CN204442381U - 一种基于pfm方式的超低功耗红外光通信系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，主要包括用于红外光通信的调制器，位于信号传输起点的发生红外光信号的红外发射电路，实现信号方向变化、提升传输距离的接收、转发中继电路，位于信号传输终点的接收红外光信号的红外接收电路，模拟信号经PFM按一定比例调制成待传输的脉冲信号，脉冲信号经红外发射电路转换为红外光，并经接收、转发中继电路进行信号强度及方向的调整，红外接收电路将接收的红外光信号经解调为模拟信号，完成信号的传输工作。本实用新型具有传输距离远、功耗低、抗扰能力强的优点，更好地提高了信号传输的可靠性。

Description

一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统

技术领域

本实用新型涉及一种红外光通信技术，尤其是一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统。

背景技术

红外通信是将红外线作为载体来进行通讯的，红外光通信技术在现代通讯中有着较为广泛的使用。与无线电通信相比，它具有抗干扰能力强、传输安全性高、体积小、成本低、带宽不受无线管制等优点，现已被广泛应用到军事、工业、服务业等领域中，但也存在诸如通信方向单一、距离近和功耗较高等问题。目前，红外光通信基本采用OOK、PPM等调制方式，但存在功率效率低、调制速率、带宽利用率低和解调复杂等问题。

实用新型内容

针对现有技术中存在的不足，本实用新型提供了一种功耗低、效率高、通信距离较远、传输方向可调而且能够在强电压、强磁场等特殊的条件下正常工作的基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，包括调制器，红外发射电路，接收、转发中继电路，红外接收电路以及解调器；所述调制器将模拟信号调制成传输的脉冲信号，所述红外发射电路将脉冲信号转换为红外光信号，所述接收、转发中继电路接收红外光信号并传输给红外接收电路，所述红外接收电路将接收的红外光信号传输给解调器，所述解调器将红外光信号解调为模拟信号并输出。

作为本实用新型的一种优选方案，所述红外发射电路包括电阻R2、三极管Q4，发光二极管LED1、发光二极管LED2、功率电阻R1、电容器C1和电容器C2；所述调制器的信号输出端通过电阻R2与三极管Q4的基极连接，所述三极管Q4的发射极接地；所述电容器C1和电容器C2并联，电容器C1和电容器C2的负极接地，电容器C1和电容器C2的正极通过功率电阻R1与发光二极管LED1的正极连接，所述发光二极管LED1的负极与发光二极管LED2的正极连接，所述发光二极管LED2的负极与三极管Q4的集电极连接。

作为本实用新型的另一种优选方案，所述红外接收电路包括接收二极管D3、接收二极管D5、电容C26、电阻R15、电阻R16、电阻R11、电位器W1、电阻R17、电阻R13、电阻R14、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3；所述接收二极管D3和接收二极管D5的正极接地，接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电容C26的正极连接，所述电容C26的负极与三极管Q3的基极连接，所述接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电阻R15的一端连接，所述电容C26的负极还与电阻R16的一端连接，所述电阻R15和电阻R16的另一端与电阻R11的一端、电阻R13的一端和电阻R12的一端连接，所述电阻R11的另一端与电位器W1的一端连接，电位器W1的另一端与三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的集电极与电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极与电阻R13的另一端连接，所述三极管Q2的集电极还与电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与电阻R12的另一端连接，所述三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q1的发射极与解调器的信号输入端连接。

本实用新型的有益效果：本实用新型通过将传输信号经PFM调制后，利用红外光进行传输，可以实现无线的信号传输，且抗干扰能力强、距离远、传输方向灵活、能耗低，可用于多领域无线信号通信。

附图说明

图1为基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统的传输结构图；

图2为红外发射电路图；

图3为红外接收电路图；

图4为接收、转发中继电路图；

图5为PFM调制原理图；

图6为卡尔曼滤波算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细地描述。

如下图1所示，一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，包括调制器，红外发射电路，接收、转发中继电路，红外接收电路以及解调器。调制器将模拟信号调制成传输的脉冲信号，红外发射电路将脉冲信号转换为红外光信号，接收、转发中继电路接收红外光信号并传输给红外接收电路，红外接收电路将接收的红外光信号传输给解调器，解调器将红外光信号解调为模拟信号并输出。

红外发射电路包括电阻R2、三极管Q4，发光二极管LED1、发光二极管LED2、功率电阻R1、电容器C1和电容器C2，如图2所示。调制器的信号输出端通过电阻R2与三极管Q4的基极连接，三极管Q4的发射极接地；电容器C1和电容器C2并联，电容器C1和电容器C2的负极接地，电容器C1和电容器C2的正极通过功率电阻R1与发光二极管LED1的正极连接，发光二极管LED1的负极与发光二极管LED2的正极连接，发光二极管LED2的负极与三极管Q4的集电极连接。调制好的数字信号控制三极管Q4驱动发光二极管LED1和发光二极管LED2发光，供电处增加电容器C1和电容器C2(10mF)储存能量。由于发光二极管LED1和发光二极管LED2导通后电阻较小，因此在红外发射电路中增加功率电阻R1达到限流的目的。三极管Q4的开关时间决定了该红外发射电路能通过的最大频率，直接决定该红外发射电路的通信带宽。相比集成功放，红外发射电路更简单，驱动性能更好、驱动效率更高。

红外接收电路包括接收二极管D3、接收二极管D5、电容C26、电阻R15、电阻R16、电阻R11、电位器W1、电阻R17、电阻R13、电阻R14、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3，如图3所示。接收二极管D3和接收二极管D5的正极接地，接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电容C26的正极连接，电容C26的负极与三极管Q3的基极连接，接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电阻R15的一端连接，电容C26的负极还与电阻R16的一端连接，电阻R15和电阻R16的另一端与电阻R11的一端、电阻R13的一端和电阻R12的一端连接，电阻R11的另一端与电位器W1的一端连接，电位器W1的另一端与三极管Q3的集电极连接，三极管Q3的集电极与电阻R17的一端连接，电阻R17的另一端与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的集电极与电阻R13的另一端连接，三极管Q2的集电极还与电阻R14的一端连接，电阻R14的另一端与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的集电极与电阻R12的另一端连接，三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极接地，三极管Q1的发射极与解调器的信号输入端连接。

红外接收电路采用共射级放大电路。电路具有相当高的β值。三级管采用高频开关管，该电路的精度更高，功耗更低。同时采用2～4个接收二极管并联，接收电路对弱光信号的拾取能力将更强，有效传输距离可更远。三级共射级放大电路不仅将信号放到还原到一个比较理想的效果，而且通过三次反向，将信号再次还原为以小占空比的形式发射出去，降低了功耗。

红外光接收二级管接收到的信号通电容C26耦合到三极管Q3的基极，同时电容C26也使电路有更好的抗干扰能力。直流稳压电源通过电阻R16给三极管Q3发射极提供正向偏压，并产生基极直流电流。同时为集电极提供反向偏压，使三极管工作在放大状态。通过调节电位器W1，改变三极管Q3的集电极输出电压，从而改变三极管Q2的基极偏置电压，使三极管Q2导通并处于饱和状态，同理，三极管Q1也工作在饱和状态，实现信号进行一级放大与两级整形。

接收、转发中继电路如图4所示，接收、转发中继电路主要是提升传输距离，同时也实现传输方向的调整灵活性，具体电路的形式及参数与上述红外接收、红外发射电路相似。发射与接收电路分别成板，通过导线跨接便可调整传输方向，两电路板之间所成角度a可在0°～360°之间灵活调整。

PFM调制是将每个时刻采样的模拟信号电压按一定比例量化为发射的脉冲频率，接收端根据接收的脉冲频率还原为模拟信号电压输出。如图5所示，a图t1时刻的电压U1调制后的输出为b图中脉冲频率为f1的一段脉冲，类似地，t1下一时刻t1+△t所对应的电压U2调制后输出频率为f2的脉冲；输出脉冲的占空比和幅值无变化。通过改变PFM调制信号的脉冲宽度来进一步降低发射电路功耗的，PFM脉冲以较低的脉宽发射红外光，使得发射管耗能较低。通信过程中信号调制后，立刻以红外光形式传输，接收端接收后直接解调，调制及解调几乎是实时同步的。

该系统在利用最佳传输信号的频率的基础上，用很低的占空比发送数据，系统因此具有极低占空比，系统发射功率大大降低，节约了能源。系统在调制环节中，利用了卡尔曼滤波算法，系统能够克服丢包、掉码等由于PFM调制解调方式具有的弊端，系统大大降低了数字信号传输过程中的误码率，保证信息高效、准确地传输。

卡尔曼滤波器是一个“optimal recursive data processing algorithm”(最优化自回归数据处理算法)。对于解决很大部分的问题，具有最优化、效率高等特点。他的广泛应用已经超过30年，包括机器人导航，控制，传感器数据融合甚至在军事方面的雷达系统以及导弹追踪等等。近年来更被应用于计算机图像处理，例如头脸识别，图像分割，图像边缘检测等等。在本系统中，将卡尔曼滤波算法用于上述所得调制信号中，大大降低了信号传输的误码率。

上述系统利用卡尔曼滤波算法，其结果输出最优化滤化方程：

X(k,k-1)＝AX(k,k-1)+BU(k)

P(k|k-1)＝AP(k-1|k-1)A^T+Q

X(k|k)＝X(k,k-1)+Kg(k)Z(k)-HX(k|k-1))

其中Kg(k)为卡尔曼滤波增益：

$\mathrm{Kg}\left(k\right)=\frac{P\left(k\right|k-1)H^T}{\mathrm{HP}\left(k\right|k-1)H^t+R}$

P(k|k)＝(I-Kg(k)H)P(k|k-1)

X(k):代表k时刻输入电压值

A、B:滤波参数

P:滤波方差

Q、R:噪声协方差

Z(k):k时刻的电压测量值

图6为卡尔曼滤波算法流程图。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，其特征在于，包括调制器，红外发射电路，接收、转发中继电路，红外接收电路以及解调器；所述调制器将模拟信号调制成传输的脉冲信号，所述红外发射电路将脉冲信号转换为红外光信号，所述接收、转发中继电路接收红外光信号并传输给红外接收电路，所述红外接收电路将接收的红外光信号传输给解调器，所述解调器将红外光信号解调为模拟信号并输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，其特征在于，所述红外发射电路包括电阻R2、三极管Q4，发光二极管LED1、发光二极管LED2、功率电阻R1、电容器C1和电容器C2；所述调制器的信号输出端通过电阻R2与三极管Q4的基极连接，所述三极管Q4的发射极接地；所述电容器C1和电容器C2并联，电容器C1和电容器C2的负极接地，电容器C1和电容器C2的正极通过功率电阻R1与发光二极管LED1的正极连接，所述发光二极管LED1的负极与发光二极管LED2的正极连接，所述发光二极管LED2的负极与三极管Q4的集电极连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于PFM方式的超低功耗红外光通信系统，其特征在于，所述红外接收电路包括接收二极管D3、接收二极管D5、电容C26、电阻R15、电阻R16、电阻R11、电位器W1、电阻R17、电阻R13、电阻R14、电阻R12、三极管Q1、三极管Q2和三极管Q3；所述接收二极管D3和接收二极管D5的正极接地，接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电容C26的正极连接，所述电容C26的负极与三极管Q3的基极连接，所述接收二极管D3和接收二极管D5的负极与电阻R15的一端连接，所述电容C26的负极还与电阻R16的一端连接，所述电阻R15和电阻R16的另一端与电阻R11的一端、电阻R13的一端和电阻R12的一端连接，所述电阻R11的另一端与电位器W1的一端连接，电位器W1的另一端与三极管Q3的集电极连接，所述三极管Q3的集电极与电阻R17的一端连接，所述电阻R17的另一端与三极管Q2的基极连接，所述三极管Q2的集电极与电阻R13的另一端连接，所述三极管Q2的集电极还与电阻R14的一端连接，所述电阻R14的另一端与三极管Q1的基极连接，所述三极管Q1的集电极与电阻R12的另一端连接，所述三极管Q1的发射极、三极管Q2的发射极和三极管Q3的发射极接地，所述三极管Q1的发射极与解调器的信号输入端连接。