「红外光通信装置」2013年国赛-红外光通信装置的设计与制作（模拟传输方案）

红外光通信装置

1 赛题设计要求：如图1所示

图1-1：红外光通信赛题要求-发挥部分

分析：1）通信任务：两路信号，语音信号和温度信号。

2）通信距离：至少2米。

3）系统机构：发射机，中继，接收机。

2 我的方案设计

系统由发射机、接收机两部分组成（中继只是接收机与发射机的结合，不再重复啰嗦）。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。

2.1 发射机

发射机实现模拟语音信号的采集，以及数字温度信号的采集。采集到的两路信号分别进行预处理后进行混合（两路信号只能共用一个红外发射管，就像只有一根天线，所以必须将这二路信号混合为一路信号后，再驱动红外发射管）。这里混合的方式采用的是频分复用，两路信号虽然混在一起了，但是在频域上看两路信号其实是分开了的（需要一点点信号与系统的知识），详细原理我会在后面贴两路信号的频域图。发射机系统结构框图，如图2所示：

图2-1：发射机系统结构框图

2.2 接收机

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。接收的过程与发射的过程相反，接收的难点就是怎么把混在一起了的信号再完美分开，还得看两路信号的频域分析图。接收机系统结构框图，如图3所示：

图2-2：接收机系统结构框图

3 Matlab频域仿真图

这节比较关键，把图看懂了，你就知道上面的系统框图中啥叫频分复用了，相应的信号混合与分开原理也就懂了。首先，这个知识得知道，人说话是有个语音频段的，主要集中在300~3.4Khz之间。（如果脑中完全没有频域的概念，可以看看这篇不错的博客：https://zhuanlan.zhihu.com/wille/19763358，本人就是这篇博客的受益者，有种恍然大悟的感觉），数字温度信号是从18b20中获取的，发射机中的51单片机获取温度信号后，再通过串口脚把温度信号发出来，发送的波特率是300Baud，用示波器测量的话就可以看到一个很清楚的方波信号。下面开始贴图：

1）模拟语音信号频率主要集中在300~3KHz，实验时用300Hz的正弦信号代替。其时域图和频谱图如图3-1和3-2所示

图3-1正弦信号时域图

图3-2正弦信号时频谱图

2）数字基带信号频谱与码型和波特率有关， 300Baud的单极性非归零码的时域图和频谱图分别如图3-3和3-4。

图3-3 数字基带信号时域图

图3-4 数字基带信号频谱图

3）数字基带信号（温度）和模拟信号（语音）的混合仿真，混合信号的时域图和频谱图如图3-5和3-6。

图3-5 混合信号的时域图

图3-6 混合信号的频谱图

由图3-6 混合信号的频谱图，可以清楚的看到，模拟语音信号300Hz（实际是300~3.4Khz一个频段），混在了数字温度信号里面。两路信号若不做任何处理，即基带信号直接相加，时域上是混乱的，频域上也是混乱的，那么接收机是无法分开这两路信号的。因此必须对两路信号做处理，使其分开，我们采用的方法是频分复用，显然我们要让它们在频域上分开。

4）本设计中分开的方法是对数字温度信号进行ASK调制：数字基带信号经调制后实现了频谱的搬迁，使用60KHz的载波，调制后的波形频谱主要集中在60KHz附近。其时域图和频谱图如图3-7和3-8。