红外无线通信系统的设计与实现.doc

1、 摘 要红外无线通信，通常又叫红外光通信，是利用红外线传送信息的一种通信方式。红外线通信所传输的内容是多样的，可以是音频信号，也可以是视频信号。利用红外线，可以构成无绳电话及无线耳机系统。红外线的传输距离不远，一般在十米以内，但可以避免频谱占用，信号失真等电气指标较易处理，应用于普通的办公室和家庭等场合应该已经可以满足要求。红外线的应用范围很广，电视机、空调、微波炉等凡涉及到遥控的家电，一般均采用红外线来作为信号传输的载体。本次设计的红外无线通信系统主要是传递音频信号。该系统是由发射模块和接收模块组成。发射模块的输入与音响设备相连接，从音响设备输出的音频信号调制红外光以后，由红外光发射机将调制

2、的红外光向空间发射。红外无线系统的接收部分将接收到的已调制红外光进行解调，还原出音频信号，然后送到扬声器发出声音。本次设计的电路系统具有实用、成本低廉、使用方便的优点。关键词 红外线、发射、接收、调制、解调 目 录中文摘要.英文摘要.0 引言1 红外发射系统 1.1 红外发射系统组成框图 1.2 红外发射系统的工作原理分析 1.2.1 直流稳压电源. 1.2.2 音频放大电路. 1.2.3 高频振荡电路. 1.2.4 高频放大电路. 1.2.5 频率调制电路. 1.2.6 高频功放电路. 1.2.7 红外发射电路.2 红外接收系统 2.1 红外接收系统的组成框图 2.2 红外接收系统的工作原理

3、分析 2.2.1 直流稳压电源. 2.2.2 红外接收电路. 2.2.3 高频放大电路. 2.2.4 频率解调电路. 2.2.5 音频功放电路. 2.2.6 扬声器.3 红外通信系统的仿真 3.1 仿真软件的介绍 3.2 仿真调试4. 安装、焊接、调试及性能分析5. 结论6. 致谢7. 参考文献 0 引 言 随着计算机与通信技术的飞速发展，计算机通信得到广泛应用，硬件技术可谓是日新月异，其总体趋势向着高集成度、高稳定性、高速和高性价比方向发展。而红外无线耳机通信系统装置则是目前应用较为广泛的通信形式。 我们经常会碰到这样的情况：看电视或听音乐、上网为了不影响家人或者邻居休息，特地使用耳机，却又

4、会常常为耳机线的存在而烦恼，有时是不够长，有时是跟别的设备缠绕在一起，使用起来很不方便。而制作一款无线耳机就能解决上述问题。由于感应式无线耳机的发射电路必须固定安装在房间的墙壁或天花板上，故无法在室外使用，这是感应式无线耳机的主要缺点。而红外无线耳机则不然，由于它的信号发射采用小巧的红外发射电路，既可在室内用于电化教学、家庭电视和音响设备的音频信号无线接收，也能在户外使用便携式录音机、CD、VCD 及MP3时，方便地去掉耳机线，实现名副其实的无线“随身听”。它不仅带给我们无拘无束的轻松感觉，更多的是使我们的心情舒畅自在。无线耳机也可以广泛用于外语听力教育，是现代电化教育的辅助工具，充分利用了无

5、线电的磁场在空气中传播的原理。 信号的调制方式有三种，分别是幅度调制、频率调制、相位调制三种。其中频率调制具有比幅度调制频率高、带宽宽、抗干扰强，同时比调相方式经济等特点锁相环技术(PLL) 是一种能自动跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统该技术在频率调制方面应用十分广泛, 遍及广播、电视、通信、雷达、导航、计算机及仪表等领域锁相环集成电路CD4046（能跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统） 是一种低频多功能单片数字锁相环集成电路, 最高工作频率1.3 MHz , 电源电压3 18 V与类似的双极性单片锁相环集成电路相比,功耗仅为其数百分之一, 因而它在频率调制与解调、频率合成、电视机彩色副波提

6、取、FM 立体声解码、遥控系统、频率的编码和译码等诸多方面均得到了应用集成环路部件以其低成本、性能优良、使用简便而得到了青睐。本文介绍了集成锁相环cd4046在频率的调制与解调方面的应用。基于频率调制和锁相环技术的优点，本次介绍一种应用锁相环和红外技术制作而成，采用频率调制方式，用红外线传送音频信号的调频红外无线设备该设备具有供电方式多样，传输距离10m以内，音质较好，红外信号基本不受电磁干扰，性价比高等特点。1红外发射系统1.1 红外发射系统组成框图 图1是红外发射系统的组成框图。它是由音频放大电路、频率调制电路、高频功放电路、高频振荡电路、高频放大电路、直流稳压电源、红外发光二极管组成。

7、图1 红外发射系统的组成框图 1.2 红外发射系统的工作原理分析 1.2.1直流稳压电源考虑到直流电源。我们用四个1N4007四个晶体管构成桥式整流桥。将220V50Hz的交流电转换为直流电。以电容元件进行整流。因为我们要输出5V的电压，所以选用稳压管7805。图2是直流稳压电源电路系统框图。 图2 直流稳压电源电路系统框图1.2.1.1 变压器 220V交流电端子连一个降变压器把电压值降到8V左右1.2.1.2 桥式全波整流电路根据图，输出的平均电压值即：1.2.1.3 电容滤波 本设计我们使用电容滤波，滤波后，输出电压平均值增大，脉动变小。C 越大， RL越大，越大，放电越慢，曲线越平滑，

8、脉动越小。1.2.1.4 +5V直流稳压电源的总设计框图图3 +5v直流稳压电源的总设计框图图3是+5v直流稳压电源的总设计框图。它由电源变压器，桥式整流电路D1D4，滤波电容C1、C3，防止自激电容C2、C4和一只固定式三端稳压器(7805)组成的。220V交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定式三端稳压器LM7805的Vin和GND两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过LM7805的稳压和C3的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。本

9、稳压电源可作为TTL电路或单片机电路的电源。三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最为广泛的一种单片式集成稳压器件。1.2.2 音频放大电路 本次发射模块的电路系统的音频放大采用的是三极管共射级放大电路电路。图4是共射级放大电路图4 共射级放大电路1.2.3 高频振荡电路 振荡器是一种不需要外加输入信号，而能够自己产生输出信号的电路。产生无线电载波信号的高频振荡器属于正弦波振荡器。正弦波振荡器由放大电路和反馈电路两部分组成，反馈电路将放大电路输出电压的一部分正反馈到放大电路的输入端，周而复始

10、即形成振荡，如图1 所示。高频振荡器有变压器耦合振荡器、电感三点式振荡器、电容三点式振荡器、晶体振荡器等多种电路形式，图4是正弦波振荡器。图5 正弦波振荡器1.2.3.1 变压器耦合振荡器 变压器耦合振荡器电路如图6 。变压器T 包括振荡线圈L2 和反馈线圈L1，L2 与C2 组成LC 并联谐振回路，作为晶体管VT 的集电极负载，L1 接在VT 基极。VT 与LC 并联谐振回路构成选频放大器，只有频率f f o 的信号得到放大，并经变压器T 正反馈至基极，形成振荡，振荡频率f o1/（2 L 2C2），正弦波信号经C4 耦合输出。变压器耦合振荡器的特点是容易起振，输出电压较大，但最高振荡频率较

11、低。1.2.3.2 电感三点式振荡器 所谓三点式振荡器，是指晶体管的3 个电极直接与振荡回路的3 个端点相连接而构成的振荡器。图6 变压器耦合振荡器图7 三点式振荡器1.2.3.3 电容三点式振荡器 电容三点式振荡器电路如图5 所示，L、C3、C4 为构成振荡回路的3 个电抗，由于振荡回路的3 个电抗中有两个是电容，所以叫做电容三点式振荡器。电容三点式振荡器中，C3 上的输出电压Uo 同时加在L、C4 支路上，由于电感上电流滞后电压90，所以支路电流I 比Uo 滞后90。而I 流过电容C4 所产生的反馈电压U又比I 滞后90，即与输出电压Uo 反相（相差180）而与输入电压Ui 同相，实现了正

12、反馈，电路实现振荡。电容三点式振荡器的特点是振荡输出电压波形好，振荡频率较稳定，但不易起振，波段频率范围较窄。图8 电容三点式振荡器1.2.3.4 晶体振荡器 为了进一步提高振荡器的频率稳定度，可以采用晶体振荡器。因为晶体的谐振频率十分稳定，因此晶体振荡器具有非常高的频率稳定度。根据晶体在电路中的作用形式，常用的晶体振荡器可分为并联晶体振荡器和串联晶体振荡器两类。并联晶体振荡器电路如图6 所示，晶体B 作为反馈元件，并联于晶体管VT 的集电极与基极之间。这是一个电容三点式振荡器，晶体B 在这里等效为一个电感元件使用，与振荡回路电容C2、C3 一起组成并联谐振回路，共同决定电路的振荡频率。串联晶

13、体振荡器电路如图7 所示，晶体管VT1、VT2 组成两级阻容耦合放大器，晶体B 与C串联后作为两级放大器的反馈网络。晶体B 在这里等效为一个纯电阻使用，将VT2 的集电极电压反馈到VT1 的基极，构成正反馈电路。电路振荡频率由晶体的固有串联谐振频率决定。图9 并联晶体振荡器图10 串联晶体振荡器1.2.4高频放大电路1.2.4.1高频放大器 无线电发射电路的组成通常包括振荡器、调制器、高频放大器和天线等，如图8所示。高频放大器的作用是将振荡器产生的高频信号放大到足够的功率，送至天线发射出去。数十毫瓦以下的小功率发射装置也可以不用高频放大器，而由高频振荡器直接通过天线发射。高频放大器是一种选频放

14、大器，它只放大我们需要发射的频率的无线电信号。选频放大器最显著的电路特征是，放大器的负载是LC 谐振回路。高频放大器电路如图9 所示。VT 为高频放大管，L1 与C2 组成并联谐振回路，作为VT 的集电极负载。L1、C2 并联谐振回路的谐振频率为f o ，只有f f o的信号得到放大，由L1 耦合至L2 送入天线发射，电路谐振曲线如图10 所示。RR2 为VT 的基极偏置电阻。C1 为输入耦合电容。图11 无线电发射电路方框图 图12 高频放大器 图13高频放大器频率曲线1.2.5频率调制电路 调频是一种以载波的瞬时频率变化来表示信息的调制方式。（与此相对应的调幅方式是透过载波幅度的变化来表示

15、信息，而其频率却保持不变。）在模拟应用中，载波的频率跟随输入信号的幅度直接成等比例变化。在数字应用领域，载波的频率则根据数据序列的值作离散跳变，即所谓的频率键控（FSK）。图14 频率调制 图14是频率调制的例子。 上图显示了一个叠加在载波信号上的调制信号。下图显示了最后得到的频率调制信号。 1.2.5.1 调频工作原理若欲传送信号为其振幅限制不可大于一载波为fc为载波中心频率，单位为赫兹。A是任意振幅。传送信号将会是 在此，公式中，f(t)是振荡器的瞬时频率，f是频偏（频率偏移）, 代表在一个方向上相对fc的最大频率偏离，在此我们假定xm(t)是有限的幅值限于1之间。 1.2.5.2 锁相环

16、CD4046集成模块的介绍 CD4046是通用的CMOS锁相环集成电路，其特点是电源电压范围宽（为3V18V），输入阻抗高(约100M)，动态功耗小，在中心频率f0为10kHz下功耗仅为600W，属微功耗器件。CD4046锁相的意义是相位同步的自动控制,功能是完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统叫做锁相环,简称PLL。它广泛应用于广播通信、频率合成、自动控制及时钟同步等技术领域。锁相环主要由相位比较器（PC）、压控振荡器（VCO）。低通滤波器三部分组成,如图15所示。图15图16 CD4046内部电原理框图 CD4046工作原理：输入信号 Ui从14脚输入后，经放大器A1进行放大、整形后加

17、到相位比较器、的输入端，图16开关K拨至2脚，则比较器将从3脚输入的比较信号Uo与输入信号Ui作相位比较，从相位比较器输出的误差电压U则反映出两者的相位差。U经R3、R4及C2滤波后得到一控制电压Ud加至压控振荡器VCO的输入端9脚，调整VCO的振荡频率f2，使f2迅速逼近信号频率f1。VCO的输出又经除法器再进入相位比较器，继续与Ui进行相位比较，最后使得f2f1，两者的相位差为一定值，实现了相位锁定。若开关K拨至13脚，则相位比较器工作，过程与上述相同。图17是CD4046的引脚排列，采用16脚双列直插式，各管脚功能：1脚相位输出端，环路人锁时为高电平，环路失锁时为低电平。2脚相位比较器的

18、输出端。3脚比较信号输入端。4脚压控振荡器输出端。5脚禁止端，高电平时禁止，低电平时允许压控振荡器工作。6、7脚外接振荡电容。8、16脚电源的负端和正端。9脚压控振荡器的控制端。10脚解调输出端，用于FM解调。11、12脚外接振荡电阻。13脚相位比较器的输出端。14脚信号输入端。15脚内部独立的齐纳稳压管负极。图17 CD4046引脚图1.2.6高频功放电路1.2.6.1 LM386集成模块介绍LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，增益最高可达200。LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V12V，无作

19、动时仅消耗4mA电流，且失真低。LM386的内部电路图如图18所示。XPa838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号XPa838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号 图18 内部电路图 图19是 LM386功率放大电路图XPa838电子-技术资料-电子元件-电路图-技术应用网站-基本知识-原理-维修-作用-参数-电子元器件符号图19 LM386功率放大原理图 2 红外接收系统2.1 红外接收系统的组成框图： 图20是红外接收系统的组成框图，它是由红外接收电路、高频放大电路、频

20、率解调电路、音频功放电路、扬声器和直流稳压电源组成。 图20 红外接收系统的组成框图 2.2 红外接收系统的工作原理分析 图21 是红外接收系统的电路原理图3 红外通信系统的仿真3.1仿真软件的介绍随着电子技术和计算机技术的发展，电子产品已与计算机紧密相连，电子产品的智能化日益完善，电路的集成度越来越高，而产品的更新周期却越来越短。Multisim 10是加拿大 Interactive Image Technologies公司 2001 年推出的 Multisim 最新版本。可以设计、测试和演示各种电子电路，包括电工电路、模拟电路、数字电路、射频电路及部分微机接口电路等。可以对被仿真的电路中的

21、元器件设置各种故障，如开路、短路和不同程度的漏电等，从而观察不同故障情况下的电路。它有丰富的元件库，为用户提供元器件模型的扩充和技术 ；虚拟测试仪器仪表种类齐全，其操作方法与实际仪器十分相似 ；具有较为详细的电路分析功能，可以完成电路的瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、器件的线性和非线性分析、电路的噪声分析和失真分析、离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析等 18 种电路分析方法，提供了多种输入输出接口，Multisim2001 可以与国内外流行的印刷电路板设计自动化软件Protel及电路仿真软件Pspice之间的文件接口，也能通过Windows 电路图送往文字处理系统中进行编辑排

22、版，同时还支持VHDL和Verilog HDL语言的电路仿真与设计。3.2仿真调试图22红外发射电路系统仿真图图23红外接收电路系统仿真图4. 安装、焊接、调试及性能分析4.1 锁相环调频电路仿真分析直接调频电路的振荡器中心频率稳定度较低,而采用晶体振荡器的调频电路, 其调频范围又太窄。采用锁相环的调频器可以解决这个矛盾。其结构原理如图24 所示。首先在Multisim 软件中构造锁相环的仿真模型。基本的锁相环由鉴相器( PD) 、环路滤波器( LP) 和压控振荡器( VCO) 三个部分组成。图中,鉴相器由模拟乘法器A 1 实现, 压控振荡器为V3 , 环路滤波器由R1 、C1 构成。图24

23、锁相环调频电路的原理框图图25 锁相环调频仿真电路根据图24建立的仿真电路如图25所示。图中,设置压控振荡器V1 在控制电压为0 时, 输出频率0; 控制电压为5V 时, 输出频率为50kHz。这样, 实际上就选定了压控振荡器的中心频率为25kHz, 为此设定直流电压V3 为2. 5V。调制电压V4 通过电阻R5 接到V CO 的输入端, R5 实际上是作为调制信号源V4 的内阻, 这样可以保证加到VCO 输入端的电压是低通滤波器的输出电压和调制电压之和, 从而满足了原理图的要求。本电路中, 相加功能也可以通过一个加法器来完成, 但电路要变得相对复杂一些。VCO 输出波形和输入调制电压V4 的

24、关系如图26 所示。由图可见, 输出信号频率随着输入信号的变化而变化, 从而实现了调频功能。图26 锁相环调频波形（蓝色为调频输出红色为调制信号V4） 4.2 锁相环鉴频电路仿真分析用锁相环可实现调频信号的解调, 其原理框图如图27 所示。为了实现不失真的解调, 要求锁相环的捕捉带必须大于调频波的最大频偏, 环路带宽必须大于调频波中输入信号的频谱宽度。图27 锁相环鉴频电路的原理框图图28 为相应锁相鉴频电路的仿真电路。图中的压控振荡器的设置与锁相环调频电路相同。为了进一步改善低通滤波器的输出波形, 在R1、C1 的输出端, 又串接了一级低通滤波电路(R4、C2 ) 。图28 锁相环鉴频的仿真

25、电路由于锁相环鉴频时要求调制信号要处于低通滤波器的通带之内, 因此电阻R 1 的阻值要比调频电路中的阻值小。本例中, R1= 10k 。仿真波形如图29所示。由图可见, 该电路实现了鉴频功能。如果将R4、C2 的输出作为VCO 的输入, 则仿真结不再正确, 这在实际仿真时需要注意。图29 锁相环鉴频实验结果波形由图可知，由于压控振荡器计低通滤波器的参数不是特别合适，导致输出波形出项毛刺，而不能很好的实现滤波，输出完美的正弦波。5 结 论 毕业设计即将接近尾声，在这一段时间里，对自己来说，是一个非常大的锻炼和提高。 对于我的毕业设计，我也做了很多工作。确定了毕业题目后，我就开始着手搜集一些有关毕

26、业论文方面的资料与文献，并对其进行了学习与理解。之后，我就开始我的电路的系统设计。在电路设计这一板块，我对之前的一些软件又有了较为熟练的理解与操作。对我以后毕业找工作又增添了一些砝码。 本论文是一个实用研究型课题。其目的是借鉴广泛应用的红外通信技术，在迅猛发展的无线音频产品市场，寻求一种顺应社会需求具有广阔市场发展空间的接听装置。 本文分析了红外通信的国内外发展形势，在此基础上提出了自己的解决思路和设计方案。本文红外无线通信系统主要有两大部分组成：1.红外发射电路模块 包括基本电路及红外发光二极管，主要是在5V电压的驱动下，将音频信号经放大电路、频率调制电路、功率放大电路来驱动红外发光二极管将

27、信号发射出去。2. 红外接收电路模块 包括CD4046锁相环、LM386功率放大器及其周围分离元件，主要是在5V电压的驱动下将接收到的发射信号经音频放大电路、频率解调电路、LM386功率放大然后驱动喇叭来发出声音，使收听者能够听到音频信号。 6 致 谢 经过一段时间的努力，毕业论文已经接近尾声，该毕业论文如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，也不会这么顺利地完成。在这里我非常感谢。四年的大学生活马上就要结束了，在这四年里留下了许多美好与回忆。我很怀念大学里的四年时光。在此次毕业设计当中，我的老师和我的同学都给了我很大的帮助，我需要感谢的人真是太多太多。首先要感谢的是我的毕业设计导师安家文老

28、师。虽然安家文老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，都给予我悉心的指导和帮助，关心我们每个阶段所做的工作。除了敬佩安老师的专业水平外，他严谨的治学态度和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。 当然，还要感谢我的同学，是他们在我完成论文的过程中给予我的帮助和鼓励，也是他们陪我一起度过了这四年的大学生活，我感谢能有这么一段美好的记忆。即将挥别我的学校、老师、同学，还有我四年的大学生活，虽然依依不舍，但是对未来的路，我充满了信心。感谢在大学期间认识我和我认识的所有人，有你们的陪伴，才有我大学生活的绚丽多彩。 最后还要感谢我的学校，感谢在这四年中让我领悟到诚实做

29、人，踏实做事，扎实做学问的深刻道理。 7 参考文献 【1】 电子技术基础（第五版），康华光 主编，华中科技大学电子技术课程组 编，高等教育出版社.2006.01.01. 【2】 通信电路（第三版），沈伟慈 主编，西安电子科技大学出版社.2011.09.01 【3】 电路（第五版），邱关源，罗先觉 主编，高等教育出版社.2011.05.01 【4】 红外与毫米波学报，中国科学院上海技术物理所 主编，国内统一刊号： CN 31-1577/TN 【5】 红外线热释电与超声波遥控电路，肖景和，赵健 编著，人民邮电出版社.2003.09.01 【6】 11许继彦. 红外通信模块的设计与实现. 长春大学学报J. 2009 年10 月.