基于PFM的宽角度红外光音频通信系统

廖仕利，李文杰，赵立鑫

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

红外通信是将红外线作为载体来进行通讯。红外光通信技术在现代通讯中有着较为广泛的应用［1］。与无线电通信相比，它具有抗干扰能力强、传输安全性高、体积小、成本低、带宽不受无线管制等优点，现已被广泛应用到军事、工业、服务业等领域，但也存在诸如通信方向单一、距离近和功耗较高等问题［1－7］。目前，红外光通信基本采用OOK、PPM等调制方式，存在功率效率低、调制速率低、带宽利用率低和解调复杂等问题［8－14］。本文提出一种脉冲频率调制(PFM)方法，采用4阶带通滤波器滤除干扰噪声，为确保红外光通信系统的传输距离和宽角度，构建了宽角度的红外传输系统。实验结果表明，该红外光传输系统具有低功耗、高效率、高保真等特点，并克服了传输方向单一、距离近的不足。

1 宽角度红外光通信系统

宽角度红外光通信系统包括红外发射电路、红外中继电路和红外接收电路3个部份，其系统结构如图1所示。

图1 宽角度红外光通信系统结构

红外光通信的发射端和接收端均以STM32F103ZET6单片机为核心。该单片机为增强型，它的时钟频率可以达到 72 MHz，有 256～512 K字节的闪存程序存储器，64 K字节的SRAM，具有较强的运算和数据处理能力，存储器的零等待周期可达1.25DMIPS/MHz，使用方便，具有双采样和保持功能，且具有低功耗等特点［15－18］。该单片机主要完成实时音频信号与数字信号间的AD、DA、编码、调制和解调等工作。

本系统发射电路和接收电路的设计主要采用基本电子元器件，考虑以下因素:①集成芯片对电路的功率大小、带宽、工作电压等参数有一定的限制，使得芯片选择面较小，不利于个性化设计;②模拟集成芯片成本较高;③研制原理样机，便于验证相关的调制方法和中继子系统。

1.1 红外光通信发射电路

在红外发射电路中，红外管主要将电脉冲信号转化为光脉冲信号并发射出去。为达到较好的保真效果，考虑到音频转换后的PFM调制信号具有较高的频率(大于50 kHz)，电路的驱动管选用工作频率较高(最高可达1 MHz)、功率较大的NPN型三极管TIP41C，保证了系统的传输带宽，同时提高了驱动功率。

为更有效地给红外发射管提供充足的发射功率，发射电路并联了3个容量较大的电容器为其储备电能。系统中的红外管额定功率为1.5 W，脉冲电流为1 A，额定电压为1.5 V，串联4个发射管的管压降约为6～7 V。在8 V电源供电的情况下，其发射电路效率可达到87.5%。红外光通信发射电路见图2。

图2 红外光通信发射电路

1.2 红外光通信接收电路

接收电路是通过红外接收管将红外光信号转变成电信号。由于本系统采用PFM调制方式，故需要传输的信息是以数字脉冲的形式进行传输，即由接收管完成由光信号脉冲向电信号脉冲的过渡。由于接收管产生的电信号比较微弱，故采用多级放大电路级联以增强电信号。与发射电路类似，考虑到信号频率较高，放大电路采用高带宽、直流放大系数β值较大的NPN型三极管8050，构成普通共射极放大电路。此电路有很高的接收效率，且输出信号仍具有较低的占空比和较低的功耗。接收电路如图3所示。

图3 接收电路

1.3 红外光通信中继电路

中继接收、转发电路主要延长传输距离，同时实现传输方向的灵活调整，其电路的结构及参数与上述接收、发射电路相似。中断发射与接收电路制成板通过导线跨接实现方向的灵活调整。图4为中继电路结构，两电路板之间所成角度α可在0°～360°灵活调整。

图4 中转电路结构

1.4 带通滤波器设计

由于数字脉冲形成的高频干扰不可避免，因而为保证高信噪比音质，在对音频信号进行功率放大之前设计带通滤波电路以滤除带外干扰信号［20－21］。输入模拟音频信号频率大小约为50 Hz～10 kHz。设Up为同相比例运算电路的输入，U0为同相比例运算电路的输出，则比例系数为

设电路的中心频率为

电压放大倍数为

当f=f0时，可以算出通带的放大倍数为

最后解得通频带为

参考式(1)～(6)，并结合参考文献［22］计算得到各元器件的具体数值。带通滤波电路如图5所示。

图5 带通滤波电路

2 PFM调制原理

PFM调制是将每个时刻采样的模拟信号电压按一定比例量化为发射的脉冲频率，接收端根据接收的脉冲频率还原为模拟信号电压输出［7］。如图6所示，其中(a)中ti时刻的采样电压Ui与(b)中输出脉冲频率 fi成一一对应关系，脉冲的占空比和幅值无变化。

图6 PFM调制原理

2.1 同步传输协议

PFM调制信号以红外光形式传输，接收端对PFM信号直接解调，调制及解调几乎是实时同步的。具体调制、解调方法如下:设t为单片机定时器的值，fk为时钟频率，fb为基准频率，vt为被采样的模拟信号电压值，vmin为vt的最小电压，ADC的参考电压为vb，n为采样位数，输出脉冲频率为f0，解调后的输出模拟电压为vo。

输出脉冲频率为

接收端解调后的输出为

通过实验发现:当发射脉冲的峰峰值为1 V、占空比为12%、有中间转发电路共同作用时能获得较高的效率和较远的传输距离，传输距离为12 m。

3 系统软件设计

本设计的软件部分由发射端及接收端组成。在发射端部份，对输入信号幅值进行采样，其采样频率为50 kHz，并按PFM原理调制为数字脉冲信号，调制后的数字脉冲频率范围为100～200 kHz，发射端部分流程见图7。在接收端部分，单片机以中断服务程序检测输入的数字脉冲的频率值，并按通信协议解调后输出0～3.3 V的模拟电压，接收端部分流程见图8。

图7 发射端部分流程

图8 接收端部分流程

4 实验结果

4.1 滤波效果测试

该测试主要验证滤波器设计是否满足系统要求和滤波器部分参数是否需要微调。测试数据主要包括该带通滤波器的输出信号的峰峰值(Vpp)，以此推算通频带内的增益和截止频率，以及通频带外的衰减率。

输入信号峰峰值为10 V，调节输入信号频率，观察并记录输出信号的峰峰值。

由表1可知:该滤波器的上限截止频率为11 kHz，下限截止频率为100 Hz，通频带平坦，通频带外衰减快速，效果较好。

表1 滤波器测试数据

4.2 传输距离测试

为方便测试数据对比，在有、无中继电路两种条件下，发射端输入的电信号均为800 Hz、峰峰值为1 V的正弦信号。在无中继传输电路时，采用误码仪测试，在误码率为10－8时，有效传输距离约为6 m;加入中继传输电路时，采用误码仪测试，在误码率为10－8时，有效中断传输距离能达到12 m。

实验证明:中继电路有效地延长了通信传输距离，使传输距离增加了一倍，并且可以实现0°～360°传输方向的任意调整。

4.3 中间转发装置功耗测试

中继电路采用5 V电压供电，输入的信号为800 Hz、峰峰值为1 V的正弦信号。在发射电路与中断电路距离为6 m时，测得中继电流为2 mA，中继功耗约为0.42 W，实现了低功耗的中继转发传输，方便将来实现电池供电。如果采用性能更佳的发、收红外管，预计功耗将进一步降低。

4.4 音质效果测试

输入峰峰值Vpp=1 V的音频信号，在有中继电路情况下实现12 m传输时，放音效果好，无杂音，具有较高的清晰度。在有中继电路情况下实现10 m传输时，将接收端输出信号有效幅值放大到2 V，若置发射端输入为0 V，测得接收端输出信号的有效值Vpp=20 mV，静噪比为0.01，说明静噪效果良好。

5 结束语

由测试结果可以看出:采用基本元件所设计的发射电路和接收电路具有较低的功率耗散和较高的传输效率;通过中间转发电路可以有效延长传输距离，同时能实现0°～360°传输通信;采用PFM的同步通信协议方式及4阶带通滤波器电路能为传输的音频提供较好的音质和无噪声的效果。

本设计针对红外光通信存在的传输距离短、传输方向单一、功耗偏高等不足，采用PFM调制和中继电路等方法，设计了基于PFM的宽角度红外光音频通信系统。音频传输实验证明本音频传输系统有较好的应用价值。下一步将根据具体传输数据的频率带宽要求，改进发射电路、接收电路和滤波电路的频率参数，通过功率检测，实现中继发射角度的自动调整。

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