一种红外光音频传输装置的设计与实现

【摘要】本文讲述了一种以红外射线为传输介质的音频信号传输装置，本装置是先将传入的立体声音频信号转换成单声道信号，然后音频信号放大、滤波;通过约90KHz三角波后调制为SPWM波驱动二极管经光电二极管输出红外光;通过红外光进行传输，通过中继转发装置接收后偏转90度后再次发射。光电二极管接收传入PWM红外信号后进行解调，电流电压转化、放大、滤波，最后还原成音频信号输出。此装置具有传输距离远，失真度小，声音清晰显著等特点。

【关键词】红外光传输;SPWM调制;解调;中继转发节点装置

1.引言

随着年龄的增长，人们的听力日趋下降，获取信息的能力也在减弱。红外光音频传输装置的出现为听力衰弱的朋友们带来了福音。听觉好的成年人能听到的声音频率常在30～16000Hz之间，老年人则常在50～10000Hz之间。本设计在红外通信是利用950nm近红外波段的红外线作为传递信息的媒体的基础之上，将音频信号通过红外光进行传输。中继转发节点装置的意义在于将红外信号进行转弯，使它克服了只能直线传输的缺点。此装置刻意将左右声道的立体声音效合并为单声道音频信号，有效地降低了节目中背景音乐及其它声音，使得讲话的声音更为明显和突出。

2.系统框图设计

立体声音频信号被混合在一起形成一个单声道信号，在发生装置进行放大、滤波、比较等一些列处理，由此产生占空比可调的PWM波，进而驱动晶体管通过LED发射红外光。中继转发节点装置将光电二极管接收到红外LED发射的PWM红外信号经过转换、滤波、放大再输出，并且改变90度的角度。光电二极管接收传入PWM红外信号后进行解调，放大、滤波、最后输出音频信号，解调的另一路信号在液晶上进行温度显示。接收装置在6V电源供电下经过放大、低通滤波后，从耳机放出。

图1 系统结构框图

Fig.1 Structure diagram of the system function

3.系统硬件电路设计

3.1 红外发射装置

传入的两路立体声音频信号产生的电压信号被混合在一起以形成一个单声道信号，依次通过同相放大电路以及滤波电路得到一路正弦波信号。另一路由施密特触发器与D类触发器产生一路方波信号，通过积分电路生成90KHz三角波形。LM311电压比较器设计运行在更宽的电源电压：从标准的±15V运算放大器到单5V电源用于逻辑集成电路其输出兼容RTL，DTL和TTL以MOS电路。此外，他们可以驱动继电器，开关电压高达50V，电流高达50mA。因此我们选用LM311作为发射装置的比较器。正弦波信号与三角波一同通过LM311进行比较，由此产生的占空比可调的PWM波，进而驱动晶体管通过LED发射红外光。

3.1.1 音频前置放大部分

输入的左右声道音频信号被混合在一起输入运算放大器，电阻与运算放大器构成同向比例运算电路，增大了输入阻抗的同时降低输出电阻。我们选择LM833双音频运放作为核心，将电压放大。根据同向比例放大电路[1]：

则信号被放大23倍。在输入端引入6V偏置电压，将音频信号垫高，易于与三角波进行比较，从而产生PWM波。由于篇幅有限，此处前放电路省略。

3.1.2 有源低通滤波部分

被放大的音频信号依次经过两次滤波被从入比较器。在器件选择方面我们仍然选用LM833以及通用型低噪声JFET 运算放大器TL072.电路图如图2所示。

3.1.3 三角波发生电路

三角波的作用是用来调制音频信号，对此有两方面的要求。其一，调制后的信号可以被完整地恢复。根据Nyquist采样定理[2]，三角波的频率至少是音频信号最高频率的两倍，由于人耳的所能够听到的声音频率范围20Hz―20KHz，说明三角波的频率应在 40 kHz 以上，为确保音频信号的采样，可取三角波的频率为 90 kHz;其二，三角波要有稳定的频率和幅度，否则，调制后的脉宽会产生变形，从而降低音频输出的信噪比，音质变差，噪声增大。

在高频的情况下，产生频率、幅度稳定的三角波，对一般的波形发生器来说很难实现。利用积分运算电路可实现方波―三角波的波形变换。我们将4093B施密特触发器设计成方波振荡器[3]，其可实现180KHz的方波，之后，使用D触发器4013B构成2分频器将180KHz的方波分频，依次通过积分电路即产生90KHz的三角波。由于篇幅有限，此处三角波发生电路省略。

3.1.4 PWM波发生电路与红外输出

为了简单说明，我们以音频信号为单一正弦信号为例来说明SPWM信号。等腰三角波称为载波，而正弦波则称为调制波[4]。当三角波的频率发生改变时，输出SPWM的频率也随之改变，同时也会影响到输出电压的变化。正弦波的幅度发生变化时，三角波的交点也将发生变化而导致输出脉冲波的宽度发生变化，最终使得输出电压发生改变。当音频信号大于三角波信号时，比较器输出高电平，当音频信号小于三角波信号时，比较器输出低电平。值得注意的是：音频信号的幅值不允许大于三角波信号的幅值，否则，结果是一个错误的PWM信号。如图3所示。

图3 SPWM波形成[4]

Fig.3 SPWM wave form[4]

经过放大、滤波后的音频信号从B端与三角波信号从反相端进入，通过LM311电压比较器比较，产生90KHz的SPWM波，从而完成调制。选择通用LM311作为电压比较器。产生PWM波形的LM311，驱动晶体管BC328为串联在一起的6个LED以及一个电源指示灯D4工作。如图4所示。

图4 音频信号的发射

Fig.4 Transmitting an audio signal

3.2 红外接收装置

光电二极管BP104接收到6个红外LED发射的PWM红外信号，通过LM833进行电流―电压转换，之后LM833放大电路，再次放大脉冲信号。根据反向比例运算电路[1]：

因此输出端放大-10倍。LM311构成限幅器的作用，从而再次产生90KHz的PWM信号。整个电路需提供6V直流电源供电，如图7所示。

生成的PWM波还需通过两次低通滤波，进行解调，最后通过音频放大器进行放大，最后分为两路输出。低通滤波器选用LM358AD，音频放大器选择LM386N。

3.3 中继转发节点装置

中继转发节点装置将红外接收装置的装换、放大、限幅电路与红外发射部分的三极管驱动光电二极管进行组合连接。即图5中Vout与BC328相连接构成，用5V直流单电源供电，所以最多只能驱动3个发光二极管。发光二极管发射红外光，通过接收部分输出信号。

4.功能测试和结果分析

当接入手机音频信号，在红外发射端端波形较好。红外接收端可以听到传输过来的音频信号，将发、收装置角度调整后，即可听到清晰声音，无明显失真、噪音干扰。当接收信号改到800Hz单音信号时，在8Ω的耳机电阻负载上，输出电压有效值不小于0.4V。不改变电路状态，当减小发射端输入信号的幅度至0V，采用低频毫伏表（低频毫伏表为有效值显示，频率响应范围低端不大于10Hz、高端不小于1MHz）测量此时接收装置输出端噪声电压，读数不大于0.1V。

但存在一点不足之处，由于中继转发节点装置电压过低，导致转发信号强度可能有些偏小，造成接收部分不易接收信号。可根据实际适当提升电源电压，以增加发射功率。

参考文献

[1]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京.高等教育出版社，2006.

[2]何子述.信号与系统（第一版）[M].北京：高等教育出版社，2007，5.

[3]阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[4]王贤江.高效AC_DC开关电源[D].成都：电子科技大学，2013（3）.

作者简介：

芦瑞琪（1992―），男，新疆哈密人，大学本科，现就读于成都理工大学核技术与自动化工程学院辐射防护与环境工程专业。

杨溪远（1993―），男，江西南昌人，大学本科，现就读于成都理工大学核技术与自动化工程学院电气工程及其自动化专业。