V直流电源。我们用四个1N4007四个整流二极管构成桥式整流桥。将220V50Hz的交流电转换为直流电。然后用电容元器件进行滤波功能。最后我们为了使输出压降稳定在5V我们选用一种稳压电器元件即固定式三端稳压器7805。图2是直流稳压电源电路系统框图。

图2 直流稳压电源电路系统框图1.2.1.1 变压器的作用

220V交流电端子连一个降变压器把电压值降到8V左右

1.2.1.2 桥式全波整流电路

根据图，输出的平均电压值0()

201sin ()AV U d πωτωτπ=? 即：0()20.9AV U U =

1.2.1.3 电容滤波电路

本次滤波电路的设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。

C 越大， RL 越大，τ越大，放电越慢，曲线越平滑，脉动越小。

1.2.1.4 +5V直流稳压电源的总设计框图

图3 +5v直流稳压电源的总设计框图

图3是+5v直流稳压电源的总设计框图。它由电源变压器，桥式整流电路D1～D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C4和一只固定式三端稳压器(7805)组成的。220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1～D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。

1.2.2 音频放大电路

本次发射模块的电路系统的音频放大采用的是三极管共射级放大电路

电路。图4是共射级放大电路

图4 共射级放大电路

1.2.3 高频振荡电路

振荡器是一种不需要外加输入信号，而能够自己产生输出信号的电路。产生无线电载波信号的高频振荡器属于正弦波振荡器。正弦波振荡器由放大电路和反馈电路两部分组成，反馈电路将放大电路输出电压的一部分正反馈到放大电路的输入端，周而复始即形成振荡，如图5 所示。高频振荡器有变压器耦合振荡器、电感三点式振荡器、电容三点式振荡器、晶体振荡器等多种电路形式，图5是正弦波振荡器。

图5 正弦波振荡器

1.2.3.1 变压器耦合振荡器

变压器耦合振荡器电路如图6 。变压器T 包括振荡线圈L2 和反馈线圈L1，

L2 与C2 组成LC 并联谐振回路，作为晶体管VT 的集电极负载，L1 接在VT 基极。VT 与LC 并联谐振回路构成选频放大器，只有频率f ＝f o 的信号得到放大，并

经变压器T 正反馈至基极，形成振荡，振荡频率f o＝1/（2π L 2C2），正弦

波信号经C4 耦合输出。变压器耦合振荡器的特点是容易起振，输出电压较大，

但最高振荡频率较低。

图6 变压器耦合振荡器

1.2.3.2 三点式振荡器

所谓三点式振荡器，是指晶体管的3 个电极直接与振荡回路的3 个端点相连接而构成的振荡器。

图7 三点式振荡器

1.2.3.3 电容三点式振荡器

电容三点式振荡器电路如图5 所示，L、C3、C4 为构成振荡回路的3 个电抗，由于振荡回路的3 个电抗中有两个是电容，所以叫做电容三点式振荡器。

电容三点式振荡器中，C3 上的输出电压Uo 同时加在L、C4 支路上，由于电感上电流滞后电压90°，所以支路电流I 比Uo 滞后90°。而I 流过电容C4 所产生的反馈电压U

β又比I 滞后90°，即与输出电压Uo 反相（相差180°）而与输入电压Ui 同相，实现了正反馈，电路实现振荡。电容三点式振荡器的特点是振荡输出电压波形好，振荡频率较稳定，但不易起振，波段频率范围较窄。

图8 电容三点式振荡器

1.2.3.4 晶体振荡器

为了进一步提高振荡器的频率稳定度，可以采用晶体振荡器。因为晶体的谐振频率十分稳定，因此晶体振荡器具有非常高的频率稳定度。根据晶体在电路中的作用形式，常用的晶体振荡器可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两类。

并联晶体振荡器电路如图6 所示，晶体B 作为反馈元件，并联于晶体管VT 的集电极与基极之间。这是一个电容三点式振荡器，晶体B 在这里等效为一个电感元件使用，与振荡回路电容C2、C3 一起组成并联谐振回路，共同决定电路的振荡频率。串联晶体振荡器电路如图7 所示，晶体管VT1、VT2 组成两级阻容耦合放大器，晶体B 与C串联后作为两级放大器的反馈网络。晶体B 在这里等效为一个纯电阻使用，将VT2 的集电极电压反馈到VT1 的基极，构成正反馈电路。电路振荡频率由晶体的固有串联谐振频率决定。

图9 并联晶体振荡器

图10 串联晶体振荡器

1.2.4高频放大电路

1.2.4.1高频放大器

无线电发射电路的组成通常包括振荡器、调制器、高频放大器和天线等，如图8所示。高频放大器的作用是将振荡器产生的高频信号放大到足够的功率，送至天线发射出去。数十毫瓦以下的小功率发射装置也可以不用高频放大器，而由高频振荡器直接通过天线发射。高频放大器是一种选频放大器，它只放大我们需要发射的频率的无线电信号。选频放大器最显著的电路特征是，放大器的负载是LC 谐振回路。高频放大器电路如图9 所示。VT 为高频放大管，L1 与C2 组成并联谐振回路，作为VT 的集电极负载。L1、C2 并联谐振回路的谐振频率为f o ，只有f ＝f o的信号得到放大，由L1 耦合至L2 送入天线发射，电路谐振曲线如图10 所示。RR2 为VT 的基极偏置电阻。C1 为输入耦合电容。

图11 无线电发射电路方框图图12 高频放大器图13高频放大器频率曲线

1.2.5频率调制电路

调频是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。（与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示信息，而其频率却保持不变。）在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。在数字应用领域，载波的频率则根据数据序列的值作离散跳变，即所谓的频率键控（FSK）。

图14 频率调制

图14是频率调制的例子。上图显示了一个叠加在载波信号上的调制信号。下图显示了最后得到的频率调制信号。

1.2.5.1 调频工作原理

若欲传送信号为其振幅限制不可大于一载波为

f

为载波中心频率，单位为赫兹。A是任意振幅。传送信号将

c

会是

在此，公式中，f(t)是振荡器的瞬时频率，fΔ是频偏（频率偏移）, 代表在一个方向上相对f c的最大频率偏离，在此我们假定x m(t)是有限的幅值限于±1之间。

1.2.5.2 锁相环CD4046集成模块的介绍

CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V－18V），输入阻抗高(约100MΩ)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600μW，属微功耗器件。CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡低波器三部分组成,如图15所示。

图15

图16 CD4046内部电原理框图

CD4046工作原理：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加到相位比较器Ⅰ、Ⅱ的输入端，图16开关K拨至2脚，则比较器Ⅰ将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压UΨ则反映出两者的相位差。UΨ经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器Ⅰ，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2＝f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器Ⅱ工作，过程与上述相同。图17是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能：

1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。

2脚相位比较器Ⅰ的输出端。

3脚比较信号输入端。

4脚压控振荡器输出端。

5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。

6、7脚外接振荡电容。

8、16脚电源的负端和正端。

9脚压控振荡器的控制端。

10脚解调输出端，用于FM解调。

11、12脚外接振荡电阻。

13脚相位比较器Ⅱ的输出端。

14脚信号输入端。

15脚内部独立的齐纳稳压管负极。

图17 CD4046引脚图

1.2.6高频功放电路

1.2.6.1 LM386集成模块介绍

LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V~12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的内部电路图如图18所示。

图18 内部电路图

图19是 LM386功率放大电路图

图19 LM386功率放大原理图

2 红外接收系统

2.1 红外接收系统的组成框图：

图20是红外接收系统的组成框图，它是由红外接收电路、高频放大电路、频率解

调电路、音频功放电路、扬声器和直流稳压电源组成。

图20 红外接收系统的组成框图2.2 红外接收系统的工作原理分析

图21 是红外接收系统的电路原理图

3 红外通信系统的仿真

3.1仿真软件的介绍

由于电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益成熟，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。

Multisim 10是加拿大Interactive Image Technologies公司2001 年推出的Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。

它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排版，同时还支持VHDL和Verilog HDL 语言的电路仿真与设计。

3.2仿真调试

图22红外发射电路系统仿真图