1、立体声无线音箱传输系统毕业设计论文立体声无线音箱传输系统的设计Design of stereo wireless audio transmission system摘 要本文以CD4046BCM芯片、IC TDA7000收音机集成芯片为基础，构造了一款立体声无线音箱的传输系统。本文设计制作了两个发射电路组成的发射系统，并分别对这两个发射电路进行了调试，采用锁相环技术使之在发射过程中的两列载波形成相位差，从而达到环绕音质。为制作方便，解调电路中的还原声音部分直接采用IC TDA7000收音机集成电路。调制与解调部分采用红外无线传输方式构造成的无线传输系统，避免了设备连接线连接时的突兀杂乱，影响视
2、觉效果和家居环境。本设计采用红外线传输，在短距离传输下，既可以达到传输目的，又具有抗干扰能力强、高速可靠、无电磁污染、价格低廉、性价比高、不受国家限制、工作频率较高等特点，作为家庭影院的无线传输方式是一种非常理想的选择。本文在设计制作过程中还考虑了成本问题，以便达到经济又可靠的效果。关键词： CD4046；无线传输；TDA70001 引言11.1课题的研究背景无线通信技术11.1.1无线通信技术的定义11.1.2无线通信技术的分类11.1.3我国无线通信技术的发展21.2研究课题的目的及意义21.3研究课题的主要任务31.4论文结构32 电路的基本原理42.1无线传输系统42.1.1 PFM调
3、制42.1.2 PFM调制技术的运用42.2 无线传输方式的选择42.3红外辐射及近红外光谱分析52.4红外光发射方式及红外发、收系统的组成63 调制与解调电路的设计83.1系统设计的基本思路83.2发射部分83.2.1 驱动电路83.2.2发光二极管及它的简单测试83.3 接收部分93.3.1红外线接收光电变换器.93.3.2光敏二极管及它的简单测试93.3.3红外接收放大器93.3.4本设计采用的方案103.4 PFM的调制103.4.1锁相环的介绍103.4.2锁相环的基本组成103.4.3锁相环的工作原理113.4.4 锁相环的运用123.4.5 CD4046CBM数字集成锁相环的工作
4、原理123.4.6 CD4046CBM组成结构及功能133.4.7 CD4046CBM的引脚及内部结构图143.4.8 CD4046XBM典型应用电路153.5 PFM的解调163.5.1 IC TDA7000的内部结构163.5.2 IC TDA7000的参考数据和主要指标173.6本设计采用的方案184 功率放大电路194.1功率放大电路194.1.1功率放大电路的定义194.1.2功率放大电路与电压放大电路的区别194.1.3 功率放大电路的特殊问题194.2功率放大电路的工作状态分类204.3提高效率的主要途径214.4 功率BJT的选择214.5 单电源互补对称电路214.6 本设计
5、采用的方案225 调试235.1调试的一般过程235.2 调试的常见故障和解决方法245.3调试过程中遇到的实际问题和解决方案265.4调试的心得28结 论30设计心得体会31参考文献33致 谢34附录一: 电路图35(发射部分)35(接收部分)36PCB板图37(接收部分)37(发射部分) 381 引言1.1课题的研究背景无线通信技术1.1.1无线通信技术的定义无线通信(Wireless communication)是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。早在1897年，马可尼使用800KHZ中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信
6、试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信初期，受技术条件的限制，人们大量使用长波及中波进行通信。20世纪20年代初人们发现的短波通信，直到20世纪60年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。1.1.2无线通信技术的分类通信技术主要可分为三类：扩展频谱技术、窄频微波技术以及红外线技术。其中扩频通信技术应用最广，其基本特征是采用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码对载有信息数据的基带信号频谱进行扩展，形成宽带低功率谱密度的信号然后进行发射。扩频通信技术在发射端以扩频编码进行
7、扩频调制，在接收端以相关的解调技术接收信号。因此，具有抗干扰性强、隐蔽性好、易实现码分多址和抗多径干扰等优点。扩频技术主要包括直接序列扩频技术和跳频技术两种方式。其中，直接序列扩频的主要特点是易于隐蔽，它利用具有高码率的扩频码系列，采用各种调制方式在发射端扩展信号频谱，而在接收端用相同的扩频码序进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始的信息，从而有效地提高了整机信噪比。而跳频技术则是载波频率在一个由编码序列控制下产生的图案内离散地跳变，跳频信号可看成是载波频率按随机图样跳变的调制脉冲序列。微波扩频通信的工作频带最终将统一在2.4GHz的频带，带宽为83MHz。在窄频微波技术调制方式中，数据基带信
8、号的频谱不做任何扩展，直接采用射频方式发射出去。与扩展频谱方式相比，窄带调制方式占用频带少，频带利用率高。采用窄带调制方式的无线局域网一般选用专用频段，需要经过国家无线电管理部门的许可方可使用。当然也可选用ISM频段，这样可免去向无线电管理委会申请，但带来的问题是，当临近的仪器设备或通信设备也在使用这一频段时，会严重影响通信质量，通信的可靠性无法得到保障。窄带无线电系统在特定的无线电频率上传输和接收用户信息，对于非期望通信信道之间的串扰，可通过仔细调整在不同信道频率上的不同用户来避免。基于红外线的信息传输技术最近几年也有了很大发展。目前广泛使用的家电遥控器几乎都是采用红外线传输技术。基于红外线
9、的信号传输方式的最大优点是这种传输方式不受无线电干扰，且红外线的使用不受国家无线电管理委员会的限制。红外系统使用甚高频传送数据，在电磁频谱中仅次于可见光。但是，红外光不能穿透非透明物体，其通信信道只能是直射或散射方式。因而，基于直射红外线技术的信息传输距离十分有限，通常只用于特定的无线局域网中。移动用户使用高性能直射红外系统是不实际的，一般只用来实现固定子网络。散射或反射式红外无线局域网系统不需要直射，但是个人用户空间单元十分有限。1.1.3我国无线通信技术的发展当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。移动通信在中国发展十
10、分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987年11月，我国广东正式开通了第一个TACS制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994年底，广东又首先开通了GSM数字蜂窝移动通信系统，至1995年，全国已15个省、市也相继开通了GSM移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了GSM网，实现了国内和国际的全自动漫游。目前我国自主研发的第三代移动通信已得到国际的认可，并已经商业化。近年来，随着无线通信技术逐渐走向成熟，适用于无线通信产品的价格逐渐下降和相应软件的不断开发，无线网络越来越受欢迎，被广泛认同是一种更通用的连接方式。让人充分感受无线通信技术的高速
11、传输和灵活性的特点。1.2研究课题的目的及意义生活离不开音乐，如今的生活，音乐随耳可听。家庭影院也已成家居生活的常用电器，但随着人们对家居生活的要求越来越高。突兀杂乱的家庭影院连线却很让人烦恼，它既影响美观也影响该区域人的行为，一不小心，磕磕绊绊。无线技术在家庭影院方面的应用更明显，无线技术在家电这块领域上带来了巨大的革命。所谓无线家庭影院，是以红外线等无线信号传送替代家庭影院主机与音箱之间的线缆连接。一般家庭影院的布线既复杂又不美观，但随着无线家庭影院的出现，生活从此改变。采用无线局域网络传输方式既能美化居室，又有享受高品质视听，一举俩得，因此无线家庭影院将是未来发展的一种趋势。1.3研究课
12、题的主要任务本论文是根据本人在大学本科四年的专业基础知识的学习基础上，结合所学的模拟电路、高频电子线路及其他专业基础知识，借鉴在日常生活中广泛使用的无线传输技术，对环绕音箱的无线传输方面进行的设计研究。本论文结合大学教师所教授的高频电子线路的基础知识，在老师的指导下，具体对环绕音箱的无线传输方式进行设计、制作，以达到实现预期效果的目的。并具体探讨了环绕音箱的无线传输系统的工作原理、系统设计方法、传输的稳定性、制作的性价比，以及设计的产品普及性。1.4论文结构论文分为五章，其中第一章论述了无线通信技术的定义、技术范围及发展、特点和应用领域、及在我国的发展水平若干问题等；第二章论述总结了电路的基本
13、原理、设计思路、PFM调制技术及运用、无线传输方式等；第三章是本论文的重点，讨论了无线传输系统中调制/解调电路的设计方法、局部电路的方案选择、所用集成电路（CD4046、TDA7000）及相关知识回顾和介绍等；第四章也是本论文的重点，重点介绍了功率放大器的类型、工作状态等关理论及运用。第五章作为本课题的难点，在这章中介绍所设计的电路的调试过程、所遇到的难题及解决难题的心得体会等。最后还对本次论文进行了概括性总结。2 电路的基本原理2.1无线传输系统无线传输系统必然有发射部分和接收部分组成，在发射与接收间采用无线方式传送数据。2.1.1 PFM调制PFM：（Pulse frequency mod
14、ulation) 脉冲频率调制，一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM。2.1.2 PFM调制技术的运用脉冲频率调制(PFM)是一种转换方法， 通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。在TI提供的产品说明书中，PFM也被称作“节电” 模式。工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式， 在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。这种工作模式使转换器可以在宽泛的电流输出范围内均保持极高的效率。脉冲频率调制(PFM)方式具有调频特性，可望有较高的传输信噪比，而且信号的脉冲形式便
15、于中继传输、再生整形， 因而既可放宽对系统线性的容限要求， 又可获得较好的抗干扰能力。脉冲频率调制(PFM)以传输性能远优于基带直接光强调制及成本远低于脉冲编码调制而在光纤通信中得到广泛的应用。2.2 无线传输方式的选择无线传输接入技术的标准不是统一的，目前比较流行的卧议标准主要有IEEE 80211系列标准、Bluetooth蓝牙标准、IrDA标准、Home RF家庭网络标准和HiperLhN2标准等。虽然标准众多，但大致可分为两大发展方向：以高速传输应用发展为主的IEEE 80211 b标准、IEEE 80211 a标准和IrDA标准；以低速短距离的应用为主的B1uetooth蓝牙标准和H
16、ome RF家庭网络标准。不同的协议标准具有不同的特点，适用于不同的应用场合。结合不同技术的优缺点及所用用环境，我采用红外线传输方式。IrDA标准是由红外线数据协会推出的一种短距离通信标准，基于IrDA协议的红外通信技术是一种利用红外线作为通信介质，能够实现红外通信设备之间点到点的数据传输方式。它的特点是，传输距离10m以内，音质较好，红外信号基本不受电磁干扰、价格低廉、性价比高、不受国家限制、工作频率较高，典型的波长范围为800900nm；数据传输速率高，已经由原来FIR(Fast Infrared)的4Mbits提高至UVIFR的16Mbits，欧洲现已推出了622Mbits的宽带传输系统
17、；所用技术和频率不受限制，但是收发信机之问不能有障碍物。IrDA标准适用于传输速率高、移动范围小、价格比较低的设备，这些优缺点符合本电路的要求。2.3红外辐射及近红外光谱分析红外线也叫红外辐射或红外光，是一种电磁波，肉眼是看不见的，位于可见光红光外端，红外光是波长比红色光的波长（0.76m）还长的光波，在绝对零度(-273) 以上的物体都辐射红外能量，是红外测温技术的基础。红外光谱，以波长或波数为横坐标 以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围，通常，将电磁波波谱中间隔为0.761000m的波谱段称为红外光谱区。一般把红外光谱分为四个区
18、域，即近红外（0.761.60m）、中红外（3.06.0m）、中远红外（6.020m）和远红外（201000m）区。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。实际上，目前在工业或民用的红外光探测/遥控的光源，主要基于如下理由：（1）一般的接收用的光电二极管、光敏三极管大都采用硅（Si）半导体材料制作而成，这类管的接收峰值波长为
19、7801550nm，即管子对波长为7801550nm的红外光的探测灵敏度最高。（2）红外光发射器件，尤其是采用GaAs、AlGaAs或GaInAsP等半导体材料制作的红外发光二极管（英文缩写为IRED），其发射波长在8801700nm范围内，这与Si光电接收器件（包括发光二极管、光敏三极管）的响应波长匹配，使探测灵敏度高，工作效率高。2.4红外光发射方式及红外发、收系统的组成使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。除直流电流驱动方式外，发光二极管（英文缩写为LED）还有交流电流驱
20、动方式和脉动电流驱动方式等。交流电流驱动方式主要用于红外测量、检测及较简单的红外光通信等电路中。对红外光通信（包括红外激光通信）来说，调制频率、调制带宽是重要的通信指标。在红外探测/遥控系统中，对红外发光二极管一般不采用图2-1（a）所示的恒流直流驱动方式，即平均发射方式，而采用脉动电流驱动发射方式，即脉冲式红外光发射方式，如图2-1（b）所示。图2-1 红外光平均发射和脉冲式发射示意图平均发射方式是指通过启动直流供电电源直接驱动发光二极管发出恒定的红外光。红外发光二极管的功率一般较小（大都小于100mW），而平均发射方式的功耗较大，且抗干扰能力较差。为了提高红外探测/遥控系统的作用距离，而又
21、不使红外发射管过载，一般不采用平均发射方式，而采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。红外探测/遥控系统的有效作用距离取决于发射二极管辐射的峰值功率，而峰值功率是由馈给发光二极管的电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小，而发光效率就越高。脉冲发射方式或调制载波发射方式可使红外发射管的平均功率减小，而提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外探测或遥控系统的抗干扰能力。图2-2是红外光探测/遥控系统的基本组成框图。图2-2 红外光探测/遥控系统的基本组成框图在图2-2（a）所示的红外光反射电路中，编码波形发生器产生一定占空比的脉冲信号，经驱动级放大后驱动红外发光二极管，使其发射出
22、一列等幅的红外光脉冲信号。发射脉冲编码信号课降低功耗，提高发射效率。图2-2（b）所示电路为红外接受电路。光电探测器（红外光电二极管或光敏三极管）用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。接收光电管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减小，电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测出的信号微弱，需要经高增益电压放大器放大，然后经整流滤波电路后输出正极性脉冲信号，加至触发电路（如双稳态触发器），使触发器可靠翻转，并输出规范的控制信号，驱动执行机件动作。执行机件可以是继电器、可控硅器
23、件或音响电路等。3 调制与解调电路的设计3.1系统设计的基本思路无线传输体统包括发射和接收两大部分，其基本原理是音频中的信号用小功率无线发射器发射，然后用有源音箱加无线接收器完成无线传输模式。而形成这种方式的传输，必须经过调制和解调两个过程。设计框图如图3-1所示。图3-1 设计框图3.2发射部分3.2.1 驱动电路众所周知，采用无线方式传输时，信号必须调制到高频率的载波上才能发射出去，以提高传输的抗干扰能力；发光二极管工作也需要施加正向偏置电压以提供驱动电流。电路如图3-2所示。图3-2 红外发光二极管驱动电路3.2.2发光二极管及它的简单测试发光二极管（LED）是一种注入电致发光器件，它由
24、P型和N型半导体组成而成。其发光机理常分为PN结注入发光与异质结注入发光。红外发光二极管的检测： A 判别红外发光二极管的正、负电极。红外发光二极管有两个引脚，通常长引脚为正极，短引脚为负极。因红外发光二极管呈透明状，所以管壳内的电极清晰可见，内部电极较宽较大的一个为负极，而较窄且小的一个为正极。 B 将万用表置于R1k挡，测量红外发光二极管的正、反向电阻，通常，正向电阻应在30k 左右，反向电阻要在500k 以上，这样的管子才可正常使用。要求反向电阻越大越好。3.3 接收部分3.3.1红外线接收光电变换器红外线接收光电变换器就是将红外线传递的光学信息变换为电学信息，变换器常由光源、光学系统、
25、光电传感器、偏执电路和处理电路等构成。3.3.2光敏二极管及它的简单测试红外接收二极管的检测：A 识别管脚极性(a) 从外观上识别。常见的红外接收二极管外观颜色呈黑色。识别引脚时，面对受光窗口，从左至右，分别为正极和负极。另外，在红外接收二极管的管体顶端有一个小斜切平面，通常带有此斜切平面一端的引脚为负极，另一端为正极。(b) 将万用表置于R1k挡，用来判别普通二极管正、负电极的方法进行检查，即交换红、黑表笔两次测量管子两引脚间的电阻值，正常时，所得阻值应为一大一小。以阻值较小的一次为准，红表笔所接的管脚为负极，黑表笔所接的管脚为正极。B 检测性能好坏。用万用表电阻挡测量红外接收二极管正、反向
26、电阻，根据正、反向电阻值的大小，即可初步判定红外接收二极管的好坏。3.3.3红外接收放大器所谓红外接受放大器就是将红外光敏二极管接受的光信息进行放大的电路，红外光敏二极管接受的信号较弱，所以要将其进行放大，再送入选频网络中，便于信号的选择。3.3.4本设计采用的方案 根据上述理论，本设计采用2个红外光电二极管接受接收红外光信号，再对信号进行放大。如图3-3所示。图3-3 红外光电二极管接收放大电路3.4 PFM的调制3.4.1锁相环的介绍相位自动控制系统称为锁相环路，是一个闭合的反馈控制系统，广泛运用于电子技术领域。它是现代通信的重要组成部分，正朝着集成化、多用话、数字化的方向发展。它具有以下5个特点：a、具有频率准确跟踪性能；b、具有良好窄带高频跟踪性能（载波跟踪型）；c、具有良好的带通滤波性能（调制跟踪型）；d、具有良好门限效应；e、易集成化；3.4.2锁相环的基本组成锁相环路主要由电压控制振荡器（简称压控振VCO）、鉴相器、低通滤波器和参考频率源（晶体振荡器）所组成。如图3-4所示。图3-4锁相环路的基本框图压控振荡器（VCO）：是在
