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红外光通信装置的设计与制作(模拟方案论文)
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2018-03-10
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系统由发射机、接收机两部分组成。其中发射机负责模拟信号和数字信号的采集。并对采集的信号做相应的处理,再经过频分复用实现信号的混合,最后将混合信号通过红外发射电路发射。
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湖北理工学院毕业设计(论文)
2
1 绪论
1.1 课题的提出目的和意义
人类社会是一个群居的社会,所以信息的交流是人们日常生活中比不可少的部分。
千百年来,人类一直使用各种方式通信比如语言、文字、烽火、钟鼓等。这些都是通
信的原始方法。
现在通信技术起源于 1838 年莫尔斯发明了电报。首次将要发送的文字信号变成电
信号,从而开启了现在通信的序幕。电话的发明在通信历史上占有重要的地位。1876
年贝尔发明了电话,爱迪生在此基础上利用电磁效应,制成了碳精送、受话器。这种
电话成功的实现了模拟的语音信号的传递,其原理一直沿用到现在。电话和电报的发
明,使人类的信息交流变得方便迅捷。但有线通信仍然用很多不便之处。无线通信因
此应运而生。
1894 年,意大利工程师可尼和俄国科学家波波夫采用电磁波作为传播媒介,发明
了能够远距离传输信息无线电报。开创了人类现代通信的新纪元。
无线通信为人类通信开辟了一个潜力巨大的新领域——无线通信领域。无线通信
极大的降低了有线通信的成本,增加了通信的覆盖面积,使人类的通信开始走向无限
的空间。
人类科学实验不断的发展,通信技术也不会停止不前,它同样随着科技的飞速发
展,1948 年香农提出了信息论,1959 年美国诺伊斯和基尔比发明了集成电路,1962
年脉冲编码调制开始应用,1977 年美、日科学家制成超大规模的集成电路,将 13 万
个晶体管集成在 30 平方毫米的硅晶片上。20 世纪 60 年代彩色电视机问世、数字传输
理论与极速得到飞速的发展。20 世纪 90 年代计算机的发展可谓空前绝后,计算机在
通信的领域也开始大显身手,数字信号处理的技术在计算机的帮助下飞速的发展,数
值化信息时代已经来临。
纵看整个通信发展,无论是模拟信号的通信技术是数字通信技术都是人类智慧的
结晶,是人类在生活实践与科学实验中探寻得到的成果。研究模拟和数字通信技术都
是时代的需求,它与人类的发展密切相关的。而无线通信是人类摆脱导线的束缚,走
向更广阔的空间的必经之路。红外通信也是一种无线通信中重要的一种通信方法。
本系统将模拟信号和数字信号的通信技术结合,应用到红外信道上,实现模拟数
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字混合的红外信道的通信,不仅从理论上掌握通信技术,而且也用实践证明了理论的
正确性。做到了学以致用,理论结合实际。同时也为模数混合信号的通信提供了一个
可行的方案,扩大了红外通信的应用范畴。
1.2 主要内容
红外通信是也一种无线通信,它不同于无线电波,靠大气层的反射可以实现远距
离传输。由于红外光的传输不能被遮挡从而限制了它的使用。但在点对点短距离通信
领域却被广泛的应用,它已经被众多的硬件和软件平台所支持。基于以上实事,本项
目设计并制作了“模拟数字混合红外信道通信装置”。该项目由发射机、接收机和中
继转发三个部分组成
[4]
。
发射机:由驻极体语音提取电路、DS18B20 数字温度采集电路、AM 调制电路、FSK
调制电路、红外光发射电路板构成。发射机能完成将采集的模拟和数字信号分别用 AM
调制和 FSK 调制,并通过频分复用后通过红外光发射出去的功能。
中继转发:由红外接收电路,放大电路,红外发射电路组成。主要完成信号中转的
功能。
接收机:由红外接收电路、放大滤波电路、AM 解调和 FSK 解调电路、音频播放电
路、液晶显示电路组成。其将接收的信号放大滤波后,得到 AM 信号,和 FSK 信号。
再分别解调出语音信号,和数字信号。最后音频电路将语音信号播放,数字温度能在
液晶屏上显示
[5]
。
项目成功的将模拟信号和数字信号通过红外信道传送 4m 距离。
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2 方案设计及主要模块介绍
系统由发射机、接收机两部分组成。其中发射机负责模拟信号和数字信号的采集。
并对采集的信号做相应的处理,再经过频分复用实现信号的混合,最后将混合信号通
过红外发射电路发射
[10]
。图 2-1 所示的是发射机系统结构。
图 2-1 发射机系统结构
接收机负责将接收的信号滤波处理。得到一路模拟信号和一路数字信号。再将两
路信号做相应的处理还原出模拟信号和数字信号。其接收机的系统框图如图 2-2 所示
[15]
。
图 2-2 接收机系统结构
模 拟 语 音 信
号 采 集
放大滤波
频分复用
红 外 发 射
数字温度采集
51 单片机信号处理
A S K 调制
1 6 0 2 液 晶 显 示
本地震 荡
红外
接收
装置
前
置
放
大
模 拟 信
号 滤 波
放大
数 字 信
号 滤 波
放大
功率放大
喇
叭
ASK
解
调
判
决
电
路
51 单片机信号处理
1602 显示温度
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2.1 放大器
数据放大器是数据采集、精密测量以及工业自动化控制系统中的重要组成部分,
通常用于将传感器输出的微弱信号进行放大。对数据放大器的主要要求是高增益、高
输入电阻和高共模抑制比。如图 2-3 所示是一种应用比较广泛的由三个运放组成通用
的数据放大器的原理图。
图 2-3 高阻抗差动放大器电路
电路中的三个运放都接成比例运算电路的形式,电路包含两个放大级,U1、U2
组成第一级,二者均为同向输入方式,因而输入电阻很高。由于电路结构对称因此漂
移可以互相抵消。第二级的 U3 为差分输入方式,将差分输入转换为单端输出。在本
电路中要求原件参数对称,即
R2=R3,R4=R5,R6=R7
当加上差模输入电压 UI 时,U1 和 U2 的输入电压,U11 和 U12 大小相等,极性相
反,且 R2=R3,此时可以认为电阻 R1 的中点电位保持不变,即在 R1/2 处相当于交流
接地,则运放 U1 的工作情况如图 2-4 所示
图 2-4 U1 工作情况分析
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6
由图可得
11
1
2
11
1
2
1
2
1
2/
1 u
R
R
u
R
R
u
O
(2.1.1)
12
1
2
12
1
3
2
2
1
2
1 u
R
R
u
R
R
u
O
(2.1.2)
同理
IO
u
R
R
uu
R
R
uu
1
2
1211
1
2
201
2
1
2
1
(2.1.3)
A3 为差分输入比例运算电路,已知 R4=R5,R6=R7,则
21
4
6
OOO
uu
R
R
u
(2.1.4)
因此,该数据放大器总的输出输入关系为
IO
u
R
R
R
R
u
1
2
4
6
2
1
(2.1.5)
由上式可知,只要改变电阻 R1,即可灵活调节输出电压与输入电压之间的比例
关系。如果将 R1 开路,则第一级的输出电压成为
IOO
uuu
21
,第二的输出电压为
IO
u
R
R
u
4
6
(2.1.6)
从上面的公式来看,差分比例运算电路要想满足以上公式,电路中 R7、R6、R5
和 R4 四个电阻要求比较严格,阻值要求精确,一般推荐使用精密电阻来达到阻值的
匹配,否则不仅给上述输出输入关系式带来误差,而且还会降低电路的共模抑制比。
由于脉搏震动信号过于微弱,所以本电路放大倍数设置为 6000 倍,R1 采用精密
滑阻阻值为 1K,R2 为 9.1K,R4 为 1K,R6 为 100K。
2.2 滤波器
2.2.1 常见滤波器的比较
1.巴特沃斯滤波器在通频带中部有很平坦的频率响应,虽然在靠近-3dB 点的区域
多少有点起伏,在-3dB 点外,衰减速率逐渐增加并达到每倍频 n*6dB(n 为滤波器阶
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