1、北京邮电大学模电综合实验报告红外通信收发系统的设计与实现学 院： 信息与通信工程学院 班 级： 2010211122 班_姓 名： 叶南阳 _学 号： 10210810_ _日 期： 2010 年 4月 红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 1 页一、报告概要 .21、课题名称 22、报告摘要 23、关键词 2二、设计任务要求 .2三、所用元器件及测试仪表清单 .3四、设计思路与总体结构图 .3五、设计背景,思路及系统结构 .41、系统架构设计与优化 42、电源电路设计 63、语音信号的设计方案 74、红外光发送模块的设计方案 85、红外光接收模块的设计方案 106、高通滤波器 14六、电
2、路所实现功能和实际测试数据 .14七、故障及问题分析 .15八、实验总结与结论 .15九、实验探究 .16十、参考文献 .19目 录红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 2 页红外通信收发系统的设计与实现摘要：实现了一个基础的红外光通信系统,包括发送端与接收端两部分,由信号产生,信号放大,红外发送,光信号接收,滤波,放大,输出电路组成。输入的信号经单管放大电路通过红外发送管发送,接收到的信号经高通滤波模块去除背景噪声后由音频放大输出.实验扩展使用 KD9300 音乐芯片作为输入,0.8w 小喇叭为接收端负载,对电路进行了改进,使晶体管处于尽限运用状态,提高发送能力,同时设计电源滤波电路,通
3、过对电路分布参数进行分析,改进了电路物理结构组织,降低了噪声,抑制了分布参数造成的电路不稳定的现象,使经测试可达 10 米以上的传输距离,音乐清晰,效果良好.关键词：红外通信；改进；分布参数分析一、报告概要课题名称红外通信收发系统的设计与实现二、设计任务要求1、基本要求：1) 设计一个正弦波振荡器，f=1kHz;U=3V。2) 所设计的正弦波振荡器的输出信号作为红外光通信收发系统的发送端得输入信号，在接收端可接收到无明显失真的输入信号；3) 要求接收端 LM386 增益设计 G=200；4) 设计该电路的电源电路（不要求实际搭建） ，用 PROTEL 软件绘制完整的电路原理图（SCH）及印制电
4、路板图（PCB） ；2、提高要求：利用音乐芯片产生乐曲，调制 LED 后发出，接收端接送信号利用喇叭将信号无失真的播放出来。3、探究环节：探究其他红外收发系统的应用实例，数字调制的解决方案，给出应红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 3 页用方案。在进行实验的过程中，通过对电路进行分析改进，实现了所有的基本要求，并且实现了提高要求，使电路能播放出清晰的门铃声，并使得传输距离可以达到 10m 左右。三、所用元器件及测试仪表清单表 1 所用元器件及测试仪表清单电路元器件 测试仪器集成运算放大器 LM386（1 个）音乐芯片 KD9300（1 个）发光管 302、接收管 303可变电阻器（10k
5、、100k）面包板（2 个）电阻电容若干导线若干二极管若干其他直流稳压电源函数信号发生器万用表示波器晶体管毫伏表四、设计思路与总体结构图语音和音乐等所产生的电信号和其他低频电信号一样，一般不直接进行远距离传输，而是经过放大后对发射机的高频振荡进行调制，然后将此携带有低频信号的高频已调制信号，通过一定的媒介传输出去。红外数据传输，使用传输介质红外线。红外线是波长在 750nm-1mm 之间的电磁波，是人眼看不到的光线。红外数据传输一般采用红外波段内的近红外线，波长在 0.75-25um 之间。红外通信系统的设计是光通信系统的一个重要分支，红外通信系统的设计思路和目前世界上所采用的骨干通信网的光纤
6、通信系统有相同之处的，唯一重要的差别就是它们二者所采用的传输媒质不同，一个是大气，一个则是光纤。一个简单的光通信收发系统如图 1 所示：红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 4 页图 1 光通信收发系统图当然整个商用的红外光通信系统是相当复杂的，这里我们只考虑最基础最必要的部分来完成红外通信收发系统的设计。五、设计背景,思路及系统结构1、系统架构设计与优化通常的通信系统大约有以下几个部分构成：信源、发送设备、传输介质、接收设备、信宿。传输介质分有线和无线两种，有线通常为电缆或者光纤，无线传输为微波或者红外等方式。红外传输具有成本低、体积小、反射性强等特点，广泛应用在嵌入式、遥控器等产品上。
7、信源 发送设备 传输介质(噪声源)接收设备 信宿图 2 通信系统原理图由图 2 可知,信源通过调制电路调制，放大电路放大后输出，在此级，由参考文献2 可知，在信号输入的第一级应当尽量降低噪声系数和增大放大倍数,以减小后级电路噪声对总电路噪声系数的影响，在信号经过调制后,具有较强的抗干扰能力，在经过传输介质后，信号的信噪比降低，主要有高频噪声和低频噪声，在音频范围内运用时，因信号频率在 1000Hz-22000Hz 左右，主要考虑滤除低频噪声和高发送端 接收端红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 5 页频天电噪声.以 F 表示噪声系数,可得(1) 由(1) 式可得, 将传输介质视为一级放大电
8、路，其功率放大倍数 Ap21.要降低总的噪声系数，起关键作用的是在发送端必须采用低噪声电路，同时又要尽量增大发射级电路的功率放大，同时，由(1)式可得:由于 Ap2 较小,Ap1,Ap2 必须足够大才能降低传输介质的衰减效应和噪声的加入对整级电路的影响，同时应采取对发射信号进行调制，以降低传输介质对电路正常工作的影响。图 3 红外通信系统框图信号放大模块红外发送电路馈电电路发 送 端红外接收电路馈电电路接收端音频功率放大器增益控制模块RC 高通滤波器输出级3211212(1)nppppFAA红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 6 页2、电源电路设计图 4 电源电路原理图设计电源电路时，首
9、先考虑到输入到电路中的能量源是 220V 交流电源，首先经过变压器电路降低电压，使电路能安全工作，然后经由两个互补的桥式整流电路，将大幅度的正弦波由两条支路转化为半个正弦波的周期信号，以加强信号的直流成分，提高整流的效率，然后经由 RC 低通滤波器增强电源信号的直流成分，然后再由模拟集成电路整流稳压后可得到稳定的 5V 直流电输出，并经过一级由接成深度负反馈状态的集成运算放大器构成的射级跟随器可得稳定的 5V 电压，并起到与外界电路隔离的作用，并使得电源电路可以近似的视为一个理想的电压源，通过设置反馈电阻的大小，可以改变电源提供的电压，并且便于作多级扩展，可以输出多种不同电压，满足多样化的需求
10、，降低成本，在电路中电源电流通路均由大电容接地，以减小 50Hz 信号的干扰，增强电源电压信号的纯净度,防止对后级电路产生干扰。红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 7 页图 5 电源电路 PCB 版图 6 电源电路 PCB3D 图3、语音信号的设计方案(a)、直接采用信号发生器来产生单音频信号。(b)、利用 RC 振荡器设计和搭建一个振荡信号，并使用 Pspice 软件进行了仿真，可得 RC 振荡器如图 7 所示。红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 8 页图 7 RC 振荡电路(c)、利用 LX-9300 系列芯片构成音乐集成电路，发出电信号，如图 8 所示。图 8 音乐芯片4、红
11、外光发送模块的设计方案首先设计的是发送端。因为传输信号为红外线，使用红外发光管发送，不存在无线电传输时天线尺寸的问题，故不经过编码和调制直接放大后发送。红外发送管的交流电阻较低，故应给其提供近似电流源的输出信号，考虑到晶体管在共射极时从集电极看进去的输出电阻较大，而共基极时增益偏小的特点，选择单管共发射极放大电路，此时，红外发送管可获得较大的电流变化。设计了一个共发射极的放大电路，调整基极偏置，但输入模拟信号，晶体管集电极电流随模拟信号强度的变化而变化，LED 的输出光功率也随模拟信号而变化，从而可以将输入信号发送出去。红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 9 页图 9 红外通信系统发送端
12、电路原理图由(1) 式可知，为了尽量增加电路的发送功率，将三极管置于尽限运用状态，为了保护红外发射管 LED，将 LED 串接一个 10 欧的电阻，防止调试过程中由于 LEDPN结的指数伏安特性，损坏 LED,同时在实际调测时，由实际三极管 值，可以算出三极管处于尽限运用状态时各个电阻的值，同时为了降低负反馈对增益的影响，应适当降低负反馈电阻 Res1和 Res2的值，以降低负反馈，提高电路增益同时可在电源端加连上一个 2200F 大电容和 200F 小电容接地，以尽量减小电源噪声对电路的干扰。由上可以设计出发送端电路 PCB版图,如图 10所示。图 10 红外通信系统发送端电路 PCB 版图
13、红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 10 页图 11 红外通信系统发送端电路 3D 效果图5、红外光接收模块的设计方案由以上系统架构设计与优化中的分析可得，接收电路需要尽量增大增益并且增益的大小决定了传输距离的远近和对信道噪声的抑制效果，以得到令人满意的效果。同时，由红外发送管 LED 的工作原理可知，在较大电流工作状态下，红外发送管存在较大的散粒噪声(2)()2Sifqi由(2) 式可得：散粒噪声的功率谱密度 Si(f)与电流成正比，由散粒噪声在各个频段均有功率，干扰较大，且不可避免，要抑制干扰，关键在于滤除不需要的信号。其中，光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将光信号变换
14、成为电信号，在本系统中采用光电二极管 302。红外光接收模块的电路图如 12 所示。图 12 红外通信系统接收端电路原理图红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 11 页由红外 LED 原理，使用红外线作为传输信号，必须在接收端去除灯光等背景噪声的干扰，本实验采用 RC 可调电阻式高通滤波器作为前级滤波电路，选择定容电容,可变电阻，由 MATLAB 软件绘制该高通滤波器的幅度相应如图 13 所示。可以看出，在音频频段(1500-3500Hz) ，对原始信号衰减较弱，而低频噪音段，衰减很大（约 100 倍） 。同时 Rp 还有调节后级差分放大电路的输入大小的作用。图 13 高通滤波器幅频特性图
15、由红外接收 302 管的工作原理可得，红外接收管当接收到外来的红外频段的光子能量，将其转化为电流信号，同时由红外接收管 LED 的指数特性，当加在接收管上的偏置电压较大时，电压变化对电流变化不敏感，33K 电阻对调节接收级电路灵敏度有着重要的作用，由式(1)可得，应使其增益适应信号的大小与信噪比，以尽量提高电路的灵敏度，减小噪声影响。下面分析 LM386 音频放大电路，LM386 是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器（图 14） ，主要应用于低电压消费类产品。输入端以地位参考，封装形式有塑封 8 引线双列直插式（如图 15） 。电压增益内置为 20，本实验设计增益为200，故按照器件手册给
16、出的典型应用图，在 1、8 管脚之间连接的电容，同时在 7脚与地之间连接滤波旁路电容。整个接收级电路如图 12 所示。红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 12 页图 14. LM386 内部结构图 图 15. LM386 封装图图 16. 增益 G=200 的连接图由图 14 可知，LM386 由以下几个部分组成，首先是由两个接成共射组态的复合三极管组成差分放大电路，并由后级两级工作在甲乙类放大电路的射级跟随器驱动，同时使用二极管对射级跟随器进行直流偏置，使其工作在甲乙类状态，同时为了简化电路，电路输入时只提供一端输入，另一端输入接地，为了保证输入交流信号时电路的对称性，LM386 的分
17、流端必须接一个较大的电容接地，同时由共射电路增益公式可知：红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 13 页1;/beEQLVLCLbeiSViBbeOCVT(m)rIARARrR可以通过控制 GAIN 端连接的电阻的大小控制电路增益，为了使电路增益在 200 以上，必须在 1-8 之间接一个电容，或阻值较大的电阻，但同时必须保证增益不能超出晶体管的工作范围，产生非线形失真。由（3）式计算可得：A=200 时电路的连接如图 16 所示。图 17 红外通信系统接收端电路 PCB 板图图 18 红外通信系统接收端电路 PCB 效果图（3）红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 14 页同时对电路
18、分布参数进行分析，电路存在密勒电容效应，由计算可知，会产生534Hz 的正弦波谐振信号，对电路工作产生影响，此时可以改进电路连接，使电容电阻跨接于板中间绝缘层两边，以减小分布参数的影响。6、高通滤波器红外接收的二极管是光敏二极管，普通灯光也对其有一定程度的影响，为了获得更好的效果，在输出端加了一个 HPF，消除恒定的外接低频信号的干扰，这样接收效果和灵敏度都得到了显著的提高。六、电路所实现功能和实际测试数据、调试发送电路。通过测试，红外发射驱动电路中红外管的电流为 30-40mA之间。、调试接收电路。去掉红外管，在输入端加一个正弦小信号，用示波器同时观测输入信号和输出信号，在信号不失真的前提下
19、，可以测试得到放大增益为 50-200倍。、整机调试。将 9300A芯片中的音乐信号作为输入信号，发送电路中的二极管对准接收电路中的二极管，在一定的距离之内，能在喇叭中听到无噪声的单音三声门铃。从而实现了信号的无线传输。如下所示为实验中的实测数据汇总及数据测试方法实验完成了实验教程中的各项任务，同时进行了扩展实验，利用音乐芯片产生乐曲，调制 LED 后发出接收端接收信号利用喇叭将发送的乐曲无失真地播放出来，音乐清晰，声音洪亮，效果良好。具体各项数据均以汇总到表 2 中。表 2 实验数据汇总指标 值 单位晶体管静态工作点 2.9 V晶体管静态工作点 27 mA发送端增益 1 /接收端增益 190
20、 /输出电压 1.6 V最远传输距离（音乐清晰）10 M最远传输距离（音乐洪亮）8 M各数据测量方法 ：红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 15 页1. 静态工作点，使用数字万用表测量基极到地之间的电位差获得，同时测得发射极到地的电位差，利用计算得。2. 增益，首先将输入信号调为正弦，发送端幅度 1V 左右，接收端输入幅度0.01V 左右（因运放的满幅输出为 2.5V，增益约为 200，故输入信号幅度不应过大） ，利用双踪示波器测得输入输出幅度之比计算得增益。3. 输出电压，输入正弦信号，利用交流毫伏表在输出端测得输出有效电压值。4. 最远传输距离，将音乐芯片的输出加载到发送端，测试能发
21、出清晰的声音时的最远直线传输距离。七、故障及问题分析主要存在两方面的问题比较突出： 信号失真主要是由于接收装置自己产生的失真以及发送过程信号发生失真。对于前者，我们发现噪音主要是高频信号，所以我们在喇叭两端接入了低值电容。对于发送过程失真，我们对电位器进行电阻调节，知道输出不失真。 送距离偏短问题设置问题经上网了解，红外发送管 302 的正常发送距离超过 10 米，但是我们的系统距离最多没有超过 1.5 米，对于这个问题，我们主要从增加发送端的功率考虑，有以下几个方式：增加发射电路的电路至 7V；利用两个发送管 并联以增大发射功率。对于接收端，我们也可以在不产生明显噪音的情况下增大 33k 电
22、阻。 噪声过大问题，由以上分析可知，噪声来源主要有热噪声，散粒噪声，电源噪声，和分布参数产生的密勒电容效应产生的谐振波，可由以上方法消除。八、实验总结与结论1、红外通信是一种先进的通信技术，利用红外技术实现两点间的近距离保密通信和信息转发，由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。2、通过这次红外通信系统的设计与实现，我掌握了简单的红外光通信系统的红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 16 页组成和设计原理，掌握了通信电子系统方案设计、电路设计的方法。通过搭建实际电路，提高我的动手能力以及发
23、现问题的能力。实验中也遇到了一些困难，信号传输时遇到了失真，分析原因很可能电路分布参数的问题。在分析了电路的分布参数后改进了电路的连线，并对电路结构进行了重新调整，接收端最终得到了完美的无失真的正弦波形。本实验效果比较理想，以很低的成本便实现了一个能够传输 8米以上的通信系统，使我更加了解了红外通信的特点及应用场合，同时也清楚了作为短距通信的不足，实验过程中，感受最深的就是：无线通信，必须考虑把握就是传输介质这一块，光耦合（无线电波）更具挑战性，因为这种看不见摸不着的介质我们很难知道信号到底有没有传输，更无法轻易地像使用电压表、示波器那样使用空中电磁信号探测装置测量。另外一点感触就是，一个设计
24、良好的 PCB电路板带来的不仅是美观、调试的便利，同时还有更少的干扰。经过任老师的指导后，我们改进了实验方法，尽量减少面包板上导线的数量，使电路横平竖直，减少电磁干扰，于是我便适当调整了电路的部分结构，重新测试后果然效果明显。另联想到电子产品中曾经爆出的飞线事件，更让我深刻体会到了一个素质优良的工程师所应该掌握的设计技巧是多么重要。3、通过查阅资料，我知道了红外通信系统还可以用于其他领域，比如：在机场和饭店等地点使用步行传真机和打印机，在这些地方利用红外技术，掌上计算机用户可以利用这些外设而勿需电缆。银行的 ATM(柜员机) 也可以采用红外接口装置。预计在不久的将来，红外技术将在通信领域得到普
25、遍应用，数字蜂窝电话、寻呼机、付费电话等都将采用红外技术。红外技术的推广意味着计算机用户不用电缆连接的新潮即将到来。九、实验探究探究数字系统中的红外通信目前,IRDA 通信协议是目前主流的红外通信协议，具有高速率，高保密性，高可靠性的特点，对现有的系统进行改装，进行数字调制，加装 IRDA 协议栈电路即可实现红外数字通信，与现有的数字系统进行交互。红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 17 页数字红外通信是利用 950nm 近红外波段的红外线作为传递信息的媒体，即通信信道。发送端采用脉时调制（PPM）方式，将二进制数字信号调制成某一频率的脉冲序列，并驱动红外发射管以光脉冲的形式发送出去；接
26、收端将接收到的光脉转换成电信号，再经过放大、滤波等处理后送给解调电路进行解调，还原为二进制数字信号后输出。简而言之，红外通信的实质就是对二进制数字信号进行调制与解调，以便利用红外信道进行传输；红外通信接口就是针对红外信道的调制解调器。目前无线电波和微波已被广泛应用在长距离的无线通信中，但由于红外线的波长较短，对障碍物的衍射能力差，所以更适合应用在需要短距离无线通信场合点对点的直接数据传输。为了使各种设备能够通过一个红外接口进行通信，红外数据协议（InfraredDataAssociation ，简称 IRDA）发布了一个关于红外的统一的软硬件规范，也就是红外数据通讯标准。以遥控器为例，遥控发射
27、具有键盘矩阵，每 按下一个键，即产生具有不同的编码数字脉冲，这 种代码指令信号调制在 38kHz 的截波上，激励红外 光二级管产生具有脉冲串的红外波，通过空间的传 送到受控机内的遥控接收器。在接收过程中，红外 波信号通过光学滤波器和光电二级管转换为 38kHz 的 电信号，此信号经过放大、检波、整形、解调、送到解码与接口电路，从而完成相应的遥控功能。 右边附图为采用 TC9148P 专用集成块（IC501）构成的用于音响遥控的发射电路原理图，电路振荡频率由 IC501 第 2、3 脚外接晶阵 CF501 决定，并经内部分频产生 38kHz 的载波信号。键扫描输入和输出各采用了两条线，它们分别与
28、 IC501的第 4、5 和第 10、11 脚相接，组成 2X2 矩阵。当按下矩阵交叉点上的按键时IC501 就进行编码、调制和放大，由 IC501 就进行编码、调制和放大，由 IC501 第15 脚输出代表相应控制功能并被调制在 38kHz 上的编码电脉冲串，经Q501、Q502 放大后驱动红外发光管，使电脉冲变换为光脉冲信号，通常遥控距离红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 18 页不小于 8.5m，有时可达 10m（甚至更远） 。十、实际电路图图 19 发送端实际电路图图 20 接收端实际电路图图 14.Protel生成的 PCB红外收发通信系统的设计与实现 实验报告第 19 页十、参考文献1 电子电路综合设计实验教程,北京：北京邮电大学电路中心,2010.2 陈怀琛等.Matlab 及在电子信息课程中的应用（第三版）,北京:电子工业出版社,2006.3 刘宝玲等.电子电路基础 北京: 高等教育出版社,2008.2.4 刘宝玲等.通信电子电路, 北京: 高等教育出版社,2008.2.
