模拟数字混合红外信道通信装置的设计

摘要：红外通信技术具有低成本、跨平台、点对点数据连接的特点广泛应用于各种短距离通信中，但多为数字通信。设计提出一种模拟数字混合的红外信道的通信方法，采用频分复用的方法实现了模拟信号与数字信号在同一个红外物理信道上传输。而且针对数字信号采用了ASK调制方式，实现频谱的迁移，提高了抗干扰能力。模拟数字混合红外信道的实现为在红外信道上采用语音方式控制家电提供了一种可选方案。

引言

红外通信是以红外线作为载体来传送数据信息。广泛用于家用电器如遥控器、计算机的遥控键盘和遥控鼠标以及便携式数据收集装置(煤水电表的登录器、报税机)与主机的数据交换中。它作为一种无线通信，与无线电通信相比，由于其性能价格比高、实现简单，具有抗电磁干扰、便于高速应用、空间接入灵活、经济等特点，可用于室内外实现点对点、无线红外LAN通信及军用红外引信，在移动计算和移动通讯设备中获得了广泛的应用[1-3]。随着物联网的发展，红外通信作为一种无线通信方式也被引入物联网通信框架中[4-5]。目前红外线通信多采用数字编码方式，但直接模拟通信也是重要的通信方式，本文在红外信道上同时实验数字和模拟通信两种方式，实现通过红外信道即传输数字同时传输语音的方式，为红外信道的更广泛应用提供一种可行方案。例如通过语音控制电视、控制电扇等家电提供了一种可选方案。

1 系统结构

系统由发射机、接收机两部分组成。其中发射机负责模拟信号和数字信号的采集。并对采集信号做相应的处理，再经过频分复用实现信号的混合，最后将混合信号通过红外发射电路发射。其发射机系统框图如图1所示。



接收机负责将接收的信号滤波处理。得到一路模拟信号和一路数字信号。再将两路信号做相应的处理还原出模拟信号和数字信号。其接收机的系统框图如图2所示。



2 硬件电路设计

2.1 信号采集电路

模拟的语音信号采集电路是用驻极体话筒和8050三极管共基放大电路组成。

2.2 放大滤波电路

模拟的语音信号频率一般集中在300Hz~3KHz，因此要设计低通滤波器且截止频率大于3KHz，由于巴特沃斯滤波器在通频带中部有很平坦的频率响应，虽然在靠近-3dB点的区域多少有点起伏，在-3dB点外，衰减速率逐渐增加并达到每倍频n*6dB(n为滤波器阶数)，巴特沃斯滤波器相对来说容易搭建，并且需要的元件不像其他滤波器那样精确。本系统采用4介巴特斯滤电路如图3所示。



2.3 本地震荡电路

本地震荡电路采用文氏电桥震荡电路，文氏电桥震荡电路起振条件有要求R1>2R4，振荡的频率f=1/(2pi*RC)，由于ASK载波选用60KHz，所以本地振荡频率f= 60KHz。

2.4 ASK调制电路

数字基带信号占用的频带宽度与码型和码速有关，51单片机读取数字温度信号后，进过处理转成二进制的单极性非归零码，通过串口发送给ASK调制电路。串口发送速率为300Baud，所以数字基带信号占用的频带为600Hz，这与模拟的语音信号所在的频带有重叠，故数字信号要经过调制实现频带的迁移，才能和模拟信号频分复用。调制方法采用 ASK键控法，选通开关使用CD4053。

2.5 频分复用

调制后的数字信号和模拟的语音信号频谱没有叠加，可以用加法器直接相加。加法器采用 反相加法器。

2.6 发射电路

红外发射管先选取一个合适的静态工作点，再加入模数的混合信号。

2.7 接收、前置放大电路

接收到的模数混合信号不再是基带信号，是60KHz的ASK信号和300Hz~3KHz的模拟语音信号的混合信号，故放大器要求带宽比较大，选用opa842作为前级放大器。电路如图4所示。



2.8 ASK解调电路

前级放大信号经过两路不同的滤波放大电路后，可以从混合信号中分离出ASK信号，和模拟语音信号，模拟语音信号进过功放后直接有喇叭播放，实现语音信号的还原。而ASK信号要解调后才可以等到数字基带信号。ASK解调方法有相干解调和包络解调。由于包络解调方法简单，故采用包络解调电路。




3 软件设计与实现

3.1 发射机程序

发射机温度采集使用的是DS18b20芯片，采集到的数据有STC89c51单片机读取，读取到的数据送到LCD1602液晶显示屏显示，同时将数据打包由串口发送给ASK调制电路。
                                
3.2 接收机程序

接收机接到ASK解调信号后，对接受的数据包解析，判断是否接受到完整的数据包，然后将数据显示在液晶显示屏上。4 实验与仿真4.1 模拟语音信号分析

模拟语音信号频率主要集中在300Hz~3KHz，实验时用300Hz的正弦信号代替。其时域图和频谱图如图5和图6所示。4.2 数字基带信号分析

数字基带信号频谱与码型和波特率有关，300Baud的单极性非归零码的时域图和频谱图分别如图7和图8所示。




4.3 数字基带信号与模拟信号的混合信号分析

由于数字基带信号和模拟信号的频谱有混叠，直接混合后无法实现信号的还原。故不能直接混合。混合信号的时域图和频谱图如图9和图10所示。




4.4 ASK信号分析

数字基带信号经调制后实现了频谱的搬迁，使用60KHz的载波，调制后的波形频谱主要集中在60KHz附近。其时域图和频谱图如图11和图12所示。4.5 ASK信号与模拟语音信号的混合信号分析




由图11和图12可知ASK信号的频谱与模拟信号的频谱没有叠加，而且两频谱相差比较远，容易实现信号的还原。即通过两个不同滤波带同器即可实现信号的还原。ASK信号与模拟语音信号的混合信号时域图为13，频谱图如图14所示。




4.6 测试与结果

如图15所示是模拟数字混合红外信道通信装置的实物照片。



通过对装置发射机和接收机实际多次测量，其发射和接收机功耗，数字通信及模拟通信距离等参数情况如表1所示。功耗的测量是在系统运行时通过测量电源输入电压和电流计算获得的，数字通信距离的确定是在发射机端固定发射PRBS7(伪随机序列)某一特定值通过观看接收机的显示屏上是否显示同样的随机序列值，并调节通信距离，并在十分钟没有出现错误，并通过五种不同序列值进行测试确定下来的通信距离。模拟信道的通信距离，主要是通过发送固定文字语音信号，通过站在接收机侧能听清其中的文字为准测得的距离。



测试结果表明模拟数字混合红外通信信道是可行的。功耗在2W内可以达到混合通信距离1米以上，具有一定可实用性，由于设计采用的均为分离元器件，所以相对功耗比较大，如果采用集成电路可以进一步降低功耗。