基于Δ-Σ调制技术的无线音频传输装置

摘要：本文针对有线音频传输的存在信号损耗和干扰问题，提出一种基于Δ-Σ调制技术的无线音频数字传输方案，方案利用Δ-Σ调制器对音频信号进行采集，将采集得到的高速比特流数据通过红外光的形式向外无线传输。同时为了增加接收面积，方便解决发送、接收的对准问题，利用太阳能电池对光信号进行检测和提取，光电转换后得到的接收信号经模拟开关和切比雪夫滤波器后完成音频信号的还原。实验数据表明，该方案结构简单，成本低，同时信号失真小。

引言

在一些大型场所中，音频信号需要传送的距离通常达到几百米远，扩声系统设计中最为关键的问题是解决微弱的音频信号的远距离优质传输。传统的模拟传输方式难以解决信号损耗和电磁干扰及接地干扰等难题^[1]，因此，模拟音频已经无法适应整个扩声系统最基本的要求^[2]。随着电子技术和数字化技术的飞速发展，数字音频已经在音频传输等各个应用领域得到了广泛的应用。采用数字信号进行传输和处理的优点是数字信号对干扰不敏感，整个系统的信噪比及失真与传输距离无关，其优良的性能指标是模拟传输所无法比拟的。目前数字音频处理系统中通常需要专用的音频处理芯片和高性能微处理器，方案成本高。

Δ-Σ调制技术采用较高的采样频率(远高于奈奎斯特采样频率)进行信号采样，采用较低的量化位数实现较高的ADC分辨率(“以速度换精度”)^[3]，同时量化噪声整形技术能将量化噪声推向高频端，从而大幅地提高信噪比^[4]，音频信号的还原可以采用专用的1-bit DAC实现^[5]。本次设计方案利用Δ-Σ调制技术可将模拟的音频信号变成高速的比特数据流(PCM)，得到的高速比特数据流信号控制发光器件发光，将数据转换成光信号向外传输。接收端利用太阳能电池实现光信号的检测和提取，信号经放大、整形后，通过模拟开关和切比雪夫滤波器后实现音频信号的还原。

1 系统结构及原理

1.1 系统结构

系统主要包含发射装置和接收装置两部分，其结构框图如图1所示，发射装置利用Δ-Σ调制器将音频信号转换成高速比特流信号，驱动红外发光二极管，将音频信号转换成红外光信号进行发送。接收装置利用太阳能电池接收红外光信号，信号经放大、整形、滤波等处理后，经D/A转换后还原成音频信息进行输出，从而实现音频信号的无线传输。


　　Δ-Σ调制器的工作原理是采用远大于尼奎斯特采样频率对输入的模拟信号进行采样，内部包含积分器、量化器和D/A转换器，实现用低位量化达到高分辨率的目的^[6]。采样的模拟信号与上一时刻的采样信号(反馈信号)进行差动比较，同时将产生的差动信号(±Δ)进行积分后送入比较器中进行量化输出，有效的改善了噪声信号比(SNR)。接收装置利用太阳能电池作为接收器件，实现红外光信号的接收，理想PN结太阳能电池可以用一恒流源(光生电流)及一理想二极管的并联来表示。实际上，PN结太阳能电池存在着内阻和漏电阻的影响。当漏电阻小于100Ω后，对太阳能电池的影响可以忽略不计。

2 信号处理与硬件设计

2.1 发射装置信号处理

图2所示为发射装置电路图，信号采集电路利用Δ-Σ型调制器AD7400A以10 MSPS进行音频信号采样，输出和音频信号幅值成对应关系的高速1位数据流。信号发射电路利用AD7400A输出的高速比特流信号作为控制信号控制三极管导通，将高速比特流电信号转换成红外光信号向外传播。红外发光二极管选用SIR-568ST3F，该二极管的开关频率可达50MHz，频率响应特性高。

2.2 接收装置信号处理

由于发射端发射频率较高，当传输距离较远时，太阳能电池接收的信号微弱，如果直接利用，信号几乎淹没在噪声中。因此设计了信号前级放大电路，通过电容隔离直流噪声，对信号进行2级放大后输出。放大后的信号经过CMOS单刀双掷开关AD849后，将发射端发射的高速比特流信号还原成模拟信号，实现音频信号的复现。为了滤除Δ-Σ调制过程中产生的高频噪声，需要对还原的模拟信号进行滤波。为了保证噪声衰减效果，要求滤波器的阶数高于调制器阶数。由于切比雪夫滤波器有较好的通带特性和较大的阻带衰减，当采用相同的滤波器阶数时，切比雪夫响应比巴特沃兹或贝塞尔响应更能提供陡峭的滚降。滤波器利用运算放大器AD8646设计成一个四阶切比雪夫滤波器，该运算放大器支持轨到轨输入和输出、单电源工作，具有良好的低噪声性能，完整的具电路如图3所示。

3 实验数据

为了验证方案的实际效果，对装置进行了实验调试，图4-a)所示为DS1052E示