无线文件传输系统

孙家滢 张姜怡

摘 要：本系统为无线文件传输系统，用红外发射二极管和红外接收二极管，定向传输音频信号，实现远距离的传输，保证信号的保真。同时可以保证信号的实时传输，延迟度不超过10s。通过中继站，可以将信号延长至4m以上的距离并且几乎不失真。该装置分为模拟和数字部分，模拟部分经过锁相环芯片进行调频，通过红外信道传输信号，接收端再通过一个锁相环芯片对模拟信号进行解调，经过滤波和放大完成音频传输。本系统用于定点定向传输，点对点的传输方式保证速度和带宽的同时也提高了安全性（第三方无从获取）。

关键词：编码解码；红外信道；模拟调制

1 系统方案

本系统主要由发射端模块、接收端模块、中继站模块、电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。

1.1 通信方式的论证与选择

方案一：模拟方式通信。利用模拟的方式进行通信，发射端由音频信号输入，利用741运放对信号进行放大；再利用调制芯片对信号进行调频处理；接收端由运放、解调芯片组成，对通过红外传来的信号进行放大、滤波、解调和输出。该方案失真度低，但是抗干扰能力弱，在一定距离后噪声明显加大。

方案二：数字方式通信。通过FPGA对信号AD采样，采样频率为5K，将一个数据周期分成512份，根据AD采样值调节第127到第352个时间片段中‘1的出现个数从而改变占空比。另一方面，在缩小占空比的时候可以提高瞬间电流峰值，从而提高瞬间的红外传输距离，增强了传输效果。但是该方案需要经过门限判决，在这一过程中会发生门限的不准确，导致得到的信息丢失，传输效果差。同时该方法未经过调制，抗干扰能力弱，在高频段信号无法发射，低频段损失严重。并且由于该方法涉及到采样速率的问题，随着频率的升高，失真愈发严重。

方案三：模拟，数字双通道通信。红外二极管按照波段的划分分成很多种，典型值为940nm和850nm两种工作波段。两种波段在工作时互相不发生干扰或发生极小的干扰，所以可以基于波段的划分利用两路红外信道分别传输信息。综合以上三种方案，选择方案三。

1.2 调制方式的论证与选择

方案一：幅度调制。对需要传递的信号进行幅度调制，即调幅，将音频信号加载在载波信号上，形成调幅波，传递出去，再通过解调形成原信号。但是方案一在解调方面会有很大的困难。在该通信系统中，载波频率与调制信号频率相差过小，不能使用常见的包络检波，相干解调法电路也实现复杂。

方案二：相位调制。载波的相位对其参考相位的偏离值随调制信号的瞬时值成比例变化。在实际的应用中很少使用调相值，它主要是用来作为得到调频的一种方法。

方案三：频率调制。对信号进行频率调制，根据信号幅值的大小让信号形成疏密不同的一列波，加载音频信号的信息，通过红外传递出去，并在接收端进行相应的解调。该方案信道利用率高，数据传输稳定，调制解调电路易于实现。综合以上三种方案，选择方案三。

1.3 温度控制的论证与选择

方案一：用FPGA进行温度信息编辑和显示。但是限于FPGA的并行工作方式，在顺序逻辑方面尤其是在界面等显示方面有编程的困难。

方案二：单片机。单片机虽然速度达不到很高，但是在该方案中，对于温度的采集只需要達到5Hz即可，对于如此低的频率，单片机已经可以足够应付，并且由于单片机C语言的顺序执行的特性，所以在数据的显示，用户友好界面方面相较于FPGA有很大的优势。综合考虑采用单片机对温度进行采集、编码、传输，并对接收到的数据进行处理并显示。

2 系统理论分析与计算

2.1 发射端模块

发射模块包括音频信号放大，音频信号滤波，音频信号调制，温度数字信号的编码，温度数字信号的传输。

2.1.1 音频信号的放大

将音频信号经过同相运放进行预加重，放大部分的反馈被分离，产生的闭环电压增益随着输入频率增加稳定地上升，在最高音频时增益接近20dB。在频率超过音频范围时，放大部分限制闭环电压增益。该放大部分可以避免高频的不稳定性，也可避免可能被滤波器级消除的高频信号被放大器放大。

2.1.2 音频信号的滤波

发射端音频信号的滤波器是由放大IC构成的常规三阶型（每倍频程18dB）滤波器，此滤波器产生低于20kHz的全音频带宽，但不会明显损害输入信号质量。放大器的输出直接耦合到下一级。

2.1.3 音频信号的调制

经过锁相环，对输入的信号进行调频，并且输出至下一级红外发射二极管，使发射二极管产生与经过调制后的信号对应的红外信号，通过红外信道向外传输。

2.1.4 温度数字信号的编码

温度信号采用PCM编码，PCM（脉冲编码调制）是数字通信的编码方式之一。主要过程是将语音、图像等模拟信号每隔一定时间进行取样，使其离散化，同时将抽样值按分层单位四舍五入取整量化，同时将抽样值按一组二进制码来表示抽样脉冲的幅值。语音PCM的抽样频率为8kHz，每个量化样值对应一个8位二进制码，故语音数字编码信号的速率为8bits×8kHz=64kb/s。量化噪声随量化级数的增多和级差的缩小而减小。量化级数增多即样值个数增多，就要求更长的二进制编码。因此，量化噪声随二进制编码的位数增多而减小，即随数字编码信号的速率提高而减小。自然界中的声音非常复杂，波形极其复杂，通常我们采用的是脉冲代码调制编码，即PCM编码。PCM通过抽样、量化、编码三个步骤将连续变化的模拟信号转换为数字编码。

2.1.5 温度数字信号的传输

每隔一定时间间隔，给红外发射管一个高脉冲，为了提高传输距离，采用占空比压缩的方式来传输。红外发射管的平均功率很低，但是瞬时功率可以达到很高，利用高脉冲压缩时间，可以传输大功率信号。

2.2 接收端模块

接收端模块包括调制信号的检测，调制信号的预放大，调制信号的解调。

2.2.1 调制信号的检测

通过四个红外二极管并联组成检测器，同时使红外二极管保持在反相偏置连接，在黑暗的环境下只有很小的漏电电流产生。发射机的红外脉冲使二极管的漏电流增加，在它们的阴极产生负脉冲。

2.2.2 调制信号的预放大

使用晶体管作为低噪声放大器和缓冲器，通过负反馈，使电压增益比保持在较低的值（约为24dB），对灵敏度产生很大的改进。然后经过共射极晶体管进一步放大调制信号。

2.2.3 调制信号的解调

通过锁相环IC CD4046对信号解调。CD4046 是通用的CMOS锁相环集成电路。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。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。锁相环主要有相位比较器、压控振荡器、低通滤波器三部分组成。如图1所示。

图1 信号解调

2.3 中继站模块

2.3.1 调制信号的检测

与接收模块的信号检测相同，用红外接收二极管对红外信号进行检测。

2.3.2 调制信号的调理

将红外接收二极管接收到的信号经过放大和滤波后输出，再由相应的红外发射管发射，并使传递方向发生90°翻转，再传递两米到红外接收端。

3 电路与程序设计

3.1 电路的设计

3.1.1 系统总体框图（如图2所示）

图2 系统框图

3.1.2 发送端子系统框图与电路原理图

（1）前置放大器子系统电路。前端放大器用于给输入的信号起到一个放大作用，可通过电位器实现连续可调，能更好地控制输入信号。加入了调零电路，以免给后级带来直流偏置。（2）红外发射管电路。用三极管的开关状态来驱动红外二极管的工作。利用调制芯片，将输入的音频信号转化为调频信号，示波器显示为疏密变化的方波。

3.1.3 接收端子系统框图与电路原理图

（1）高倍放大器子系统电路（如图3所示）。该电路用于放大红外接收端收到的很弱的信号，该信号也可由多级三极管构成高倍放大。其中NE5532是高性能低噪声双运算放大器集成电路。与很多标准运放相似，但它具有更好的噪聲性能，优良的输出驱动能力及相当高的小信号带宽，电源电压范围大等特点。因此很适合应用在高品质和专业音响设备、一起、控制电路及电话通道放大器。

图 3 高倍放大器

（2）红外接收模块。被分为放大、解调、功放三个部分组成，放大即放大接收到的小信号，（注：可采用上述集成运算放大器，也可采用三极管组成的多级放大器）。解调部分对前级放大的信号进行解调，功放部分实现功率的放大，用于带耳机或者音响等设备。

3.1.4 电源

电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。为整个系统提供±5V或者±12V电压，确保电路的正常稳定工作。由LM317、LM337构成的可调电压电源。

3.2 程序的设计

3.2.1 程序功能描述与设计思路

（1）程序功能描述。DS18B20温度传感器，采集温度信息，将信息传递给单片机，单片机将该信号处理为8位信号，传递给FPGA，FPGA对信号进行编码，将信息通过红外发射出去，另一端的红外接收，并将信息传递给FPGA进行解码。显示部分通过128*64液晶屏幕显示温度信息。

（2）程序设计思路

3.2.2 程序流程图

（1）温度发送模块子程序流程图

（2）温度接收模块子程序流程图

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

4.1.1 硬件测试。（1）红外音频传输测试。在接收端通过功放进行放大输出，比较输入和输出的声音，凭借人耳判断失真度。（2）红外失真度。通过示波器检测输入和输出端的波形并进行比较，测量是否发生削顶等失真情况。（3）温度信息传输测试。通过在接收端进行1602液晶显示将温度在液晶屏上显示出来并与实际温度作比较，测试温度传输的准确性。

4.1.2 硬件软件联调。综合连接元器件，将所有元器件摆放好，接通信号源和电源，检测两侧的波形比较失真度，信息误码率，传输速率等信息。

4.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。

4.3 测试结果及分析

4.3.1 测试结果（数据）

通信距离测试

800Hz通信测试

当信号为800Hz时，4V正弦波，测量8欧姆电压有效值，性能优异。

4.3.2 测试分析与结论

根据上述测试数据，可知系统有很好的保真能力和通信能力，由此可以得出以下结论：信号传输能到达很远距离，没测过极限值，不过在四米处仍能清晰听到音乐，感觉不到有噪声。输入正弦波时，在远处（两米外），观察波形很稳定，而且噪声很小，不到10mv。

参考文献

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