紅外無線通信設(shè)計與實現(xiàn)論文

紅外無線通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)紅外無線通信，通常又叫紅外光通信，是利用紅外線傳送信息的一種通信方式。紅外線通信所傳輸?shù)膬?nèi)容是多樣的，可以是音頻信號，也可以是視頻信號。利用紅外線，可以構(gòu)成無繩電話電氣指標較易處理，應(yīng)用于普通的辦公室和家庭等場合應(yīng)該已經(jīng)可以滿足要求。紅外線的應(yīng)用范圍很廣，電視機、空調(diào)、微波爐等凡涉及到遙控的家電，一般均采用紅外線來作為信號傳輸?shù)妮d體。本次設(shè)計的紅外無線通信系統(tǒng)主要是傳遞音頻信號。該系統(tǒng)是由發(fā)射模塊和接收模塊組成。發(fā)射模塊的輸入與音響設(shè)備相連接，從音響設(shè)備輸出的音頻信號調(diào)制紅外光以后，由紅外光發(fā)射機將調(diào)制的紅外光向空間發(fā)射。紅外無線系統(tǒng)的接收部分將接收到的已調(diào)制紅外光進行解調(diào)，還原出音頻信號，然后送到揚聲器發(fā)出聲音。本次設(shè)計的電路系統(tǒng)具有實用、成本低廉、使用方便關(guān)鍵詞紅外線、發(fā)射、接收、調(diào)制、解調(diào)DesignandimplementationofaninfraredwirelesscommunicationsystemAbstractInfraredwirelesscommunication,typicallycalledtheinfraredlightcommunicationisacommunicationmethodusingtheinfraredtransmissionofinformation.Contenttransmittedbytheinfraredcommunicationisvaried,maybeanaudiosignalorvideosconditioners,microwaveovens,etc.,generallyusedasaninfraredsignaltransmissioncarrier.Theinfraredwirelesscommunicationsystemismainlydesignedtopassaudiothetransmittermodulewithaudioequipmentconnectedtotheaudiosignalfromtheaudioequipmentmodulatedinfraredlightoutputaftertheinfraredlighttransmitterwillemitmodulatedinfraredlighttothespace.ThereceivingsectionreceivesinfraredwirelessKeywordsinfraredtransmitterandreceivermodulation、demodulation I英文摘要 11.1紅外發(fā)射系統(tǒng)組成框圖.........................................21.2紅外發(fā)射系統(tǒng)的工作原理分析1.2.1直流穩(wěn)壓電源 21.2.2音頻放大電路 51.2.3高頻振蕩電路 61.2.4高頻放大電路 9 2紅外接收系統(tǒng)2.1紅外接收系統(tǒng)的組成框圖2.2紅外接收系統(tǒng)的工作原理分析2.2.1直流穩(wěn)壓電源 2.2.2紅外接收電路 3紅外通信系統(tǒng)的仿真3.1仿真軟件的介紹.............................................163.2仿真調(diào)試 4.安裝、焊接、調(diào)試及性能分析 1由于計算機與通信技術(shù)的高速發(fā)展，計算機通信技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，硬件技術(shù)總體趨勢向著高集成度、高穩(wěn)定性、高速和高性價比趨勢發(fā)展。而紅外無線通信系統(tǒng)是在我們的生活中，我們可能會在看電視、聽音樂、上網(wǎng)為了不影響家人或者鄰居休息，特地使用耳機，然而由于受到耳機線的束約多多少少給我們帶來了些許不便。如果能有一款無線耳機的話，就會解決這些不便。我們可以用紅外線作為傳遞的媒介，通過紅外線來傳遞音頻信號。紅外無線耳機由于它的信號發(fā)射采用小巧的紅外發(fā)射電路，不僅可以在室內(nèi)用于電化教學(xué)、家庭電方便地去掉耳機線，實現(xiàn)名副其實的無線“隨身聽”。它不僅帶給我們無拘無束的輕松感覺，更多的是使我們的心情舒暢自在。無線耳機也可以廣泛用于外語聽力教育，是現(xiàn)代電化教育的輔助工具，充分利用了無線電的磁場在空氣中傳播的原理。信號的調(diào)制方式總體可分為三種，分別是幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。其中頻率調(diào)制在調(diào)制方面有諸多優(yōu)點。它具有比幅度調(diào)制頻率高、抗干擾強，同時比調(diào)相方式經(jīng)濟等特點。它的缺點是占用的頻帶要寬。說到頻率調(diào)制我們要了解一種技術(shù)，即鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）。鎖相環(huán)技術(shù)（PLL）是一種能自動跟蹤輸入信號相位的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)?該技術(shù)在頻率調(diào)制方面應(yīng)用十塊來進行頻率調(diào)制，這種集成模塊為CD4046鎖相環(huán)集成電路CD4046是一種低頻多功能單片數(shù)字鎖相環(huán)集成電路,最高工作頻率1.3MHz,電源電壓3~18V?與類似的雙極性單片鎖相環(huán)集成電路相比,功耗僅為其數(shù)百分之一，因而它在頻率調(diào)制與解調(diào)、頻率合成、電視機彩色副波提取、FM立體聲解碼、遙控系統(tǒng)、頻率的編碼和譯碼等諸多方面均得到了應(yīng)用?集成環(huán)路部件以其低成本、性能優(yōu)良、使用簡便而得到了青睞。本次介紹一種應(yīng)用鎖相環(huán)和紅外技術(shù)2制作而成，采用頻率調(diào)制方式，用紅外線傳送音頻信號的調(diào)頻紅外無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)備具有供電方式多樣，傳輸距離10m以內(nèi)，音質(zhì)較好，紅外信號基本不受電磁干擾，性價比高等特點。1.1紅外發(fā)射系統(tǒng)組成框圖圖1是紅外發(fā)射系統(tǒng)的組成框圖。它是由音頻放大電路、頻率調(diào)制電路、高頻功放電路、高頻振蕩電路、高頻放大電路、直流穩(wěn)壓電源、紅外發(fā)光二極管組成。紅外發(fā)紅外發(fā)管立$「二〒干迂—直流穩(wěn)壓電源1.2紅外發(fā)射系統(tǒng)的工作原理分析1.2.15V直流穩(wěn)壓電源為了制作5V直流電源。我們用四個1N4007四個整流二極管構(gòu)成橋式整流橋。將220V50HZ的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。然后用電容元器件進行濾波功能。最后我們?yōu)榱耸馆敵鰤航捣€(wěn)定在5V我們選用一種穩(wěn)壓電器元件即固定式三端穩(wěn)壓器7805。圖2是直流穩(wěn)壓電源電路系統(tǒng)框圖。變壓器3圖2直流穩(wěn)壓電源電路系統(tǒng)框圖220V交流電端子連一個降變壓器把電壓值降到8V左右121.2橋式全波整流電路02sind()根據(jù)圖，輸出的平均電壓值兀0本次濾波電路的設(shè)計我們使用電容濾波，濾波后，輸出電壓平均值增大，脈動變小45121.4+5V直流穩(wěn)壓電源的總設(shè)計框圖Jfc1N4Q07XlN4(X)7p)50Hz2Jt1N4007XlN4007LMZB05CTTOLTMt^1mF^1Q0nFi；1Q0ufc1Q0rF4--4-■圖3+5v直流穩(wěn)壓電源的總設(shè)計框圖圖3是+5v直流穩(wěn)壓電源的總設(shè)計框圖。它由電源變壓器，橋式整流電路D1?D4,濾波電容C1、C3,防止自激電容C2、C4和一只固定式三端穩(wěn)壓器（7805）組成的。220V交流波，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805的Vin和GND兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓（該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化）。此直流電壓經(jīng)過LM7805的穩(wěn)壓和C3的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。本穩(wěn)壓電源可作為TTL電路或單片機電路的電源。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。本次發(fā)射模塊的電路系統(tǒng)的音頻放大采用的是三極管共射級放大電路電路。圖4是共射級放大電路6振蕩器是一種不需要外加輸入信號，而能夠自己產(chǎn)生輸出信號的電路。產(chǎn)生無線電載波信號的高頻振蕩器屬于正弦波振蕩器。正弦波振蕩器由放大電路和反饋電路兩部分組成，反饋電路將放大電路輸出電壓的一部分正反饋到放大電路的輸入端，周而復(fù)始即形成振蕩，如圖5所示。高頻振蕩器有變壓器耦合振蕩器、電感三點式振蕩器、電容三點式振蕩器、晶體振蕩器等多種電路形123.1變壓器耦合振蕩器變壓器耦合振蕩器電路如圖6。變壓器T包括振蕩線圈L2和反饋線圈L1，聯(lián)諧振回路構(gòu)成選頻放大器，只有頻率f=fo的信號得到放大，并經(jīng)變壓器T正反饋至基極，形成振蕩，振蕩頻率fo=1/(2nL2C2)，正弦波信號經(jīng)C4耦合輸出。變壓器耦合振蕩器的特點7123.2三點式振蕩器所謂三點式振蕩器，是指晶體管的3個電極直接與振蕩回路的3個端點相連接而構(gòu)3個電抗中有兩個是電容，所以叫做電容三點式振蕩器。90°,所以支路電流I比Uo滯后90°。而I流過電容C4所產(chǎn)生的反饋電壓U8B又比I滯后90°,即與輸出電壓Uo反相（相差180°)而與輸入電壓Ui同相，實現(xiàn)了正反饋，電路實現(xiàn)振蕩。電容三點式振蕩器的特點是振蕩輸出電壓波形好，振蕩頻率較穩(wěn)定，但不易起振，波段頻率范圍較窄。RiL為了進一步提高振蕩器的頻率穩(wěn)定度，可以采用晶體振蕩器。因為晶體的諧振頻率十分穩(wěn)定，因此晶體振蕩器具有非常高的頻率穩(wěn)定度。根據(jù)晶體在電路中的作用形式，常用的晶體振蕩器可分為并聯(lián)晶體振蕩器和串聯(lián)晶體振蕩器兩類。并聯(lián)晶體振蕩器電路如圖6所示，晶體B作為反饋元件，并聯(lián)于晶體管VT的集電極與基極之間。這是一個電容三點式振蕩器，晶體B在這里等效為一個電感元件使用，與振蕩回路電容C2、C3一起組成并聯(lián)諧振回路，共同決定電路的振蕩頻率。串聯(lián)晶體振蕩器電路如圖7所示，晶體管VT1、VT2組成兩級阻容耦合放大器，晶體B與C串聯(lián)后作為兩級放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)。晶體B在這里等效為一個純電阻使用，將VT2的集電極電壓反饋到VT1的基極，構(gòu)成正反饋電路。電路振蕩頻率由晶體的固有串聯(lián)諧振頻率決定。9==C3VtiVt2口放大器的作用是將振蕩器產(chǎn)生的高頻信號放大到足夠的功率，送至天線發(fā)射出去。數(shù)十毫瓦以下的小功率發(fā)射裝置也可以不用高頻放大器，而由高頻振蕩器直接通過天線發(fā)射。高頻放大器是一種選頻放大器，它只放大我們需要發(fā)射的頻率的無線電信號。選頻放大器最顯著的只有f二fo的信號得到放大，由L1耦合調(diào)頻是一種以載波的瞬時頻率變化來表示信息的調(diào)制方式。（與此相對應(yīng)的調(diào)幅方式是透過載波幅度的變化來表示信息，而其頻率卻保持不變。）在模擬應(yīng)用中，載波的頻率跟隨輸入信號的幅度直接成等比例變化。在數(shù)字應(yīng)用領(lǐng)域，載波的頻率則根據(jù)數(shù)據(jù)序列的值作離散跳變，即所謂的頻率鍵控（FSK。圖14是頻率調(diào)制的例子。上圖顯示了一個疊加在載波信號上的調(diào)制信號。下圖顯示了最后得到的頻率調(diào)制信號。125.1調(diào)頻工作原理表在一個方向上相對f的最大頻率偏離，在此我們假定x?t）是有限的幅值限于土1之間。c1.2.5.2鎖相環(huán)CD4046集成模塊的介紹CD4046是通用的CMO鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V-18V），耗器件。CD4046鎖相的意義是相位同步的自動控制，功能是完成兩個電信號相位同步的自動控技術(shù)領(lǐng)域。鎖相環(huán)主要由相位比較器（PC、壓控振蕩低波器三部分組成，如圖15所示。CD4046工作原理：輸入信號Ui從14腳輸入后，經(jīng)放大器A1進行放大、整形后加到相位比較器I、U的輸入端，圖16開關(guān)K撥至2腳，則比較器I將從3腳輸入的比較信號Uo與輸R4及C2濾波后得到一控制電壓Ud加至壓控振蕩器VCO的輸入端9腳，調(diào)整VCO勺振蕩頻率f2，使f2迅速逼近信號頻率f1oVCO勺輸出又經(jīng)除法器再進入相位比較器I，繼續(xù)與Ui進行相位比較，最后使得f2=f1，兩者的相位差為一定值，實現(xiàn)了相位鎖定。若開關(guān)K撥至5腳禁止端，高電平時禁止，低電平時允許壓控振蕩器工作LM386是專為低損耗電源所設(shè)計的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為20,透過pin1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范2紅外接收系統(tǒng)圖20是紅外接收系統(tǒng)的組成框圖，它是由紅外接收電路、高頻放大電路、頻率解調(diào)電路、音頻功放電路、揚聲器和直流穩(wěn)壓電源組成。2.2紅外接收系統(tǒng)的工作原理分析圖21是紅外接收系統(tǒng)的電路原理圖3紅外通信系統(tǒng)的仿真3.1仿真軟件的介紹由于電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品已與計算機緊密相連，電子產(chǎn)品的智能化日益成熟，電路的集成度越來越高，而產(chǎn)品的更新周期卻越來越短。Multisim最新版本?？梢栽O(shè)計、測試和演示各種電子電路，包括電工電路、模擬電路、數(shù)字電路、射頻電路及部分微機接口電路等?？梢詫Ρ环抡娴碾娐分械脑骷O(shè)置各種故障，如開路、短路和不同程度的漏電等，從而觀察不同故障情況下的電路。它有豐富的元件庫，為用戶提供元器件模型的擴充和技術(shù)；虛擬測試儀器儀表種類齊全，其操作方法與實際儀器十分相似；具有較為詳細的電路分析功能，可以完成電路的瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析、時域和頻域分析、器件的線性和非線性分析、電路的噪聲分析和失真分析、離散傅里葉分析、電路零極點分析、交直流靈敏度分析等18種路板設(shè)計自動化軟件Protel及電路仿真軟件Pspice之間的文件接口，也能通過Windows電路圖送往文字處理系統(tǒng)中進行編輯排版，同時還支持VHDL和VerilogHDL語言的電路仿真與設(shè)計?！縭.jLEIDI1DKIflnF圖22紅外發(fā)射電路系統(tǒng)仿真圖圖23紅外接收電路系統(tǒng)仿真圖4.安裝、焊接、調(diào)試及性能分析4.1鎖相環(huán)調(diào)頻電路仿真分析直接調(diào)頻電路的振蕩器中心頻率穩(wěn)定度較低，而采用晶體振蕩器的調(diào)頻電路，其調(diào)頻范圍又太窄。采用鎖相環(huán)的調(diào)頻器可以解決這個矛盾。其結(jié)構(gòu)原理如圖24所示。首先在Multisim軟件中構(gòu)造鎖相環(huán)的仿真模型。基本的鎖相環(huán)由鑒相器（PD）、環(huán)路濾波器（LP）和壓控振蕩器（VCO）三個部分組成。圖中,鑒相器由模擬乘法器A1實現(xiàn),壓控振蕩器為V3,環(huán)路濾波圖24鎖相環(huán)調(diào)頻電路的原理框圖SXWVans：25kHiOP牛根據(jù)圖24建立的仿真電路如圖25所示。圖中,設(shè)置壓控振蕩器V1在控制電壓為0時，輸出頻率0；控制電壓為5V時，輸出頻率為50kHz。這樣，實際上就選定了壓控振蕩器的中心頻率為25kHz,為此設(shè)定直流電壓V3為2.5V。調(diào)制電壓V4通過電阻R5接到VCO的輸入端，R5實際上是作為調(diào)制信號源V4的內(nèi)阻，這樣可以保證加到VCO輸入端的電壓是低通濾波器的輸出電壓和調(diào)制電壓之和，從而滿足了原理圖的要求。本電路中，相加功能也可以通過一個加法器來完成，但電路要變得相對復(fù)雜一些。VCO輸出波形和輸入調(diào)制電壓V4的關(guān)系如圖26所示。由圖可見，輸出信號頻率隨著輸入信號的變化而變化，從而實現(xiàn)了調(diào)頻功能。圖26鎖相環(huán)調(diào)頻波形（藍色為調(diào)頻輸出紅色為調(diào)制信號4.2鎖相環(huán)鑒頻電路仿真分析信號用鎖相環(huán)可實現(xiàn)調(diào)頻信號的解調(diào)，其原理框圖如圖27所示。為了實現(xiàn)不失真的解調(diào)，要求鎖相環(huán)的捕捉帶必須大于調(diào)頻波的最大頻偏，環(huán)路帶寬必須大于調(diào)頻波中輸入信號的頻譜寬調(diào)頻波調(diào)頻波圖27鎖相環(huán)鑒頻電路的原理框圖路相同。為了進一步改善低通濾波器的輸出波形，在R1、C1的輸出端，又串接了一級圖28鎖相環(huán)鑒頻的仿真電路由于鎖相環(huán)鑒頻時要求調(diào)制信號要處于低通濾波器的通帶之內(nèi)阻值要比調(diào)頻電路中的阻值小。本例中，R仁10k。仿真波形如圖該電路實現(xiàn)了鑒頻功能。如果將R4C2的輸出作為VCO的輸入,這在實際仿真時所示。由圖可見,則仿真結(jié)不再正確,r^?-xsci■L_TIT4T1比例50sQvXfcS02-702m&2.7021nsD.ODOs而廿蹴過亟SEE-SlB.097mVO.OCMV757,382^757.382mV0.0MV比例SOmV^lvY位置-16.6畫回iEstTrigger］［］［圖29鎖相環(huán)鑒頻實驗結(jié)果波形由圖可知，由于壓控振蕩器計低通濾波器的參數(shù)不是特別合適，毛刺，而不能很好的實現(xiàn)濾波，輸出完美的正弦波。導(dǎo)致輸出波形出項畢業(yè)設(shè)計即將接近尾聲，在這一段時間里，對自己來說，是一個非常大的鍛煉和提對于我的畢業(yè)設(shè)計，我也做了很多工作。確定了畢業(yè)題目后，我就開始著手搜集一些有關(guān)畢業(yè)論文方面的資料與文獻，并對其進行了學(xué)習(xí)與理解。之后，我就開始我的電路的系統(tǒng)設(shè)計。在電路設(shè)計這一板塊，我對之前的一些軟件又有了較為熟練的理解與操作。對我以后畢業(yè)找工作又增本論文是一個實用研究型課題。其目的是借鑒廣泛應(yīng)用的紅外通信技術(shù)，在迅猛發(fā)展的無線音頻產(chǎn)品市場，尋求一種順應(yīng)社會需求具有廣闊市場發(fā)展空間的接聽裝置。本文分析了紅外通信的國內(nèi)外發(fā)展形勢，在此基礎(chǔ)上提出了自己的解決思路和設(shè)計本文紅外無線通信系統(tǒng)主要有兩大部分組成:1.紅外發(fā)射電路模塊包括基本電路及