红外线语音通信系统文献综述教学内容.doc

红外线语音通信系统文献综述本科毕业设计（文献综述） 题 目 红外线语音通信系统 姓 名 专 业 通信工程 学 号 指导教师 信息工程学院二一五年五月红外线语音通信系统摘要随着红外线通信技术的发展，红外线通信是目前使用较广泛的一种通信手段。由于红外线通信具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点。工业设备中，在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下，采用红外线通信技术不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。本文所要介绍的内容就是如何利用红外线通信装置，结合红外线器件设计构造出一套简易的红外线通信系统，以实现在中短距离内的红外无线通信的功能。与一般通用的红外线通信不同的是它采用同频率双信号来实现发收。此通信系统经过一些必要的扩展，基本可以实现通用和各种专用红外线通信的功能。本人毕业设计的论题为红外线的发射与接收系统的设计，本文根据目前国内外学者对红外线通信的实验研究成果，借鉴他们的成功经验。这些文献给与本文很大的参考价值。本文主要查阅进几年有关红外线通信与实验研究的文献期刊。红外线通信作为无线通信技术的一种，具有其他无线通信不可比拟的技术优越性。国内在红外线通信研究开展的也比较早，不论是理论上还是实验上，都取得了不少研究成果，但还有些不足。不过，与国外相比，还存在较大的差距。特别是针对短程同频率双信号红外通信装置的研究相对较少，实用化方面所做的工作也远远不够，效果也不是很理想。近几年关注红外线通信公司不断增大投入，因为从应用层面上讲长期可靠性工作非常重要。自从1800年英国天文学家F.W.赫歇尔发现红外辐射至今红外技术的发展经历了两个多世纪从那时开始红外线和红外元件、部件的科学研究逐步发展但发展比较缓慢直到1940年前后才真正出现现代的红外技术在这以前主要的研制成果主要是热敏型红外探测器通过它科学家认识了红外辐射的特性及其规律证明了红外线与可见光具有相同的物理性质。20世纪初开始通过测量大量的有机物质和无机物的吸收和发射光谱证明了红外技术在物质分析中的价值。21世纪以来红外在红外探测、红外无线通信、红外遥感、红外成像等方面的应用都极大的改善了我们的生活方式。红外通讯技术也是随着红外技术的发展而发展尤其是进入90年代这一通信技术又有了新的发展应用范围更加广泛。1993年一个由部件、计算机系统、外围设备和电信厂商组成的大型集团红外无线数据协会IRDA就红外通信的一套标准达成一致。现在约有一百多家厂商支持红外通信标准。主要的PC机开发商如微软、苹果、东芝等已推出了在计算机 之间采用这种高速红外数据通信的数字设备。并且它作为一种最具有成本效益和便于使用的无线通信技术越来越受到人们的关注和重视。 1 背景和意义日常生活中，电脑、电视等电器让我们眼花缭乱，各种设备的线缆随处可见，就连我们的声音传输在很大程度上也依赖于各种各样的电缆。这种采用有线方式来传输语音信号的系统必须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的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的很大的冲击，为通信业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了可能，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，主要应用在遥控和传输方面。红外传输以红外光为载体，通过其在空中的传播来传输语音和数据的传输方式。这种通信系统传输速度快，干扰小，可靠性高，适合多种近距离无限通信场合使用，例如教师的语音教学系统，家庭居室、图书馆、医院等，在电子产品中具有官方的发展潜力。2 国内外研究现状由于室内无线光通信所具有的灵活、便捷及高速等特性，在国外,如美国日本等国家,许多研究所和企业长期进行该领域的研究，并陆续有产品从实验室走向商用。自从1979年IBM公司的F.R.Gfeller发表了较有影响的关于红外通信设计与实验的论文以来，有许多学者在进行红外无线通信的研究。美国加州伯克利大学电子工程和计算机科学系在IBM和HP公司的资助下进行了红外无线通信的研究。以J.R.Barry和M.Kaim为首的一批研究人员对室内无线红外光的漫射光通信取得了一定的成果。但其更进一步资料较为保密。美国圣地亚哥AstroTerra公司，已做出可以在3km、skxlz、sklll，速率155Mbps、622Mbps、2.SGbpS的点对点产品研究及实验，并在洛杉矶、拉斯维加斯、圣地亚哥等地作了外场实验圈。Daniell等人研究了采用手持终端的无线红外厂区网络。该网络采用蜂窝结构，所有的红外Cell与高速光纤骨干网相连。骨二二网上接有IsDN PABX。红外手持终端有两种类型：(l)普通型：含标准的甩话业务及少量的数据业务，用于移动的手持终端；(2)高性能型：具有内置处理能力，使传感器的数据速率降低至与红外信道兼容，可用于与高速数据设备接口。红外信道采用的协议类似ISDN协议，每个红外Cell的信道速率为标准ISDN速率:日本邮政省则组织了“强红外无线光通信技术用于计算机、多媒体终端及移动通信中的联网计划”，并早就在城市大楼间取得了应用。以色列许多公司参与了国际市场竞争，有的产品已打入中国市场。而在国内还没有相关的报道。除此之外，北京大学电子学系焦秉立教授主持开发的项目：新一代计算机红外线通讯网络,得到了国家创新基金的支持和有关公司资金的投入。项目的总体目标是实现以红外扩频为基本技术的室内红外通信网络的设计，使带有红外接口的通用设备，如：便携电脑，打印机，照相机等可以灵活地以无线方式入网络，并接收和发送信息。现己开发成功公共场所的网络服务系统，室内会议网络系统开发工作将于近期完成，另外，可提高红外通信距离的扩频调制技术及网络系统也处于研制中。由以上可知，作为有线通信的有力补充，室内无线光通信受到越来越大的重视。3 设计目的我们生活当中的各方面都需要通信，那么就现在来讲无线通信的发展还是比较迅速， 语音通信的目的是传递声音信息，发送方发出的声音转换成电信号，经发送端设备变换为适合传输的形式，通过传输的信道传给接收方。但是信号通过一系列的传输通道和设备必然会存在噪声，噪声的存在给语音通信带来干扰，致使通信效果变差。在实际生活中，语音通信可能发生在嘈杂的噪声环境中，语音信号甚至完全被背景噪声所淹没,几乎无法识别。通信过程无法正常的实现,给生产、生活、军事行动带来严重影响,给个人、单位乃至国家造成巨大的经济损失。因此，如何有效的抑制和去除噪声，提高语音的可懂度是非常重要的。4 方案的提出与选择所谓的数字通信就是指把在发射端接受到的语音信号放大后传输到A/D转换中进行模/数转换，再由单片机中嵌入的程序控制A/D芯片进行模数转换，当红外接收端的红外线接收管接收到信号后，单片机对接收到的信号进行识别，之后将处理好的信号数据传入D/A转换器进行转化之后，传输滤波电路和功率放大电路进行处理，最后将处理好的语音信号输出，原理如图1.1所示。图1.1 红外数字通信原理图AM调制通信就是把接收到的语音信号传送到放大电路中放大，之后经过红外线发射直接发射出去，通过红外发射管把电信号转化为光信号，这个过程就是通过红外线传输语音信号的过程。红外线接收管接收到红外信号后把光信号转化成电信号，在传入功率放大电路中进行放大和滤波，最后把信号传输到音频输出也就是扬声器中，对处理好的电信号进行转化为语音信号输出，原理如图1.2所示。音频信号频信号放大发送接收放大功率放大音频输出图1.2 AM调制通信的原理图音频信号放大发送接收放大功率放大音频输出锁相环调频锁相环解调在通信的课程中我们了解到FM调制通信就是利用锁相环技术（简称为PLL）对语音采集端输入的语音信号进行放大滤波之后送入红外发射管传输的由光信号转化的调频信号，接收端的接收到的调频信号之后再次采用用锁相环技术不过这时是进行解调，经过解调后的信号送入功率放大电路处理之后进行输出，输出原理如图1.3所示。图1.3 FM调制原理图通过上面的比较可以看出使用数电知识来设计电路，要涉及到单片机以及信号系统和电路基础的课程之后，还涉及到高数上面的计算，对于专业知识不是他别精通的人来说是个很大的挑战，并且在使用单片机的过程当中仍然会遇到一些不可避免的问题，还有一个问题就是利用单片机的话成本会高一些，在实现功能相同，效果相近的情况下，还是应该选择一个性价比高的方案。本次的设计，原来的思路是想用数字通信方面的知识，也就是利用单片机的程序设计来通过模数和数模转换来实现语音的通信，但是经过实际操作电路来验证的过程中，发现本人的知识点和能力不足以支持思想的实现，实现不了本次设计的设计要求，所以之后就选用了使用纯模电电路来进行本次设计。在设计的过程当中依然还是参考了数字技术的一些放大器和放大电路的设计思路。来进行优化设计方案。5 设计总体概况选择红外光的原因：无线通信方式可以分为电信号、超声波和红外线等等。由于电信号的使用方式比较传统，所以我选择超声波和红外线做为我的首要思路。那么我对超声波和红外线这两种方式也做了一些对比和比较。超声波通信的话，频带较窄，容易受噪声干扰，系统抗干扰能力差。那么红外线不会向室外泄露，不会产生信号干扰，反应速度快，传输效率高。所以我选择了这个红外线课题。来实现我想用红外线来实现简单的语音信号的传输。(1)红外线的特点我们的眼睛所能看到的光称为可见光，这些可见光按照波长排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。红光的波长范围为0.62m0.76m，我们把比红光波长还长的光叫红外线。我们的有一般家庭常用到的电视遥控器的红外线遥控器就是利用波长0.76m1.5m之间的近红外线来传送控制信号的。 红外线的特点是对其他电器设备工作干扰比较小，对周边环境的要求也不是很高，一般不会相互影响。最后就是红外线的电路具有调试简单等优点。(2)红外线发射和接收我们所涉及到的需要用到的红外通信项目中，必不可少的就是要用到的红外线的发射和接收两部分。我们这次试用的是简单的元器件：语音发射部分射发射元件为红外发光二极管，在二极管中我们还加了一个电阻， 一般常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右，红外线发射二极管的的外形与普通5mm发光二极管相同，但是颜色不是很一样。一般分为透明色、黑色和深蓝色等三种。接收电路的红外线接收二极管是一种光敏二极管，我们在使用的时候要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。由于红外发光二极管需要的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以在红外线的接收端要增加高增益放大电路，也就是说我们需要使用放大倍数较高的功率放大器来放大我们接收到的电信号，使我们之后再耳机或是扬声器听到的声音和输入的声音信号差别不大。系统的总体设计框图如图1.4所示。 图1.4 系统的总体设计框图红外语音的传输，分为语音采集和红外线的发射与接收部分，下面来仔细说说红外线的发射与接收模块。红外线的发射部分：语音信号通过麦克风转化为电信号再经过LM358放大后的滤掉频率超过2000hz的语音信号经过由LM358和一个电容以及二极管组成的RC电路放大后推送到红外线发射管，由于发射管的发射强度与通过其电流由红外发射管转化为光信号进行传输成语音信号的大小改变其亮度。红外线的接收部分：红外线接收管被语音信号调制的红外光照射到的时候，在红外线接收管这侧产生一个与语音信号变化规律相同的电信号，经S9013进行电压放大再经过有源低通滤波LM358和有源高通滤波LM358以及放大倍数较大的LM386进行功率放大后进行放大，并将电信号信传至扩音器和耳机转化成为我们可以听到的声音信号，在这里呢，为了避免语音采集器与扬声器会产生一个共鸣，我加了一个开关，可以选择用耳机来听传输过来的语音信号也可以选择用扬声器来听取所传输过来的信号。6 结束语本次设计是用模拟调制的方式来实现红外无线语音传输，虽然与数字传输方式相比有很多不足，比如传输距离方面以及抗干扰方面模拟传输都有明显的弱势。但是对于控制成本和电路实现的简单方面还是有很大的优势的，因为本次设计是3m的传输距离，而用模拟调制的方式来传输就已经可以达到要求，所以相对于这一点来说本次设计还是有很强的可行性的。本设计达到了2m的传输距离，并且在传输音频信号循环数的过程当中我们添加了电压放大电路以及滤波电路，可以实现传输距离的增加，同时尽量的减少我们传输语音时的噪声影响，为了避免传输成功的语音在被语音采集器接收到形成一个环路，造成共鸣。我增加了一个开关，可以在接收端选择耳机来进行语音的检测，而不会对语音采集造成影响。但是在这次设计中还有一些不足之处，其一是传输语音的距离不能过长。其二就是我们在传输过程的噪音还是不能更好的控制，在传输的过程当中还是会受环境的影响。总的来说这次设计的优点在于系统供电方式多样，可以用电池供电，也可以用电源供电，对于本次设计的缺点会在今后的工作和学习中多加学习这方面的知识，找到相应的解决方法。 参考文献1 马鑫.远距离红外激光无线通信系统设计与实现D.天津:天津大学.2008.2 吴刚.基于单周控制的有源电力滤波器的研究D.无锡:江南大学.2008.3 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