红外光通信

基于红外光通信的音频传输系统 于小强（上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093） 1 引言 红外通信技术作为世界范围内广泛使用的一种 无线连接技术，由于其在安全性、环保性等方面的优 异表现，目前已经被广泛的应用于设备互联、信息网 关等点对点高速数据通信中。但是常用的红外发光 管调制电路中采用的PPM信号调制方法。无法完成 高速连续稳定发送。例如电视机遥控器、空调遥控器 等无线通信设备，无法完成大数据量的高速点对点 传输[1]。如参考文献1中，该方法只能完成低速间断发 送。本文采用的FIR器件TFDU6103内置IrDA1.1高速 红外通信协议，可在一定的距离及发散角下完成高 速点对点数据通信。 此外，在音频数据解码输出过程中，设计了功率 放大电路，增加了输出负载能力，并且系统达到了如 下技术指标： (1)红外通信速率115200bit/s。 (2)传输解码音频频率10Hz~20KHz。 (3)音频解码输出端，8欧负载，无信号输入时，电压 小于0.1V，800Hz单音音频输出电压有效值不小于0.7V。 2 音频数据传输系统设计 2.1 红外通信硬件设计 红外光通信是将所需传输的数据编码后，通过 控制红外发光管闪烁完成电/光转换，再利用红外光 接收器接收红外光，输出电信号，完成光/电转换。通 常采用驱动器、红外二极管完成红外的发射与接收， 为了保证数据传输的安全性通常对传输数据进行编 码，采用IrDA协议大大降低了误码率。IrDA1.1标准, 即高速红外,简称为FIR。相比于普通的PPM调制方法 具有较低的误码率与较高的传输速度。其数据位表 示如下： IrDA1.1协议器件物理层框图如图2所示。 图1 PPM编码数据位波形 图2 IrDA1.1物理层框图 基金项目：国家自然科学基金(61007002)；上海市教委重点学科项目(J50505)。 技术方案 TechnologyScheme 12 2014.4 数据通信 由图1与图2中所示，FIR器件相比于传统波形调 制方法更加复杂与灵活，兼顾低速设备的同时保证 了高速可扩展。基于低功耗、支持红外通信协议等因 素，选择ST公司生产的STM32F103 ZET6作为主控 器。该芯片使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的 RISC内核，高达72MHz的工作频率及丰富的片内数 模资源丰富了系统功能。 图3、4中所示的是红外发送与接收电路，利用主 控器的PortC口提供的SDIO硬件接口完成于SD存储 卡的连接，完成音频的存取，最高传输速度48Mbps。 PA9、PA10端口即串口一，硬件支持红外通信协议， 最高传输速率115200bps。图4中，接收完音频数据 后，也同样存储至SD卡，电路如图3所示，然后通过 SPI接口将音频数据流传输至音频解码电路，最高传 输速率18Mbps，按键完成存取、开始、停止等控制功 能。 2.2 音频数据流解码输出 本设计中音频数据采用的是WAV数据流存储与 解码，解码芯片采用VLSI Solution公司生产的高性能 解码芯片VS1053，支持Mp3及WAV数据流解码。且内 部具有低功耗DSP 处理器内核VS_DSP4，为用户提 供5KB的指令RAM和0.5KB的数据 RAM。通过SPI总 线接收数据流，解码后两通道18位高精度模拟量输 出。 2.3 功率放大电路 解码器的信号输出端已足够驱动8欧的负载，但 是考虑到音频解码的输出信号所用的场合不同，输 出级的负载也同样各异，所以设计功率放大电路以 满足不同场合的需要。本设计采用ST公司生产的 TDA2030功率放大芯片，采用正负供电电源。该芯片 具有上升速率高、失真小、输出功率大等优点，最大 输出功率可达18W，完全满足常用场合要求。程控增 益输出信号通过1uf的极性电容后与TDA2310的1号 脚相连。如图6所示： 3 系统软件设计 3.1 红外光通信流程 红外传输过程中，主控器通过SDIO接口开辟内 存并将存储于SD卡中的音频波形取出，通过串口将 数据通过TFDU发送出去，接收端处于休眠低功耗模 式，接收到数据进入接收终端，同样开辟内存空间， 将数据存储至SD卡中，传输完成后，进入休眠。其中 对内存的操作通过如下函数完成： (1).f_mount(0, &fs);// 注册工作区，初始化盘符 为0 (2).f_opendir (&dirs, path)；//打开卡的根目录，并 将这个根目录关联到dirs这个结构指针 (3).f_readdir(&dirs, &finfo);//读取目录信息 (4).result = strstr ( finfo.lfname, \".wav\" )；//判断 文件名 图3 红外发射端电路 图4 红外接收端电路 图5 VS1053音频解码电路 图6 功率放大电路 技术方案 TechnologyScheme 13 数据通信 2014.4 红外数据发送与接收过程如图7中a、b所示： 3.2 音频数据流解码 本文通过SPI2接口对VS1053解码器进行配置及 数据流的传输。解码器的写时序如图8所示，读写过 程相似，都是先发指令后发地址，最后传输数据，数 据通过SI端写入，SO维持低电平，通过判断DREQ电 平决定是否进行下一步操作。 下面以一次数据传输为例，叙述操作步骤： (1)复位VS1053，调用VS_Soft_Reset()； (2)配置工作寄存器，调用WriteRegister(3, 0x98, 0x00)，设置VS1053的时钟3倍频； (3)调用WriteRegister(5, 0xBB, 0x81)，采样率设 置为48K； (4) 音频数据数据流传输后解码输出，调用 VS1053_WriteByte( buffer[count] )，一次最大32个字 节，解码数据流并模拟量输出。 4 实验结果及分析 在红外发送端SD卡中存储193K字节的标准 800Hz单音正弦波形。将发射端与接收端固点对点安 装在1.5m出，发散角小于20度，保证较低的误码率。 TDA2030输出端负载电阻设为8欧姆。 （1）传输检测 点对点数据传输后，经过主控器的串口进行数 据处理，最大传输速度115200bit/s，完成音频数据传 输时间不超过15秒。检测音频解码输出功率放大后 的FOUT端波形，即图6中所示的4号脚。示波器检测 接收的输出音频如图9所示： （2）输出负载检测 由图可见，最大通信速率115200bit/s下，接收端 收到的音频数据稍有一些噪声，电压最大值为 2.16V，得有效值为1.52V，示波器测得频率为 800.1Hz，通过按键停止音频数据流传输，万用表测 点电压有效值为0.02V左右，远小于0.1V，表明系统在 增加负载能力的基础上，受噪声干扰较小，满足系统 技术要求。 5 结论 本文设计的基于红外光通信的音频传输系统是 基于红外波段的数据传输，完成了点对点的高速输 出传输，同时解决了音频解码后负载能力小的问题。 实验数据表明，系统传输速度快，负载能力高，有很 好的应用前景。 参考文献 [1] 王琼. 红外遥控技术在智能抄表系统中的应用. 仪器仪表 学报,2006(03):1901-1902 [2] 郝迎吉. 基于VS1003 解码器的信号发生器. 仪表技术与 传感器,2013(2)：19-20 [3] 姜虎. 基于ARM平台的WMA软件解码器能耗优化,计算机 (a)红外发送电路 (b)红外接收电路 图7 红外通信流程 图8 解码器写时序 图9 解码音频输出端波形 技术方案 TechnologyScheme 14 2014.4 数据通信 勒效应导致的上行频率偏移；同时对下行发信频率 设置相同的频率偏移量，保证同接收机的正常通信。 5 结论 针对民航地空移动通信系统特定需求，结合LTE 技术特点提出了基于LTE FDD的地空通信组网模 型。地面基站以一定上倾角依据飞机航线进行部署， 飞机上CPE将LTE信号转换成Wi-Fi信号覆盖机舱， 让用户在飞行中使用高速无线宽带接入服务。本文 分别对地面基站天馈系统、地空通信覆盖规划、切换 带设置、多普勒补偿措施等方面均提出了相应解决 措施，该方案对民航地空通信的网络建设具有一定 的参考意义。 参考文献 [1] 贾瑞华.LDPC码在地空通信中的应用.【西安：西安电子科 技大学硕士学位论文】.2012年3月 [2] 3GPP TSG TR 25.913 v9.0.0, Requirements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access (UTRA) and Universal Terrestrial Radio Access Network (UTRAN). 2007 [3] 3GPP TS 36.211 V11.1.0, Physical Channels and Modulation (Release 11). 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Doppler Diversity for OFDM Wireless Mobile Communication.Prof. VTC03, 2003:2677~2681 作者简介：马哲锐，男，中国通信建设集团设计院有限公司第 四分公司工程师， 主要研究方向为移动通信网络， 从事2G/ 3G/4G网络规划设计工作；孙宜军，男，中国通信建设集团设 计院有限公司第四分公司项目经理， 主要从事移动通信网络 规划设计工作；何婷，女，信息工程大学讲师，主要研究方向为 移动通信、卫星导航；邢松峰，男，中国通信建设集团设计院有 限公司第四分公司工程师， 主要从事移动通信网络规划设计 工作。 ■ 工程与设计,2013(07):2384-2387 [4] 严军.基于嵌入式ARM_Linux平台的红外智能控制系统.数 据通信,2013(4):10-12 [5] 于小强.基于红外通信的无线传感节点在漏缆检测中的应 用.传感技术学报,2014,27(01):149-153 [6] 杨恒.面向现场检测的红外无线传输系统及其性能研究.测 控技术,2013(07):87-90 [7] 郭辉. 基于IrDA红外通信协议的单片机控制电路. 仪表技 术,2013(06):29-30 [8] 陈健. 近红外光谱仪数据采集系统的研制. 电子测量与仪 器学报,2012(01):72-77 [9] 聂诗良.红外遥控信号的一种编码解码方法.仪表技术与传 感器,2004(08):28-29 [10]苏维嘉. 基于ARM和SD卡的汽车安全性能检测仪.仪表技 术与传感器,2013(01):41-43 作者简介：于小强，男，上海理工大学硕士研究生，主要研究方 向为光电精密测试技术。 ■ 技术方案 TechnologyScheme (上接第8页) 15

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