红外光调制语音传输系统设计

刘凌云

（集宁师范学院物理系，内蒙古乌兰察布012000）

0 引言

在日常生活中，电脑、电视等的电缆让我们眼花缭乱，头痛不已，各种设备的线缆也随处可见，就连我们声音的传输在很大程度上也依赖于各种形形色色的电缆。这种采用有线方式来传输语音信号的系统必须要有大量的电缆将收发端连接起来，声音信号才能进行传输。有没有一种无需电缆连接就能实现声音传输的方法呢？科学技术的日新月异，红外技术的飞速发展给传统的声音传输带来了强大的冲击力，同时也带来了无穷的希望和活力。红外技术的应用使得语音无线传输成为可能，并使传输更加灵活、方便、高效。

红外技术是无线连接的鼻祖，是先进科学技术的重要组成部分，广泛应用在遥控和传输方面。红外传输是一种以红外光为载体，通过其在空中的传输来传输语音和数据的传输方式。

1 红外光调制语音传输系统原理

红外光调制语音传输系统，利用红外光为传输载体完成语音的无线传输。这种通信系统传输速度快，干扰小，可靠性高，适合多种近距离无线通信场合使用，例如教室的语音教学系统、家庭居室、图书馆、医院等，在电子产品中具有广阔的发展潜力。

红外光传输语音系统利用850nm的红外光作为传递信息的媒体，即以红外光作为通信信道来传输语音信号，主要由发射部分和接收部分两大部分组成。

红外光传输语音的发射框图如图1所示：

图1 红外光传输语音发射部分框图

在发射部分话筒捕捉到的音频信号非常微弱，同时噪音信号和音频信号一起进入到话筒中，所以首先必须对音频信号进行滤波和放大处理。发送端对微弱音频信号滤波放大后采用模／数转换方式，将模拟音频信号转换成某一频率的数字脉冲序列，同时单片机提供同步时钟序列，在数据开始传送前添加同步字符作为信息开始标志并通过门电路实现码形变换，最后驱动红外发射管以光脉冲的形式将信息发送出去。

红外光传输语音的接收框图如图2所示：

图2 红外光传输语音接收部分框图

在接收部分采用光电二极管接收，接收端将接收的光脉冲转换成电信号，再经放大、整形处理后用单片机中断检测出同步字符，判断信息的起始位置后按顺序恢复码形，送数／模转换器转换后滤去高频载波，还原为音频信号最后进入功放电路由喇叭输出，由此实现了语音信号的红外无线传输。

2 硬件电路设计

在本系统中采用AT89C2051单片机实现模／数、数／模转换和语音信号的同步传输。AT89C2051单片机连接模／数、数／模转换器的选通端和时钟端控制转换。在实现同步时发射端利用AT89C2051单片机的接口提供同步时钟序列，接收端再利用AT89C2051单片机中断检测出同步时钟序列，判断信息的起始位置以后按顺序恢复并接收信息。

2.1 红外光传输语音的发射电路设计

在发射部分，语音信号送入话筒，话筒将捕捉的模拟音频信号转换为电信号，经过前置放大和中间放大两部分放大后送10位串行模／数转换器TLC1549由AT89C2051单片机控制进行模／数转换，在TLC1549选通端下降沿时刻AT89C2051向TLC1549时钟端提供四个高电平1111作为信息开始标志，随后AT89C2051再把I／O CLOCK采样时钟序列提供给TLC1549时钟端，转换后输出的信号和I／O CLOCK采样时钟序列同或，这样输出的DATA OUT信号和由单片机AT89C2051控制的I／O CLOCK端发的四个连续高电平的信息的开始标志一并送红外发射驱动电路驱动红外发光二极管发光，并以红外光为媒质将信息发送出去［1］。发射部分电路如图3所示：包括前置滤波放大、中间放大部分、语音信号模／数转换部分和驱动电路部分。

各部分介绍如下：

（1）前置滤波放大、中间放大部分

图3 发射部分电路

前置放大、中间放大电路主要完成对微弱信号的放大，满足后级电路的电平需求，（TLC1549的输入信号电平约为－0.3v～5.3v）。要使信号不失真传送，必须失真度小、信噪比高、频率特性好，输入阻抗高、输出阻抗低。通过对上述各匹配因素进行综合考虑，选用LF353组成滤波放大电路，A1、A2组成两级同相放大［2］。一般在说话时，话筒采集到的声音信号比较微弱，后级电路电平要求较高，据后级电平要求所以必须对微弱语音信号进行前置、中间两级放大，同时在前级电路滤波，抑制高频，消除噪声干扰，改善音频信号。

（2）语音信号模／数转换部分

普通的红外管很难对模拟信号作线性处理即不能直接放大传输，但若结合前置放大、中间放大以及模／数转换就能把模拟量通过数字形式可靠地传输。为了把模拟信号转换成数字信号就必须进行数字化处理。在设计中采用模／数转换器实现对语音信号的数字化处理。

AT89C2051单片机的P1.7、P1.6、P1.5接口分别与TLC1549的选通端数据输出端DATA OUT、输入／输出时钟端I／O CLOCK端相连，采用TLC1549的方式1进行模／数转换。

（3）驱动电路部分

为了提高红外发射管的发射功率应尽量增大驱动电流，普通红外发光管的额定工作电流为20～50 mA，该系统中的发射电路采用三极管构成简单开关电路，三极管采用频率较宽的8 550，基极用510的基极限流电阻R8，电源12V［3］。

2.2 红外光传输语音的接收设计

在接收部分，光电二极管接收的信息信号经小信号放大和整形电路送到数／模转换器TLC5615进行转换，同时由AT89C2051单片机中断检测信息开始标志，检测到开始标志时控制信息进行数／模转换以实现同步，最后经滤波、低放、功放送喇叭完成语音的传输。接收电路见图4所示：

图4 接收部分电路

接收部分包括小信号放大部分、整形电路部分、信号的数／模转换部分和功放部分。接收各部分介绍如下：

（1）小信号放大部分

光电二极管又叫光敏二极管，它是一种将光信号转变为电信号的特殊二极管，设计中采用光电二极管接收红外光信号，光电二极管工作电流0～2 mA，电源5V，设计中R9取10KΩ，光电二极管接收的信号电平约为3V，考虑到后级整形和传输的需要，小信号放大倍数设计为6倍，放大后约为18 V。

（2）整形电路

信息信号经传输后往往发生波形畸变，信息信号由光电二极管接收后，经小信号放大后进入施密特触发器整形，用以消除干扰和畸变，把脉冲信号调整到规定的脉宽，获得比较理想的矩形脉冲波形，从而达到单片机AT89C2051中断进行开始标志脉宽鉴别的目的，使发送和接收同步。

（3）信号的数／模转换部分

接收端接收的信息信号经小信号放大和整形电路送到数／模转换器TLC5615由AT89C2051单片机控制数／模转换，变成模拟信号。TLC5615是具有串行接口的10位数模转换器，＋5V电源供电，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。基准电压输入端REF IN，通常取2.048V。

AT89C2051单片机的P1.4、P1.3接口分别与TLC5615的时钟端SCLK、选通端相连。在转换之前由单片机AT89C2051中断检测同步信号开始标志，检测到开始标志时再控制数／模转换以实现同步［4］。

（4）功放部分

在实际电路中往往要求放大电路的末级输出一定的功率，以驱动负载，功率放大电路能够向负载提供足够的信号功率。信号经D／A转换器TLC5615出来变成模拟信号，滤去高频载波信号得到音频信号，送入功率放大电路，在电源电压确定的情况下，使电路能输出尽可能大的功率，驱动喇叭工作。目前使用最广泛的是无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）和无输出电容的功率放大电路（OCL电路）。在设计中我们采用集成无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）。无输出变压器的功率放大电路（OTL电路）就是用一个大容量的电容取代变压器，避免了传统的变压器耦合式电路功率放大电路体积庞大、笨重、消耗有色金属的缺点。

3 软件设计

在设计中采用AT89C2051控制模／数转换、数／模转换和同步传输。实现同步的方法是在的下降沿，单片机AT89C2051先向I／O CLOCK端发1111作为信息的开始标志，然后再把I／O CLOCK序列提供给I／O CLOCK端，并从DATA OUT接收前次转换结果［5］。

4 结论

红外语音传输系统是以红外光为传输媒质，由于红外光不能对语音信号进行直接传输，所以本系统采用了模／数和数／模转换来调制语音。利用AT89C2051单片机程序及中断控制，完成模／数、数／模转换和同步传输。系统主要由发射部分和接收部分组成。发射部分对微弱音频信号进行滤波和放大处理后送入模／数转换器将模拟音频信号转换成数字脉冲序列，单片机提供同步时钟序列，在数据开始传送前添加同步字符作为信息开始标志并通过门电路实现码形变换，最后驱动红外发射管以光脉冲的形式将信息发送出去。在接收部分采用光电二极管接收，接收端将接收的光脉冲转换成电信号，再经放大、整形处理，用单片机中断检测出同步字符，判断信息的起始位置后按顺序恢复码形，送数／模转换器转换后滤去高频载波，还原为音频信号最后进入功放电路由喇叭输出，由此实现了语音信号的红外无线传输。

本系统完成了电路的设计并结合硬件设计原理对收发过程中的一些问题给出了系统设计的实现方法。设计均采用普通元器件，若选用抗干扰能力强、稳定性好、精确度高的元器件其传输特性将会有很大改善。红外语音传输系统使用方便、经济可靠，具有批量生产及推广的现实意义，特别适合无线语音教学系统，具有良好的应用前景。

［1］阎 石.数字电子技术基础：第四版［M］.北京：高等教育出版社，1998：224－352.

［2］童诗白，华成英.模拟电子技术基础：第三版［M］.北京：高等教育出版社，2001：171－515.

［3］赵明富，朱利华，雷建军，罗渝微.基于PWM技术的红外语音通信系统设计［J］.国外电子元器件，2002（9）：7－9.

［4］孟 敬.基于ADM的红外语音传输系统设计［J］.电声技术，2005（7）：31－34.

［5］夏世长，陈迪平，王镇道，蒋见花.红外无线语音教学系统的设计［J］.无线电工程，2000（6）：36－38.