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摘要：紅外通信技術具有低成本、跨平臺、點對點數據連接的特點廣泛應用于各種短距離通信中，但多為數字通信。設計提出一種模擬數字混合的紅外信道的通信方法，采用頻分復用的方法實現了模擬信號與數字信號在同一個紅外物理信道上傳輸。而且針對數字信號采用了ASK調制方式，實現頻譜的遷移，提高了抗干擾能力。模擬數字混合紅外信道的實現為在紅外信道上采用語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傳送數據信息。廣泛用于家用電器如遙控器、計算機的遙控鍵盤和遙控鼠標以及便攜式數據收集裝置(煤水電表的登錄器、報稅機)與主機的數據交換中。它作為一種無線通信，與無線電通信相比，由于其性能價格比高、實現簡單，具有抗電磁干擾、便于高速應用、空間接入靈活、經濟等特點，可用于室內外實現點對點、無線紅外LAN通信及軍用紅外引信，在移動計算和移動通訊設備中獲得了廣泛的應用[1-3]。隨著物聯網的發展，紅外通信作為一種無線通信方式也被引入物聯網通信框架中[4-5]。目前紅外線通信多采用數字編碼方式，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實驗數字和模擬通信兩種方式，實現通過紅外信道即傳輸數字同時傳輸語音的方式，為紅外信道的更廣泛應用提供一種可行方案。例如通過語音控制電視、控制電扇等家電提供了一種可選方案。 1 系統結構 系統由發射機、接收機兩部分組成。其中發射機負責模擬信號和數字信號的采集。并對采集信號做相應的處理，再經過頻分復用實現信號的混合，最后將混合信號通過紅外發射電路發射。其發射機系統框圖如圖1所示。 接收機負責將接收的信號濾波處理。得到一路模擬信號和一路數字信號。再將兩路信號做相應的處理還原出模擬信號和數字信號。其接收機的系統框圖如圖2所示。 2 硬件電路設計 2.1 信號采集電路 模擬的語音信號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 模擬的語音信號頻率一般集中在300Hz~3KHz，因此要設計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，雖然在靠近-3dB點的區域多少有點起伏，在-3dB點外，衰減速率逐漸增加并達到每倍頻n*6dB(n為濾波器階數)，巴特沃斯濾波器相對來說容易搭建，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調制電路 數字基帶信號占用的頻帶寬度與碼型和碼速有關，51單片機讀取數字溫度信號后，進過處理轉成二進制的單極性非歸零碼，通過串口發送給ASK調制電路。串口發送速率為300Baud，所以數字基帶信號占用的頻帶為600Hz，這與模擬的語音信號所在的頻帶有重疊，故數字信號要經過調制實現頻帶的遷移，才能和模擬信號頻分復用。調制方法采用 ASK鍵控法，選通開關使用CD4053。 2.5 頻分復用 調制后的數字信號和模擬的語音信號頻譜沒有疊加，可以用加法器直接相加。加法器采用 反相加法器。 2.6 發射電路 紅外發射管先選取一個合適的靜態工作點，再加入模數的混合信號。 2.7 接收、前置放大電路 接收到的模數混合信號不再是基帶信號，是60KHz的ASK信號和300Hz~3KHz的模擬語音信號的混合信號，故放大器要求帶寬比較大，選用opa842作為前級放大器。電路如圖4所示。 2.8 ASK解調電路 前級放大信號經過兩路不同的濾波放大電路后，可以從混合信號中分離出ASK信號，和模擬語音信號，模擬語音信號進過功放后直接有喇叭播放，實現語音信號的還原。而ASK信號要解調后才可以等到數字基帶信號。ASK解調方法有相干解調和包絡解調。由于包絡解調方法簡單，故采用包絡解調電路。 3 軟件設計與實現 3.1 發射機程序 發射機溫度采集使用的是DS18b20芯片，采集到的數據有STC89c51單片機讀取，讀取到的數據送到LCD1602液晶顯示屏顯示，同時將數據打包由串口發送給ASK調制電路。 3.2 接收機程序 接收機接到ASK解調信號后，對接受的數據包解析，判斷是否接受到完整的數據包，然后將數據顯示在液晶顯示屏上。4 實驗與仿真4.1 模擬語音信號分析 模擬語音信號頻率主要集中在300Hz~3KHz，實驗時用300Hz的正弦信號代替。其時域圖和頻譜圖如圖5和圖6所示。4.2 數字基帶信號分析 數字基帶信號頻譜與碼型和波特率有關，300Baud的單極性非歸零碼的時域圖和頻譜圖分別如圖7和圖8所示。 4.3 數字基帶信號與模擬信號的混合信號分析 由于數字基帶信號和模擬信號的頻譜有混疊，直接混合后無法實現信號的還原。故不能直接混合。混合信號的時域圖和頻譜圖如圖9和圖10所示。 4.4 ASK信號分析 數字基帶信號經調制后實現了頻譜的搬遷，使用60KHz的載波，調制后的波形頻譜主要集中在60KHz附近。其時域圖和頻譜圖如圖11和圖12所示。4.5 ASK信號與模擬語音信號的混合信號分析 由圖11和圖12可知ASK信號的頻譜與模擬信號的頻譜沒有疊加，而且兩頻譜相差比較遠，容易實現信號的還原。即通過兩個不同濾波帶同器即可實現信號的還原。ASK信號與模擬語音信號的混合信號時域圖為13，頻譜圖如圖14所示。 4.6 測試與結果 如圖15所示是模擬數字混合紅外信道通信裝置的實物照片。 通過對裝置發射機和接收機實際多次測量，其發射和接收機功耗，數字通信及模擬通信距離等參數情況如表1所示。功耗的測量是在系統運行時通過測量電源輸入電壓和電流計算獲得的，數字通信距離的確定是在發射機端固定發射PRBS7(偽隨機序列)某一特定值通過觀看接收機的顯示屏上是否顯示同樣的隨機序列值，并調節通信距離，并在十分鐘沒有出現錯誤，并通過五種不同序列值進行測試確定下來的通信距離。模擬信道的通信距離，主要是通過發送固定文字語音信號，通過站在接收機側能聽清其中的文字為準測得的距離。 測試結果表明模擬數字混合紅外通信信道是可行的。功耗在2W內可以達到混合通信距離1米以上，具有一定可實用性，由于設計采用的均為分離元器件，所以相對功耗比較大，如果采用集成電路可以進一步降低功耗。 5 總結 通過仿真和裝置實物的實現與測試表明模擬與數字混合的紅外線通信信道是可行的。裝置的發射機能夠采集到模擬的語音信號和數字的溫度信號，并實現模擬信號和數字信號的無失真混合將混合信號通過紅外信道發射。接收機能夠分離數字和模擬信號并可靠的把數字信息輸出到液晶屏上，模擬信號輸出到揚聲器。整個裝置成功的將模數混合信號通過紅外信道有效達傳送1.2m。具有一定可實用性和參考性。 參考文獻： [1]高紹斌, 喬學工, 王華倩. 一種點對多點紅外通信協議設計與實現[J]. 電視技術, 2013, 37(21):21-23 [2]張利娜, 洪顯昌. 紅外通信的設計與實現[J]. 現代電子技術, 2008, 31(23):87-89 [3]張健. 紅外通信技術淺析[J]. 信息與電腦：理論版, 2012, (2). [4]張毅, 張靈至, 盧威. 面向物聯網的ZigBee-紅外控制系統設計[J]. 電子技術應用, 2013, 39(5) [5]江俊, 趙駿. 紅外通信在智能家居系統中的廣泛運用[J]. 城市建設理論研究：電子版, 2012 |
