摘要
本题目要求设计一个红外光通信装置，能够定向并实时传输语音和温度信息。语音信号通过功率放大后，与经过ASK调制的温度信号相加，由红外发射管实现定向传输。红外接收端接收到的信号经过低通滤出音频信号，再经过功率放大，重新恢复语音信号；通过高通滤出温度的ASK信号，再经过放大，整流，低通滤波，波形整形，以非相干解调的方式还原温度信号，并由单片机处理和显示。在2m传输距离下，语音信号无明显失真，可以实时准确传输发射端的环境温度。整个系统抗干扰性强，满足基础部分要求和部分发挥部分要求。
关键词：红外通信 ASK 非相干解调
一、系统方案
此题目要求设计制作一个通过红外光定向传输语音信号，并同时传输温度信息的装置。系统分为红外接收与红外发送两个模块。其中发送模块中的重点是将数字调制后的温度信号与模拟调制后的语音信号实现频分复用，而接收模块难点在于温度信号的解调。
1.1 通信方式的方案设计与论证
方案一：模拟通信，将模拟信号通过功率放大后，驱动红外发送管。红外接收端通过低通滤波器，再经功率放大还原初始模拟信号。
方案二：数字通信，将语音信号放大滤波后进行A/D采样并存储在存储器中，以数字量形式输出（串行）驱动红外发射。红外接收后经过D/A转换输出语音信号。
方案二的数字通信虽然抗干扰能力强，但是电路复杂，外加单片机对数字信息进行处理加重工作量。而方案一电路简单，在2m的传输距离失真度较小，音频信号的传输无需单片机处理，降低了整个系统功耗和工作量。故选方案一。
1.2 温度信息的调制方案设计与论证
方案一：采用数字ASK编码方式，先对温度信号采集，再利用单片机按比特输出数字温度信号控制ASK的键控，产生载波20KHz的ASK已调信号。
方案二：通过数字FSK 编码方式，先对温度信号采集，再利用单片机按比特输出数字温度信号控制FSK的键控，产生FSK已调制信号。
方案三：将温度传感器输出的信号通过VF变换转换为1KHz~10KHz的调制信号去控制ASK的键控，产生载波20KHz的ASK信号。
方案一与方案三均采用ASK调制，但方案三由于VF转换的频率限制使得温度信息的变化范围受限，而且转换后的频率有可能处于音频信号的频率范围内音频信号造成干扰。方案二的FSK相对于ASK的调制和解调电路都相对复杂，故采用方案一。
1.3 温度信息的解调方案设计与论证
方案一：非相干解调，即包络检波对经过高通后的温度已调信号进行解调，经整形后送入单片机进行处理并显示。
方案二：相干解调，利用载波与以调信号相乘后通过低通滤波器，再经过抽样判决恢复出调制信号。
方案一电路简单，解调简单，易于实现。而方案二解调时要产生20KHz的载波，增加电路的复杂性。故选方案一。
二、系统理论分析与计算
2.1 红外光发射电路的分析与计算
如图1所示，红外光发射电路主要由NE5532及外围器件组成的反相加法电路和发光二极管驱动电路组成。其中加法电路将两路信号和为一路，同时可以实现前后级的隔离，消除后级电路对前级电路的影响。
根据理想运放电路的“虚短”和“虚断”概念，可知加法器的输出电压V0与输
⎛V2V1⎫入电压V1，V2的关系为：V0=- +⎪⨯R4
⎝R3R2⎭
（1）
LED2
LED1
温度ASKNPN
图1 红外发送电路
选取R2=R3=R4，得到V0=−(V1+V2)，可直接实现两路信号混合。经过加法器得到的混合信号通过控制三极管的基极电压来控制三极管集电极电流的大小，使发光二极管发出不同强度的光强，完成对电信号的光强调制。
2.2 红外光接收电路的分析与计算
收电路，红外管LED1接收到
红外接收管
12
如图2所示为语音信号接
的光信号转换为电信号后，先经过滑动变阻器调节输出电压大小，接电容C1交流耦合后级功率放大，C1起到隔离前后级的作用，功率放大来驱动耳机或扬声器发出声音。
OUTPUT
图2 红外发送电路
2.3 温度ASK调制的分析与计算
温度传感器输出的模拟电压信号经AD采集后给单片机处理为对应温度值。温度调制信号的高电平由温度值决定，其低电平取一适宜固定值。由高电平控制ASK选通开关输出载波，低电平时输出模拟地信号，由此产生ASK已调制信号。由于题目要求温度传输延时不超过10s，温度调制信号高低电平周期小于10s，高电平时间tH 150T(T为温度值)。
2.4 滤波器的分析与计算
因为在接收端需要将低频语音信号（300-3400Hz）和高频数字信号（20KHz）分别选频输出，因此在滤波器设计软件Filter Solution中设计出5KHz的低通滤波器和20KHz的高通滤波器并调整其参数，并在软件Tina中仿真。
2.5 包络检波的分析与计算
图3 包络检波法
包络检波电路由带通滤波器、全波整流、低通滤波器和阈值比较器组成。因为高频数字载波为20KHz，故带通滤波器中心频率在20KHz。
三、电路的设计
3.1 系统总体框图
图4 系统总体框图
3.2 音频放大电路的设计
音频输入信号较小，为提高驱动能力，信号需经过音频放大电路。采用LM386，LM386是一种音频集成功放，具有自身功耗低、更新内链增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和总谐波失真小、音质好等优点的功率放大器。如图5所示为LM386用于音频放大的典型应用电路，调节R3阻值，可使增益在20～200倍
图5 音频放大电路
3.3 温度ASK调制电路的设计
图6 ASK调制原理
ASK调制信号是由单片机STM32控制CD4052选通20KHz载波和地信号产生的,在单片机输出高电平时控制CD4052输出为20KHz正弦波载波，低电平时输出为零。温度信号经温度传感器后转变为对应电压信号，经AD采集后传给单片机。单片机对采集数据进行处理、转换成温度值。再控制单片机输出信号的高低电平，
15
值成正比，低电平时间取200ms的固定值。20KHz载波则由OPA606E构成的正弦波振荡电路产生。
15
高电平时间与温度
图7 正弦波振荡电路
3.4 滤波电路的设计
红外接收电路接收到的信号要经过高通和低通分别滤出温度、音频信号。
音频信号频率300Hz~3400Hz，经过5KHz低通就能滤出音频信号。而温度已调信号是经过20KHz正弦波调制的，所以采用20KHz高通滤出。
15
15
15
15
OUTPUT
OUTPUT
图8 5KHz低通滤波器 20KHz高通滤波器
3.5 ASK解调电路的设计
接收端接收到的信号经20KHz高通后与放大器交流耦合，放大因红外传输而产生衰减的ASK信号幅值。通过全波整流、低通滤波、阈值比较后恢复出温度调制信号。再经过整形电路更好的恢复温度调制信号，使得单片机对信号处理更准确。全波整流由LF353和二极管及电阻组成，如图9所示。阈值比较由LM311及外围器件构成2.5V阈值比较，如图10所示。
VG1
15
15
++
图9 全波整流电路
图10 阈值比较电路
四、测试方案与测试结果
4.1 测试所用仪器即测量工具
60M双通道示波器：DS1062E-EDU 低频交流毫伏表：WY2294
25M双通道函数/任意波形发生器： RIGOL DG1022U 数字万用表
4.2 测试分析与结论
1、接收的声音无明显失真。当发射端输入语音信号改为800Hz单音信号时，在8Ω电阻负载上，接收装置的输出电压有效值测的大于0.4V。不改变电路状态，减小发射端输入信号的幅度至0V，采用低频毫伏表测量此时接收装置输出端噪声电压读数为60mV,满足题目要求。
2、当接收装置不能接收发射端发射的信号时，发光二极管变亮。 3、增加一路数字信道，实时传输发射端环境温度，并能在接收端显示。数字信号传输时延小于5s。温度测量误差不超过1℃。语音信号和数字信号能同时传输。
综上所述，本设计基本达到基础部分要求，部分满足发挥部分要求。