基于模擬FM 調制技術的紅外音頻擴音系統的研制

邵繼虎，白 晶

（1.北京中創為南京量子通信技術有限公司，江蘇 南京 211899；2.南京市致遠初級中學，江蘇 南京 210019）

隨著無線通信技術不斷發展，基于藍牙和Wi-Fi 技術的各種產品日新月異，尤其是基于ISM 頻段的IOT 技術如NB-IOT 和LORA 技術也得到運營商等的不斷推廣和應用，早期基于zigbee 和紅外無線通信技術的產品目前應用場景越來越少，市場在不斷被蠶食和萎縮[1]。紅外短距離通信具備的物理空間分割特性，是基于微波技術的無線通信技術，具有不可比擬的先天優勢，在某些場合下具有不可替代作用，室內無線音頻擴音系統是紅外無線通信技術最典型的應用場景。本文設計并實現了一種基于模擬FM 技術的紅外音頻擴音系統[2]，該系統可在150 m2房間內實現高質量無死角擴音，下文中將對該系統研制的一些關鍵技術點進行詳細闡述。

1 系統設計

紅外光，又稱紅外線，是電磁波的一種，其波段在可見光與微波波段之間，大約為0.000 76～1 mm[3]，依據其波段又可分為近紅外、中紅外和遠紅外，具有一定的溫熱效應[4]。目前應用在無線通信系統中的主要是近紅外。由于紅外光頻譜較寬，其使用不用經過無線委員會審核，且由于紅外光無法穿過非透明物體，因而在室內無線通信中，基于紅外的無線通信系統依然被廣泛使用。

目前，室內紅外無線通信系統主要采用強度調制/直接檢測方式工作[5]，常用的調制方式有OOK、PWM、PPM 和PAM 等，這種調制方式主要應用在視距鏈路傳輸方面，在漫反射鏈路傳輸時，其信噪比較低，接收距離較短[6]。為改善這一缺陷，本文設計并實現了一種采用模擬FM 的調制方式的紅外無線擴音系統，其可以無死角、高質量地工作在面積大于150 m2的室內。

基于模擬FM 調制的紅外音頻擴音系統如圖1 所示，可以大致分為發送鏈路和接收鏈路。發送鏈路中，音頻信號經麥克風或音頻連接器進入信號調理電路1，信號調理電路1對音頻信號進行濾波和放大后，送入預加重電路，該預加重電路參數應適配后端解調器的去加重參數。信號預加重后，經調制器調制至3.2 MHz 頻段，后將輸出的3.2 MHz 的正弦波整形具有一定占空比的方波信號，該方波信號控制紅外發光管的發光，從而將信號傳遞出去。接收鏈路中，紅外接收管接收到紅外光后，經I-V 轉換后，將電壓信號送入信號調理電路2，進行濾波和放大，形成適合解調器解調的信號，解調后，由于輸出的音頻信號幅值較小，需要再次經信號調理電路3 進行放大和濾波，提高信號信噪比，之后送入音頻功放放大，音頻信號經揚聲器傳遞出去。在該方案中，調制器使用的是美芯集成電子的MCD2006S 芯片，解調器使用的是美芯集成電子MC3361 芯片，音頻PA 使用的是TI 的LM386，變容二極管型號為BB200。

圖1 基于模擬FM 調制的紅外音頻擴音系統框圖

下文將詳細闡述該方案中的一些核心設計細節。

2 發送鏈路設計

2.1 調理電路1

人耳可以聽到的音頻信號的的頻率范圍為0.02～20 kHz，正常人的語音范圍為0.3～3.4 kHz，高保真音樂范圍幾乎覆蓋人耳能夠聽到的全部頻域。因而，在設計信號調理電路時，需要依據信號輸入的特點，設計不同的信號調理電路，同時還需要考慮對工頻50 Hz 的衰減。

人的語音信號經麥克風輸入，因而在設計匹配麥克風的同時，設計0.3～3.4 kHz 的低通濾波器，該濾波器的增益為15 dB，截止頻率為4 kHz。該放大濾波電路如圖2 所示。

圖2 語音信號信號調理電路

音樂信號經音頻連接器輸入至信號調理電路，由于音樂的音頻頻率上限為20 kHz，因而相對于語音信號，采用同樣的電路結構，只需重新計算截止頻率即可。

在信號調理電路1 中，最大的難點是去除50 Hz 工頻信號，如果不能有效去除，在PA 放大后，將有嚴重的底噪，在本設計中，設計的50 Hz 帶阻濾波電路如圖3 所示，增益為0 dB，帶寬20 Hz，50 Hz 衰減約30 dB。

圖3 50 Hz 帶阻濾波器設計

2.2 預加重與去加重技術

FM 系統中，當輸入信號的信噪比足夠大時，輸出信噪比與輸入信噪比幾乎呈線性關系，當輸入信噪比低于一定值后，輸出信噪比會出現急劇惡化現象[7]。為改善這一現象，采用預加重和去加重技術。音頻信號的主要能量集中在低頻段，而高頻段能量較小，高頻噪聲相對較大，因而在調制端設計預加重電路，提高高頻信噪比。在解調端，為使信號恢復，要設計對稱的去加重電路。本系統中，由于去加重參數集成在MC3361 芯片上，因而需要依據此去加重參數，設計預加重參數，從而使信號輸入輸出平衡。

2.3 信號調制

MCD2006S 是一組用于VHF 頻段的無線語音/數據發射芯片，其在單片上集成了一個壓控振蕩器（VCO）、一個射頻功率放大器、一個晶體振蕩器和一個頻率綜合器，加上片外 LPF、電感和變容管組成一個完整的鎖相環（PLL）。MCD2006S 有一個6 位ROM 模塊，用戶只能根據固定的邏輯表設定6 個腳位的邏輯電平，使芯片鎖定在對應的頻點。PLL 的頻率范圍為3～110 MHz，射頻放大器在50 Ω負載條件下輸出典型功率3 dBm@27 MHz，射頻信號失真度小于1%，發射調制頻偏可達5 kHz，調制頻響范圍為0.05～30 kHz，調制速率為0.3～120 kbps。該芯片可以很好地應用在本系統中，其典型應用如圖4 所示。

圖4 基于MCD2006S 的調制電路

由于在本系統中信號調制在3.2 MHz 載波上，因而芯片外圍電路以及鎖相環的LP 參數需要根據實際情況重新設計[8]。參數如圖5 所示。

圖5 MCD2006S 外圍電路設計

2.4 波形變換

由于MCD2006S 輸出的3.2 MHz 正弦信號具有一定直流偏置，因而在將該正弦信號變換成方波時，需用電容隔離掉直流信號，之后利用邏輯與門SN74LVC1G08 將信號整形成方波。為提高發射鏈路的效率，經試驗，該方波在占空比為20%時，具有最大的效率，利用R403 和R408 調節直流偏置電壓，可以控制占空比。波形變換如圖6 所示。

圖6 波形變換

3 接收鏈路設計

3.1 信號接收

在本系統中，使用威世半導體的BPV22NF 作為紅外接收傳感器，其具有可見光阻斷功能，接收角為±60°，具有靈敏度高等優點。紅外信號被該傳感器接收后，轉換為電壓信號，經三級放大器ASK253 放大約100 倍后，送入后端信號調理電路2。紅外信號接收電路如圖7 所示。

圖7 紅外信號接收電路

3.2 接收信號調理

紅外信號被接收后，被送入信號調理電路2，如圖8 所示，該電路使用的三極管放大器S9018 具有較大的增益，為使放大穩定，引入負反饋環路，確保放大電路穩定可靠。在本系統中載波頻率為3.2 MHz，為提高載波的信噪比，在鏈路中使用了3.2 MHz 的無源帶通濾波器，可以極大提高3.2 MHz的載波的SNR，提高接收解調鏈路靈敏度。該帶通濾波器3 dB 帶寬約±70 kHz，插損最大6 dB，阻帶衰減大于20 dB。

圖8 紅外接收信號調理電路

3.3 信號解調

在本方案中采用美芯集成電子的MC3361 芯片作為本系統的另一核心部件。該芯片是一款中頻解調器，具有二次混頻器、晶體振蕩器、二次中頻放大器、濾波放大器、靜噪電路、掃頻開關和靜音開關。此外，該芯片在-3 dB 限幅條件下的靈敏度低至-2.6 μVrms。在本系統中，其外圍配置如圖9 所示。

圖9 MC3361 解調電路

在圖9 中，可調點容選擇村田的產品，外圍LC 參數配置為3.2 MHz，此外還需注意去加重參數的設置，確保與預加重參數統一。

由于TDA7088 解調輸出的音頻信號最大只有160 mVrms，因而解調出的音頻信號還需送入到信號調理電路3 進行放大，最后送至音頻PA LM386 放大功率，并輸出至揚聲器播放。

4 性能測評

在音頻系統中，3 dB 帶寬、線性度和輸出SNR 是系統評價的重要性能指標，下文中將對上述系統進行性能評價。

4.1 3 dB 帶寬

在音頻系統中，3 dB 帶寬是核心技術指標之一，3 dB帶寬越寬，說明系統響應不同信號頻率的范圍越寬。在本系統中，通過從音頻連接器輸入不同頻率的單頻信號，用音頻頻譜分析儀測量LM386 輸出端的輸出信號大小，即可測出本系統的3 dB 帶寬性能，經測量，本系統的3 dB 帶寬范圍為0.1～16 kHz，遠好于當前已有的紅外音頻設備。實測曲線如圖10 所示。

圖10 系統頻響曲線

4.2 線性度

音頻系統線性度越好，動態范圍越大，那么在環路中引起信號失真的可能性就越小，在本系統中，為確保系統的輸出響度大于100 dB 無失真，需對系統整體的動態范圍，即線性度做一定評價。經測量，在音頻信號輸入動態范圍（0～3.3 V）內，系統具有較好的線性度。系統線性曲線如圖11 所示。

圖11 系統線性曲線

4.3 系統輸出SNR

音頻輸出SNR 指在播放設備時，正常音頻信號強度與噪聲信號強度的比值，通常用對數的方式表示，單位為分貝。在實際測量中，從音頻連接器端口輸入1 kHz 頻率的正弦信號，測量PA LM386 輸出端的1 kHz 信號強度，利用音頻頻譜分析儀即可測量出系統的輸出SNR。為準確測量系統的SNR 值，需要確保源端輸入的1 kHz 信號具有最大的SNR，測量才有意義，否則評價無效。經測量，本系統的輸出SNR大約為64.6 dB，高于普通FM 音頻廣播的50 dB 要求[9]，但高保真系統SNR 可達110 dB，與高保真系統相比還有較大差距，這主要是因為解調器的輸出信噪比最大為65 dB，是整個系統的瓶頸。測試結果如圖12 所示。

圖12 系統輸出SNR 測量

5 結論

本文設計和實現了一種基于模擬FM調制技術紅外音頻擴音系統，經實測驗證，該系統可以高質量地在面積為150 m2的室內工作，最大響度可達120 dB，線性度和3 dB 帶寬均在合理范圍內，系統輸出SNR 雖然與高保真系統有較大差距，后續還需持續改進，尋求更好的解決方案。當前該系統已被應用于實踐中。