基于模拟FM 调制技术的红外音频扩音系统的研制

邵继虎，白 晶

（1.北京中创为南京量子通信技术有限公司，江苏 南京 211899；2.南京市致远初级中学，江苏 南京 210019）

随着无线通信技术不断发展，基于蓝牙和Wi-Fi 技术的各种产品日新月异，尤其是基于ISM 频段的IOT 技术如NB-IOT 和LORA 技术也得到运营商等的不断推广和应用，早期基于zigbee 和红外无线通信技术的产品目前应用场景越来越少，市场在不断被蚕食和萎缩[1]。红外短距离通信具备的物理空间分割特性，是基于微波技术的无线通信技术，具有不可比拟的先天优势，在某些场合下具有不可替代作用，室内无线音频扩音系统是红外无线通信技术最典型的应用场景。本文设计并实现了一种基于模拟FM 技术的红外音频扩音系统[2]，该系统可在150 m2房间内实现高质量无死角扩音，下文中将对该系统研制的一些关键技术点进行详细阐述。

1 系统设计

红外光，又称红外线，是电磁波的一种，其波段在可见光与微波波段之间，大约为0.000 76～1 mm[3]，依据其波段又可分为近红外、中红外和远红外，具有一定的温热效应[4]。目前应用在无线通信系统中的主要是近红外。由于红外光频谱较宽，其使用不用经过无线委员会审核，且由于红外光无法穿过非透明物体，因而在室内无线通信中，基于红外的无线通信系统依然被广泛使用。

目前，室内红外无线通信系统主要采用强度调制/直接检测方式工作[5]，常用的调制方式有OOK、PWM、PPM 和PAM 等，这种调制方式主要应用在视距链路传输方面，在漫反射链路传输时，其信噪比较低，接收距离较短[6]。为改善这一缺陷，本文设计并实现了一种采用模拟FM 的调制方式的红外无线扩音系统，其可以无死角、高质量地工作在面积大于150 m2的室内。

基于模拟FM 调制的红外音频扩音系统如图1 所示，可以大致分为发送链路和接收链路。发送链路中，音频信号经麦克风或音频连接器进入信号调理电路1，信号调理电路1对音频信号进行滤波和放大后，送入预加重电路，该预加重电路参数应适配后端解调器的去加重参数。信号预加重后，经调制器调制至3.2 MHz 频段，后将输出的3.2 MHz 的正弦波整形具有一定占空比的方波信号，该方波信号控制红外发光管的发光，从而将信号传递出去。接收链路中，红外接收管接收到红外光后，经I-V 转换后，将电压信号送入信号调理电路2，进行滤波和放大，形成适合解调器解调的信号，解调后，由于输出的音频信号幅值较小，需要再次经信号调理电路3 进行放大和滤波，提高信号信噪比，之后送入音频功放放大，音频信号经扬声器传递出去。在该方案中，调制器使用的是美芯集成电子的MCD2006S 芯片，解调器使用的是美芯集成电子MC3361 芯片，音频PA 使用的是TI 的LM386，变容二极管型号为BB200。

图1 基于模拟FM 调制的红外音频扩音系统框图

下文将详细阐述该方案中的一些核心设计细节。

2 发送链路设计

2.1 调理电路1

人耳可以听到的音频信号的的频率范围为0.02～20 kHz，正常人的语音范围为0.3～3.4 kHz，高保真音乐范围几乎覆盖人耳能够听到的全部频域。因而，在设计信号调理电路时，需要依据信号输入的特点，设计不同的信号调理电路，同时还需要考虑对工频50 Hz 的衰减。

人的语音信号经麦克风输入，因而在设计匹配麦克风的同时，设计0.3～3.4 kHz 的低通滤波器，该滤波器的增益为15 dB，截止频率为4 kHz。该放大滤波电路如图2 所示。

图2 语音信号信号调理电路

音乐信号经音频连接器输入至信号调理电路，由于音乐的音频频率上限为20 kHz，因而相对于语音信号，采用同样的电路结构，只需重新计算截止频率即可。

在信号调理电路1 中，最大的难点是去除50 Hz 工频信号，如果不能有效去除，在PA 放大后，将有严重的底噪，在本设计中，设计的50 Hz 带阻滤波电路如图3 所示，增益为0 dB，带宽20 Hz，50 Hz 衰减约30 dB。

图3 50 Hz 带阻滤波器设计

2.2 预加重与去加重技术

FM 系统中，当输入信号的信噪比足够大时，输出信噪比与输入信噪比几乎呈线性关系，当输入信噪比低于一定值后，输出信噪比会出现急剧恶化现象[7]。为改善这一现象，采用预加重和去加重技术。音频信号的主要能量集中在低频段，而高频段能量较小，高频噪声相对较大，因而在调制端设计预加重电路，提高高频信噪比。在解调端，为使信号恢复，要设计对称的去加重电路。本系统中，由于去加重参数集成在MC3361 芯片上，因而需要依据此去加重参数，设计预加重参数，从而使信号输入输出平衡。

2.3 信号调制

MCD2006S 是一组用于VHF 频段的无线语音/数据发射芯片，其在单片上集成了一个压控振荡器（VCO）、一个射频功率放大器、一个晶体振荡器和一个频率综合器，加上片外 LPF、电感和变容管组成一个完整的锁相环（PLL）。MCD2006S 有一个6 位ROM 模块，用户只能根据固定的逻辑表设定6 个脚位的逻辑电平，使芯片锁定在对应的频点。PLL 的频率范围为3～110 MHz，射频放大器在50 Ω负载条件下输出典型功率3 dBm@27 MHz，射频信号失真度小于1%，发射调制频偏可达5 kHz，调制频响范围为0.05～30 kHz，调制速率为0.3～120 kbps。该芯片可以很好地应用在本系统中，其典型应用如图4 所示。

图4 基于MCD2006S 的调制电路

由于在本系统中信号调制在3.2 MHz 载波上，因而芯片外围电路以及锁相环的LP 参数需要根据实际情况重新设计[8]。参数如图5 所示。

图5 MCD2006S 外围电路设计

2.4 波形变换

由于MCD2006S 输出的3.2 MHz 正弦信号具有一定直流偏置，因而在将该正弦信号变换成方波时，需用电容隔离掉直流信号，之后利用逻辑与门SN74LVC1G08 将信号整形成方波。为提高发射链路的效率，经试验，该方波在占空比为20%时，具有最大的效率，利用R403 和R408 调节直流偏置电压，可以控制占空比。波形变换如图6 所示。

图6 波形变换

3 接收链路设计

3.1 信号接收

在本系统中，使用威世半导体的BPV22NF 作为红外接收传感器，其具有可见光阻断功能，接收角为±60°，具有灵敏度高等优点。红外信号被该传感器接收后，转换为电压信号，经三级放大器ASK253 放大约100 倍后，送入后端信号调理电路2。红外信号接收电路如图7 所示。

图7 红外信号接收电路

3.2 接收信号调理

红外信号被接收后，被送入信号调理电路2，如图8 所示，该电路使用的三极管放大器S9018 具有较大的增益，为使放大稳定，引入负反馈环路，确保放大电路稳定可靠。在本系统中载波频率为3.2 MHz，为提高载波的信噪比，在链路中使用了3.2 MHz 的无源带通滤波器，可以极大提高3.2 MHz的载波的SNR，提高接收解调链路灵敏度。该带通滤波器3 dB 带宽约±70 kHz，插损最大6 dB，阻带衰减大于20 dB。

图8 红外接收信号调理电路

3.3 信号解调

在本方案中采用美芯集成电子的MC3361 芯片作为本系统的另一核心部件。该芯片是一款中频解调器，具有二次混频器、晶体振荡器、二次中频放大器、滤波放大器、静噪电路、扫频开关和静音开关。此外，该芯片在-3 dB 限幅条件下的灵敏度低至-2.6 μVrms。在本系统中，其外围配置如图9 所示。

图9 MC3361 解调电路

在图9 中，可调点容选择村田的产品，外围LC 参数配置为3.2 MHz，此外还需注意去加重参数的设置，确保与预加重参数统一。

由于TDA7088 解调输出的音频信号最大只有160 mVrms，因而解调出的音频信号还需送入到信号调理电路3 进行放大，最后送至音频PA LM386 放大功率，并输出至扬声器播放。

4 性能测评

在音频系统中，3 dB 带宽、线性度和输出SNR 是系统评价的重要性能指标，下文中将对上述系统进行性能评价。

4.1 3 dB 带宽

在音频系统中，3 dB 带宽是核心技术指标之一，3 dB带宽越宽，说明系统响应不同信号频率的范围越宽。在本系统中，通过从音频连接器输入不同频率的单频信号，用音频频谱分析仪测量LM386 输出端的输出信号大小，即可测出本系统的3 dB 带宽性能，经测量，本系统的3 dB 带宽范围为0.1～16 kHz，远好于当前已有的红外音频设备。实测曲线如图10 所示。

图10 系统频响曲线

4.2 线性度

音频系统线性度越好，动态范围越大，那么在环路中引起信号失真的可能性就越小，在本系统中，为确保系统的输出响度大于100 dB 无失真，需对系统整体的动态范围，即线性度做一定评价。经测量，在音频信号输入动态范围（0～3.3 V）内，系统具有较好的线性度。系统线性曲线如图11 所示。

图11 系统线性曲线

4.3 系统输出SNR

音频输出SNR 指在播放设备时，正常音频信号强度与噪声信号强度的比值，通常用对数的方式表示，单位为分贝。在实际测量中，从音频连接器端口输入1 kHz 频率的正弦信号，测量PA LM386 输出端的1 kHz 信号强度，利用音频频谱分析仪即可测量出系统的输出SNR。为准确测量系统的SNR 值，需要确保源端输入的1 kHz 信号具有最大的SNR，测量才有意义，否则评价无效。经测量，本系统的输出SNR大约为64.6 dB，高于普通FM 音频广播的50 dB 要求[9]，但高保真系统SNR 可达110 dB，与高保真系统相比还有较大差距，这主要是因为解调器的输出信噪比最大为65 dB，是整个系统的瓶颈。测试结果如图12 所示。

图12 系统输出SNR 测量

5 结论

本文设计和实现了一种基于模拟FM调制技术红外音频扩音系统，经实测验证，该系统可以高质量地在面积为150 m2的室内工作，最大响度可达120 dB，线性度和3 dB 带宽均在合理范围内，系统输出SNR 虽然与高保真系统有较大差距，后续还需持续改进，寻求更好的解决方案。当前该系统已被应用于实践中。