潘佳琪 高韻淇 黃膺達(dá) 王哲然 李大宇

摘? 要：紅外光通信系統(tǒng)主要由紅外發(fā)射端和紅外接收端組成，以光為介質(zhì)完成語音通信。系統(tǒng)中使用了MSP430F5529單片機(jī)作為工具對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行A/D，DSP，D/A，串口通信處理，在發(fā)射端應(yīng)用了AM調(diào)制技術(shù)來降低誤碼率，提高通信的質(zhì)量，進(jìn)而使接收端得到的語音信號(hào)更加清晰。文章采用模塊化思想制作硬件電路，同時(shí)將軟件作為信號(hào)采集處理的工具，軟硬結(jié)合共同完成光通信裝置的理論分析和實(shí)物制作，傳輸?shù)恼Z音效果良好。

關(guān)鍵詞：紅外光通信;AM調(diào)制;DSP;串口通信

中圖分類號(hào)：TN929.1? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）09-0060-03

Abstract： Infrared optical communication system is mainly composed of infrared transmitting end and infrared receiving end， and completes voice communication with light as medium. The MSP430F5529 single-chip microcomputer is to perform A/D， DSP， D/A and serial communication processing on the voice signal. AM modulation technology is applied at the transmitting end to reduce the bit error rate and improve the quality of communication， so that the receiving end can get the receiving end. The voice signal is clearer. In this paper， we use modular thinking to make hardware circuits and software as a signal acquisition and processing tool. The combination of software and hardware completes the theoretical analysis and physical production of the optical communication device， the transmitted speech effect is good.

Keywords： infrared optical communication; AM modulation; DSP; serial communication

引言

光通信是以光波為載波的通信方式。它采用紅外線傳輸信息，不易被發(fā)現(xiàn)，因此其具有保密性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。近些年來，光通信領(lǐng)域發(fā)展迅速，在許多高等院校里，也出現(xiàn)了對(duì)紅外通信專業(yè)學(xué)生的實(shí)踐培養(yǎng)。光通信位于通信領(lǐng)域發(fā)展的前段，整個(gè)通信系統(tǒng)的性能對(duì)于通信的質(zhì)量極為重要。因此，對(duì)于傳統(tǒng)裝置的改進(jìn)與創(chuàng)新變得更加必要。

本文中設(shè)計(jì)了一套結(jié)合MSP430F5529單片機(jī)以及AM調(diào)制技術(shù)的光通信系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)完成語音信號(hào)的傳輸，且效果良好。

1 系統(tǒng)總體方案

本系統(tǒng)采用TI公司的MSP430F5529單片機(jī)為載體，對(duì)采集的語音信號(hào)做出處理，結(jié)合了AM調(diào)制方法，通過紅外發(fā)射管進(jìn)行發(fā)送。紅外接收端通過I-V轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的放大，經(jīng)過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)處理，再將其通過自適應(yīng)比較器進(jìn)行波形整形，之后結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行DA處理并濾波，最后通過音箱實(shí)時(shí)播放傳輸過來的語音信號(hào)。

本系統(tǒng)主要分為發(fā)射和接收兩個(gè)主要部分，紅外發(fā)射管和紅外接收管均采用高帶寬的二極管，以光為載體，對(duì)電流的變化和感應(yīng)作為傳輸信號(hào)進(jìn)行通信。通過MSP430F5529單片機(jī)和模擬電路模塊作為工具對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行數(shù)字、模擬的處理。模擬硬件電路模塊均采用Altium Designer軟件進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)，實(shí)踐效果良好。光通信系統(tǒng)總體模塊包括：語音放大濾波、乘法器、振蕩器、I-V轉(zhuǎn)換電路、解調(diào)器、自適應(yīng)比較器、300-3400Hz濾波電路，DA轉(zhuǎn)換模塊等。整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)要求，對(duì)幾個(gè)主要功能模塊的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。

2.1 語音放大及濾波電路

麥克風(fēng)將語音信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，此電信號(hào)通過放大以及濾波電路進(jìn)行電信號(hào)的初步信號(hào)處理。在這里，選用OPA2134芯片來設(shè)計(jì)放大器以及濾波器。OPA2134具有低噪聲，極小失真，具有良好的聲音品性的特點(diǎn)，因此，放在語音處理的電路部分。

在本文中，通過TI公司的FilterPro Desktop軟件進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)。語音信號(hào)頻率在300-3400Hz，為了避免其余頻率的噪聲對(duì)語音信號(hào)的干擾，選用中心頻率1850Hz，帶寬為3100Hz的帶通濾波器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行濾波處理。

2.2 單片機(jī)預(yù)處理

首先，用MSP430F5529單片機(jī)進(jìn)行AD采集，將語音轉(zhuǎn)化成的電信號(hào)通過AD處理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。之后將單片機(jī)與Uart進(jìn)行通信，輸出PWM方波，便于在紅外通信裝置中傳播。此方波便是帶有語音信息的數(shù)字信號(hào)，此異步幀格式由1個(gè)起始位、7或8個(gè)數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位（奇/偶/無）、1個(gè)地址位、和1或2個(gè)停止位[2]。

PWM波設(shè)置的波特率為256000bps。因此當(dāng)每個(gè)音節(jié)對(duì)應(yīng)的八位數(shù)字信號(hào)為01010101或10101010時(shí)，所傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)頻率最大，為128KHz。當(dāng)信號(hào)在信道中傳輸時(shí)，信號(hào)的傳輸速率越快（頻率越高），相對(duì)應(yīng)的時(shí)間延遲越小，通信效果更佳。所以，在這里選取了當(dāng)前時(shí)鐘下所對(duì)應(yīng)的最大波特率。

2.3 乘法器

在本套系統(tǒng)中，使用基于AD835芯片的乘法器來模擬整個(gè)AM調(diào)制過程。如圖2所示。載波信號(hào)是由ADF4351本振源產(chǎn)生的高頻正弦波，基帶信號(hào)則為經(jīng)過單片機(jī)預(yù)處理后的數(shù)字信號(hào)。將兩個(gè)信號(hào)通過乘法器相乘后，完成模擬調(diào)制過程。

數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通信時(shí)，在通信過程中的誤碼率較高，例如：在信道傳輸時(shí)，外界因素干擾，數(shù)字信號(hào)0跳變?yōu)?，導(dǎo)致一段數(shù)據(jù)信息錯(cuò)誤，使聲音失真。若經(jīng)過模擬AM信號(hào)調(diào)制后，由于正弦波經(jīng)過倒相后所承載的信息不會(huì)發(fā)生變化，因此，調(diào)制后的信號(hào)在經(jīng)過信道進(jìn)行傳輸時(shí)便會(huì)大大降低誤碼率，使接收端處理后的語音信號(hào)更準(zhǔn)確。

2.4 振蕩器

通過ADF4351振蕩器模塊產(chǎn)生正弦波，作為本振源，對(duì)單片機(jī)輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理。通用異步收發(fā)傳輸器（Uart）發(fā)送 ADF4351的頻率配置指令，MSP430F5529將串口協(xié)議解析，以SPI的形式將配置指令發(fā)送至ADF4351，實(shí)現(xiàn)波形輸出。為了使調(diào)制效果更加明顯，輸出的正弦波頻率應(yīng)達(dá)到10MHz以上[3]。

2.5 紅外發(fā)射端電路

紅外發(fā)射端電路使用的是TSFF6410[4]紅外發(fā)射二極管。紅外發(fā)射端與高頻率調(diào)制信號(hào)相連，由于紅外通信需要考慮許多因素，例如不同環(huán)境下的光照，發(fā)射器自身的發(fā)射功率等;要實(shí)現(xiàn)通信距離長(zhǎng)，通信質(zhì)量高，就需要聚光性好、發(fā)射功率大，帶寬大的紅外二級(jí)管;由于我們使用的編碼頻率較高，這對(duì)紅外二極管的高頻率特性有高要求。而TSFF6410紅外發(fā)射二極管具有如下參數(shù)：波長(zhǎng)為870mm、調(diào)制帶寬為24MHz、輻射功率和輻射強(qiáng)度高。其與設(shè)計(jì)要求相對(duì)應(yīng)，所以選擇該器件作為發(fā)射端。電路圖如圖3所示。

電路圖中的電容均為濾除電源自身噪聲的電容，在PCB板制作時(shí)，應(yīng)盡量使電容靠近電源，最大程度上減小電源噪聲干擾。復(fù)合三極管用來穩(wěn)定三極管射極的電流，當(dāng)發(fā)射端的輸入電壓信號(hào)不斷變化時(shí)，通過三極管的穩(wěn)定電流性能將電壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髯兓偻ㄟ^紅外二極管發(fā)射出去。

此發(fā)射端電路與傳統(tǒng)電路有所不同，此電路結(jié)合了集成運(yùn)放OPA695來使三極管導(dǎo)通。優(yōu)點(diǎn)是OPA695為高帶寬的電流驅(qū)動(dòng)運(yùn)放，使用它會(huì)使信號(hào)在高速傳播時(shí)仍具有穩(wěn)定性，進(jìn)而使紅外發(fā)射的效果更好。

2.6 紅外接收端電路

紅外接收部分使用的是TFDU4100。此紅外二極管同樣具有高帶寬特性。電路如圖4所示。

此接收端模塊同樣也為I-V轉(zhuǎn)換電路，將接收管接收到的電流信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并且放大106倍（彌補(bǔ)通信時(shí)信號(hào)幅度的衰減），選用500MHz高增益帶寬積的OPA656作為運(yùn)放來構(gòu)建此電路。

2.7 解調(diào)器

本系統(tǒng)采用包絡(luò)檢波（非相干解調(diào)）來對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)?；閿?shù)字信號(hào)，最高頻率可達(dá)128KHz，載波為ADF4351振蕩器輸出的15MHz的正弦波。兩種信號(hào)經(jīng)過AM調(diào)制后，得到了AM信號(hào)。在通信傳輸過程中，調(diào)制信號(hào)的頻率信息不發(fā)生變化，只有幅度產(chǎn)生變化。根據(jù)已知的頻率信息，設(shè)計(jì)解調(diào)器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基波的還原。

2.8 單片機(jī)DA處理

通過MSP430F5529單片機(jī)控制DAC7811芯片組成的DA模塊，完成數(shù)-模轉(zhuǎn)換，輸出采集到的音頻電信號(hào)。最后經(jīng)過300-3400Hz的帶通濾波器后，通過音響放出語音信號(hào)，完成整個(gè)光通信系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用MSP430F5529單片機(jī)的程序編寫實(shí)現(xiàn)AD，DA和通信的功能。

在發(fā)射端，單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，在利用Uart實(shí)現(xiàn)串口通信，發(fā)出PWM波（含有模擬信號(hào)的全部信息）。

在接收端，單片機(jī)對(duì)解調(diào)出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行DA處理，轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)（語音信號(hào)）。接收端軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用了MSP430F5529單片機(jī)作為MCU，采用了AM調(diào)制技術(shù)來降低通信時(shí)的誤碼率。硬件系統(tǒng)的PCB板集成度較好，所采用芯片均適合高速電路，單片機(jī)處理速度較快，可以實(shí)現(xiàn)最高頻率可達(dá)1MHz的信號(hào)通信。系統(tǒng)未考慮通信距離問題，需要提高信號(hào)功率來增加通信距離。發(fā)射端與接收端都采用了紅外二極管，以語音為原始信號(hào)，以光為載體進(jìn)行通信，接收端得到的語音效果良好。

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