模擬數(shù)字混合紅外信道通信裝置的設(shè)計(jì)

摘要：紅外通信技術(shù)具有低成本、跨平臺(tái)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)連接的特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各種短距離通信中，但多為數(shù)字通信。設(shè)計(jì)提出一種模擬數(shù)字混合的紅外信道的通信方法，采用頻分復(fù)用的方法實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)在同一個(gè)紅外物理信道上傳輸。而且針對(duì)數(shù)字信號(hào)采用了ASK調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)頻譜的遷移，提高了抗干擾能力。模擬數(shù)字混合紅外信道的實(shí)現(xiàn)為在紅外信道上采用語(yǔ)音方式控制家電提供了一種可選方案。

引言

　　紅外通信是以紅外線作為載體來(lái)傳送數(shù)據(jù)信息。廣泛用于家用電器如遙控器、計(jì)算機(jī)的遙控鍵盤和遙控鼠標(biāo)以及便攜式數(shù)據(jù)收集裝置(煤水電表的登錄器、報(bào)稅機(jī))與主機(jī)的數(shù)據(jù)交換中。它作為一種無(wú)線通信，與無(wú)線電通信相比，由于其性能價(jià)格比高、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，具有抗電磁干擾、便于高速應(yīng)用、空間接入靈活、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，可用于室內(nèi)外實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、無(wú)線紅外LAN通信及軍用紅外引信，在移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)通訊設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用^[1-3]。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，紅外通信作為一種無(wú)線通信方式也被引入物聯(lián)網(wǎng)通信框架中^[4-5]。目前紅外線通信多采用數(shù)字編碼方式，但直接模擬通信也是重要的通信方式，本文在紅外信道上同時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)字和模擬通信兩種方式，實(shí)現(xiàn)通過(guò)紅外信道即傳輸數(shù)字同時(shí)傳輸語(yǔ)音的方式，為紅外信道的更廣泛應(yīng)用提供一種可行方案。例如通過(guò)語(yǔ)音控制電視、控制電扇等家電提供了一種可選方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)、接收機(jī)兩部分組成。其中發(fā)射機(jī)負(fù)責(zé)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的采集。并對(duì)采集信號(hào)做相應(yīng)的處理，再經(jīng)過(guò)頻分復(fù)用實(shí)現(xiàn)信號(hào)的混合，最后將混合信號(hào)通過(guò)紅外發(fā)射電路發(fā)射。其發(fā)射機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　接收機(jī)負(fù)責(zé)將接收的信號(hào)濾波處理。得到一路模擬信號(hào)和一路數(shù)字信號(hào)。再將兩路信號(hào)做相應(yīng)的處理還原出模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。其接收機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)采集電路

　　模擬的語(yǔ)音信號(hào)采集電路是用駐極體話筒和8050三極管共基放大電路組成。

2.2 放大濾波電路

　　模擬的語(yǔ)音信號(hào)頻率一般集中在300Hz~3KHz，因此要設(shè)計(jì)低通濾波器且截止頻率大于3KHz，由于巴特沃斯濾波器在通頻帶中部有很平坦的頻率響應(yīng)，雖然在靠近-3dB點(diǎn)的區(qū)域多少有點(diǎn)起伏，在-3dB點(diǎn)外，衰減速率逐漸增加并達(dá)到每倍頻n*6dB(n為濾波器階數(shù))，巴特沃斯濾波器相對(duì)來(lái)說(shuō)容易搭建，并且需要的元件不像其他濾波器那樣精確。本系統(tǒng)采用4介巴特斯濾電路如圖3所示。

2.3 本地震蕩電路

　　本地震蕩電路采用文氏電橋震蕩電路，文氏電橋震蕩電路起振條件有要求R1>2R4，振蕩的頻率f=1/(2pi*RC)，由于ASK載波選用60KHz，所以本地振蕩頻率f= 60KHz。

2.4 ASK調(diào)制電路

　　數(shù)字基帶信號(hào)占用的頻帶寬度與碼型和碼速有關(guān)，51單片機(jī)讀取數(shù)字溫度信號(hào)后，進(jìn)過(guò)處理轉(zhuǎn)成二進(jìn)制的單極性非歸零碼，通過(guò)串口發(fā)送給ASK調(diào)制電路。串口發(fā)送速率為300Baud，所以數(shù)字基帶信號(hào)占用的頻帶為600Hz，這與模擬的語(yǔ)音信號(hào)所在的頻帶有重疊，故數(shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)調(diào)制實(shí)現(xiàn)頻帶的遷移，才能和模擬信號(hào)頻分復(fù)用。調(diào)制方法采用 ASK鍵控法，選通開關(guān)使用CD4053。

2.5 頻分復(fù)用

　　調(diào)制后的數(shù)字信號(hào)和模擬的語(yǔ)音信號(hào)頻譜沒(méi)有疊加，可以用加法器直接相加。加法器采用 反相加法器。

2.6 發(fā)射電路

　　紅外發(fā)射管先選取一個(gè)合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，再加入模數(shù)的混合信號(hào)。

2.7 接收、前置放大電路

　　接收到的模數(shù)混合信號(hào)不再是基帶信號(hào)，是60KHz的ASK信號(hào)和300Hz~3KHz的模擬語(yǔ)音信號(hào)的混合信號(hào)，故放大器要求帶寬比較大，選用opa842作為前級(jí)放大器。電路如圖4所示。

2.8 ASK解調(diào)電路

　　前級(jí)放大信號(hào)經(jīng)過(guò)兩路不同的濾波放大電路后，可以從混合信號(hào)中分離出ASK信號(hào)，和模擬語(yǔ)音信號(hào)，模擬語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)過(guò)功放后直接有喇叭播放，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)的還原。而ASK信號(hào)要解調(diào)后才可以等到數(shù)字基帶信號(hào)。ASK解調(diào)方法有相干解調(diào)和包絡(luò)解調(diào)。由于包絡(luò)解調(diào)方法簡(jiǎn)單，故采用包絡(luò)解調(diào)電路。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 發(fā)射機(jī)程序

　　發(fā)射機(jī)溫度采集使用的是DS18b20芯片，采集到的數(shù)據(jù)有STC89c51單片機(jī)讀取，讀取到的數(shù)據(jù)送到LCD1602液晶顯示屏顯示，同時(shí)將數(shù)據(jù)打包由串口發(fā)送給ASK調(diào)制電路。