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)。

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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

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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

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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).  December,  2012  [4]  Chien-Hung  Yeh,  Chi-Wai  Chow,  Yen-Liang  Liu.Theory  and  Technology  for  Standard  WiMAX  Over  Fiber  in  High

Speed  Train  Systems.  Journal  oflightwave  Technology,  Volume  28,  NO.  16,Page(s):2327-2336,August,2010  [5]  陈建民.地空通信的天线高度与多径干扰.  RadioCommunicationsTechnology,Vol.26No.1,2000  [6]  藤惠根.地-空-地通信系统的设计探讨.移动通信.2008年  10月  [7]  罗一锋,李含辉,黄继进．超短波通信链路分析[J]．现代电  子技术.2006.19(09):41-44  [8]  ITU-R.  Propagation  Curves  for  Aeronautical  Mobile  and  Radio  navigation  Services  Using  the  VHF,  UHF  and  SHF  Bands.  P.528-2,1986  [9]  3GPP  TS  36.331  v9.3.0.\"Radio  Resource  Control  (RRC)  Release  9\".  December,2012  [10]  B.C.Kim,I.T.Lu.  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。  ■

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