全国大学生电子设计大赛论文
红外光通信装置（F题）
设计报告
[本科组]
参赛学校：解放军理工大学通信工程学院 参赛队编号： NJ071
参赛队员：张建红 邹燎原 王茜茜
红外光通信装置
摘要：本设计实现了一个语音与数据红外传输系统，采用PCM编解码器得到数字语音，FPGA器件作为主控单元，将单片机采集的室温信号和PCM编码器采集的语音信号，进行复接和编码，并驱动红外发射装置。以红外光为载体传输信号，传送至接收端。依次经过红外接收器、信道解码、PCM解码器，实现语音与数据的传输。该系统由PCM编解码器，单片机处理器，FPGA器件，红外收发模块与液晶等外设五个部分组成。经测试，本系统完全实现了基本要求和发挥部分的要求，且性能稳定，传输距离可达到5米以上，语音音质好，功耗低。
关键词：PCM编解码器，现场可编程门阵列，红外光通信
Abstract: This design realizes a system which transmits speech signal and data by infrared light. It gets digital voice by adopting PCM codec-filter. As a master controller, FPGA joints the temperature from MCU with speech signal from PCM, then drives the infrared emission. It uses infrared light as carrier to transmit signal to the receiver. This system is composed of PCM codec-filter, MCU, FPGA, infrared emission and reception, etc. Through the test, it turns out that the communication system accord with basic requirements and higher requirements completely. Furthermore, it performs stably and the voice is good of tone quality with low-power dissipation. The transmission distance is over 5 meters.
Key Word: PCM codec-filter, FPGA, infrared light communication
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红外光通信装置
1 系统方案 1.1 设计要求
基本要求：红外光通信装置利用红外发光管和红外光接收模块作为收发器件，用来定向传输语音信号，传输距离为2m。
发挥部分：实时传输发射端环境温度，语音信号和数字信号能够同时传输,通过转发节点延长通信距离2m,并保证语音通信质量，如图1所示。
语音信号红外发射装置红外光中继转发节点红外光耳机2m温度传感器温度显示2m红外接收装置图1 红外光通信中继转发装置方框图
1.2 系统组成框图
一个基本的红外光语音传输系统如图2所示，主要由信源、信源编码、信道编码、信道、信道解码、信源解码和信宿7个部分组成。信源包括语音信号和数字信号。信源编码实现语音模拟信号与数字信号之间的转换。信道编码实现多路信号复接、同步并提高抗噪声的能力。本系统以红外光为信息载体将信息传输到接收端，进行解扰码、解复接的信道编码、信源解码，最终实现红外光通信。
信源编码信道编码信道解码信源解码红外光信道语音+数字信号语音+数字信号图2 红外语音传输系统框图
1.3 方案论证
1.3.1 红外接收
方案一.分立元件搭建接收电路
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红外接收管接收到光信号并转换成电信号，电信号与接收到的光强成正比。接收信号经放大处理，噪声同时被放大，接入FPGA进行判决处理，这样判决误差大。
方案二. 红外接收模块
红外接收集成芯片灵敏度高，同时内部集成运放、滤波器，将接收到的信号放大，滤波处理，有效地消除噪声干扰。
根据指标要求，红外接收端选择方案二即采用红外接收模块TFDU4100实现红外光信号的接收。其与红外发射管TSFF6410匹配，可以直接和一个做脉冲调制的I/O口连接，简单且效率高。 1.3.2 语音信号的预处理方式
方案一.采用模拟信号直接传输
红外光传输数据不存在无线电传输时天线尺寸的问题，理论上可以将语音信号用低噪声输入阻抗高的运放进行前置放大，信号调制二极管两端电压，发光二极管的发光强度与模拟电压信号强弱成正相关。接收端接收到变化的光照强度，转换成模拟电压或电流信号。但是，输入的语音信号非常微弱，极易被噪声淹没，语音失真大。
方案二.采用AD芯片
将语音信号进行一定的前置放大和滤波处理，进行高精度的AD采样，将模拟量数字化，进而在通信系统中传输，但本方案模拟部分实现较为复杂。
方案三.采用PCM编解码器
作为最典型的语音信号数字化方式，PCM编解码将语音数字化并限制频带，量化信噪比大。常见的PCM编解码器内含有精确基准电压,并带有预采样滤波器和重构滤波器,既可用于同步传输也可用于异步传输的设计中。
经讨论、分析、对比，最终选择方案三即PCM编解码器，芯片选型为 MC14LC5480DW，采用A律压扩。 1.3.3 信道编解码方式
方案一.DSP数字信号处理芯片实现
DSP运算速度快，通用性强，可以与串行设备如编解码器或串行A/D转换器直接通信，同时还可提供A-律和u-律压扩。
方案二.FPGA实现
可实现信道多路复用，并可同步传输语音数据和温度数据，产生适合红外光信道传输的高速脉冲。其集成有多个成熟的IP核，功能强大，编程简洁，语法易懂，处理速度快满足实时传输的要求。若加入串扰码还可以提高信息传送的可靠性。在接收端FPGA实现信道解复用、解码，恢复语音和温度两路数据。
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