基于PWM的红外语音通信装置设计

魏西媛

摘 要：本文介绍了一种基于PWM调制技术的红外光短程无线语音通信系统。系统可实现语音信号的定向传输，接收信号的噪声小、传输时延小，通信质量优良。

关键词：红外光通信；语音信号；PWM调制

1 设计方案

本设计由语音信号采集模块、红外收发模块、语音数据恢复模块等组成。系统模块框图如图1所示。

图1 系统模块框图

本设计采用PWM（Pulse Width Modulation）调制将模拟语音信号转换为数字形式的脉宽调制信号，通过红外发光管传输。红外接收管对接收到的微弱红外光信号放大后送入PWM解码电路，实现音频信号的恢复。由耳机输出。原理框图如图2所示。

图2 原理框图

PWM调制使得模拟语音信号具有了数字形式特点，大大提高了模拟传输系统的传输可靠性，延长了通信距离。在接收端，通过积分网络即可滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。所以PWM方式比传统的D/A转换器功耗小；PWM方式输出的是电压信号，可以直接驱动喇叭，克服了传统的D/A转换器不能直接驱动喇叭的缺点；PWM方式作为数字的方法具有工艺移植性好的特点。

PWM调制方案制作简单、成本低、系统稳定、抗噪声能力强，若采用专用PWM控制器TL494可使系统结构更简洁、进一步提高系统的抗干扰能力和可靠性。

2. 理论分析与计算

语音信号频率范围为300～3400Hz，本设计中采用模拟信号的脉冲宽度调制实现模拟语音信号的数字形式变换，为保证模拟语音信号的无失真传输，选定脉宽调制载波为30kHz。

根据可计算得负载电阻上所得输出功率。在测得红外接收管接收信号强度时，可根据实际要求由此计算出接收端所需要的放大器增益，继而确定放大器的设计方案。

3. 主要硬件电路

本设计利用波长940 nm的近红外波段的红外线作为传输信息的载体，语音信号经脉宽调制后由红外发光管送出，接收端收到红外脉冲信号后转换为电信号，再经过放大、滤波、积分等处理还原成模拟语音信号输出。

3.1 PWM前置放大及调制电路

语音信号的采集、放大和偏置处理由前置放大电路部分完成，以利于进一步调制。脉宽调制采用专用PWM控制器TL494对语音信号进行调制。

根据PWM调制原理，调制信号必须保持在载波信号峰值以内才能取得较好的效果。因放大倍数过大，可能会使部分峰值超过电源电压的信号无法得到调制；而放大倍数太小，则会使调制后的PWM波形间距区分过小，这样再经滤波还原后，波形失真可能较大。一般情况下话筒采集到的声音信号的平均峰值约为200mV，为保证输出信号满足接收强度要求，将前置电路放大倍数设计为 1～10倍可调，偏置电

3.2 红外管发射电路

红外光收发功能应用IR333紅外线发射管实现，其响应速度快，灵敏度高，接收距离长，性能稳定可靠，体积小巧精致，操作方便。为提高红外发射管的发射功率，设计时应尽量增大驱动电流，普通红外发射管的额定工作电流可达数百毫安。因此，该系统中的发射电路和接收电路都是用三极管构成的简单开关驱动电路。

3.3 红外接收及收端前置放大电路

接收端采用红外线接收管PT333实现940nm红外光信号的接收，再由前置放大电路部分完成微弱信号的放大，以便于PWM信号解调。

3.4 PWM解调电路

由于本设计采用占空比调制模拟语音信号，使得载波脉冲信号的脉冲宽度受模拟语音信号控制，故在接收端对接收到的脉宽信号进行积分，再经过低通滤波就可以得到原始的模拟语音信号。

4 总结

本设计应用PWM调制方式对模拟语音信号进行数字形式变换，实现了940nm红外光的近距离定向音频信号传输。系统设计合理，电路结构简单，抗噪声能力强，在传输距离2m可实现基本无失真传输，传输时延小，通信质量优良。

红外发射管和接收管若改用LD271、BPW34等精度较高的红外管，其传输距离和传输稳定性等系统性能将会得到进一步的改善。为提高模拟信号的传输质量，在发送端可对模拟语音信号进行自动增益控制，使语音信号中占绝大比例的小信号的传输质量得到大幅度提高。

参考文献

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[2] 康华光. 电子基础（数字部分）. 高等教育出版社. 2001-4

[3] 文俊峰 乔晓军 王成 等. 便携式红外收发器的设计与实现[J].光电子技术. 2006-26