可见光音频传输系统(论文)说明书

编号：

毕业设计说明书

题 目： 可见光音频传输系统

院 （系）： 信息与通信学院

专 业：学生姓名： 胡云旭

学 号： [1**********]

指导教师：职 称：

工程设计 软件开发

2011年5月25日

摘 要

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

本次设计使音频信号通过NE555调制电路调制，用白色LED 灯进行发射，转换为调频信号，接收端使用光敏二极管进行接收，首先进行滤波，然后用LM318运算放大器进行放大，并用NE564进行解调，被还原的信号通过TDA2822进行音频信号的放大并输出到喇叭，还原出音频信号，从而完成信息的传输。

关键词：可见光通信；调频；锁相环解调；

Abstract

Visible optical communication technology , using fluorescent or light emitting diode is the issue of the invisible to the naked eye twinkle light and shade to transmission of information signal.High speed Internet wire device is connected with the lighting device,Insert the power plug to use.Use of this technique made the system can cover the interior lighting reach, computer does not need to be electrically connected, so it has a wide prospect of development.

This design make audio signal through the NE555 modulation circuit modulation.With white LED lights for launch.Converts the frequency modulated signal, The receiving end photosensitive diode to receive use,The first filter, and thenLM318 operational amplifier for amplifying ，and NE564 for demodulation,The signal through the TDA2822 reduction for audio signal amplifier and the output to horn,The audio signal reduction so as to complete the information transmission.

Key words: Visible optical communication;

目 录

引言 ............................................................................................................... 1

1绪论 ............................................................................................................ 1

1.1可见光音频传输研究现状 . ..................................................................................................1

1.2课题研究方向 . ......................................................................................................................2

2方案论证 . .................................................................................................... 3

2.1运放的选择 . ................................................................................................. 3

2.1.1方案一采用LM318 . ..........................................................................................................3

2.1.2方案二采用三极管 . ...........................................................................................................3

3系统设计制作 ............................................................................................. 4

3.1系统框图 . ..............................................................................................................................4

3.2电路设计 . ..............................................................................................................................4

3.2.1稳压部分 . ...........................................................................................................................4

3.2.2 NE555FM调制部分..........................................................................................................5

3.2.3 LED灯恒流驱动FM 信号发射电路 ...............................................................................8

3.2.4光敏接收装置及滤波器 . ...................................................................................................9

3.2.5运算放大器 . .....................................................................................................................10

3.2.6 NE564解调...................................................................................................................... 11

3.2.7 音频信号放大部分 . ........................................................................................................15

3.3 PCB设计................................................................................................... 16

3.3.1 PCB设计软Protell99SE . ................................................................................................16

3.3.2 PCB设计流程 .................................................................................................................17

3.4硬件制作 ................................................................................................... 19

3.4.1铜板的整修 . .....................................................................................................................19

3.4.2热转印 . .............................................................................................................................19

3.4.3腐蚀铜板 . .........................................................................................................................19

3.4.4打孔 . .................................................................................................................................20

3.4.5焊接 . .................................................................................................................................20

4硬件电路检查 ........................................................................................... 20

5硬件电路调试过程 .................................................................................... 20

5.1硬件电路调试............................................................................................. 20

5.1.1直观检查 . .........................................................................................................................21

5.1.2关键位置检查 . .................................................................................................................21

5.1.3不安装重要芯片情况下的通电检查 . .............................................................................21

5.1.4装上芯片后的检查 . .........................................................................................................21

5.1.5发射部分整体调试 . .........................................................................................................21

5.1.6接收部分整体调试 . .........................................................................................................21

5.2电路调试中的问题及修改............................................................................. 22

5.2.1发光二极管的修改 . .........................................................................................................22

5.2.2 LM339比较器的删减 . ....................................................................................................22

5.3调试完成后的结果 ...................................................................................... 22

6总结 .......................................................................................................... 25

谢 辞 ......................................................................................................... 27

参考文献...................................................................................................... 28

附 录 ......................................................................................................... 29

引言

20世纪90年代后期，随着全光接入技术的发展和人们对高速无线宽带通信的要求，一种信息容量大和部署灵活、维护方便、安全保密的无线光通信技术，得到了人们的极大关注，它为无线宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，其应用范围已从军用和航天领域迈入民用领域。近几年来，被誉为“ 绿色照明”的半导体（LED ）照明技术发展迅猛，利用半导体（LED ）器件高速点灭的发光响应特性，将信号调制到LED 可见光上进行传输，使可见光通信与LED 照明相结合构建出LED 照明和通信两用基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接，因而具有广泛的开发前景。

目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED 。白光 LED在提供室内照明的同时，被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前，商品化的大功率白光LED 功率已经达到5W ，发光效率也已经达到90lm/W，其发光效率（流明效率）已经超过白炽灯，接近荧光灯。白光LED 的光效超过100lm/W并达到200lm/W（可以完全取代现有的照明设备）在不久的将来即可实现。因而LED 照明光通信技术具有极大的发展前景，已引起人们的广泛关注和研究与目前使用的无线局域网（无线LAN ）相比，“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN 局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据。该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。

1绪论

1.1可见光音频传输研究现状

可见光无线通信分室外通信和室内通信两大类。

室外可见光无线通信技术目前主要应用在智能交通系统中，香港大学G . Pang 等人提出了利用交通指示灯为车辆传输语音广播信号，将语音信号通过OOK 调制加至LED 光源，实现了低速的无线LED 可见光传输。日本KEIO 大学Kitano 等人分析了在不同的接收方向角和视场角下信噪比的好坏，以及在一定误码率下信噪比和接收数据率的关系，认为LED 可见光公路照明通信系统优于红外公路交通通信系统。

室内LED 可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，日本KEIO 大学的Tanaka 等人和SONY 计算机科学研究所的Haruyama 提出了利用LED 照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。他们以室内光传输信道为传输模型，将信道分为直接信道和反射信道两部分，以强度调制直接检测为光调制形式进行了建模仿真，获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系，认为传送数据率在10Mbps 以下的系统是可行的，码间干扰和多径效应是影响系统性能的两大因素。

LED 可见光无线通信系统的信号传输信道是随机信道，LED 可见光的波长与大气中的尘灰、气体分子、大雾、雨滴的尺寸相近甚至更小，容易产生光的散射及吸收造成信号的严重衰减，阳光等背景光也会对系统的性能产生影响。要保证在随机信道下的正常工作，还必须对LED 可见光传输信道作更深入的研究。目前在对室内信道进行分析时，都是将信道分成直射信道和墙壁反射信道两部分进行研究，但对背景光、散射等未作分析。因此建立恰当的室外传输模型和室内传输模型将有助于对系统展开深入的研究。

1.2课题研究方向

LED可见光无线通信，现阶段主要应用在室内局域网和智能交通系统中，未来LED 可见光无线通信技术将向以下几方面发展。

室内LED 可见光通信采用OFDM 调制技术、CDMA 接入技术及分组编码技术具有良好的发展前景，但采用OFDM 调制技术时，幅度不断变化的CFDM 信号工作在大信号幅度时可能会驱动功放进入非线性区产生失真。其次，目前LED 灯分多芯片和单芯片两种，采用OFDM 调制技术、CDMA 接入方式下采用何种芯片能达到更高的传信率和更少的误码率还有待研究。还有目前LED 可见光无线通信系统研究主要是针对下行链路，系统上行链路研究还有待深入。

由于LED 照明基站灯安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，利用电力线来传输通信信号可大幅降低投资成本。在日本等发达国家已得到了广泛应用，南京联通也在一些小区里开通了10M 带宽的电力线上网业务。LED 可见光无线通信与电力线载波通信相结合将是未来的发展趋势。 LED可见光无线通信技术可为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。汽车照明基本上都采用LED 灯，将光接收机安装在道路边或汽车上，组成汽车至交通控制中心（ 连接着道路边的光接收机）、路灯至汽车或汽车至汽车的通信链路，可为夜间行驶车辆进行导航、定位，并且能够让驾驶员即时知道各条道路的车辆流量，这也是LED 可见光无线通信在智能交通系统中的发展方向。

面对用户的迅速增加及人们对高速、宽带的多媒体通信的需求，电磁波的可用频带范围已变得越来越有限，而LED 可见光无线通信使用光频段传输信息具有宽广的通信带宽，避免了电磁干扰冲突又无需申请频段使用执照，能满足下一代多媒体通信的要求。随着具有节能、环保、使用寿命长等优点的LED 照明灯的普及，以及各种关键技术的不

断进步和完善，LED 可见光无线通信有望成为新的通信传输方式及下一代室内无线通信 技术。是一个有待大力进行研究并具有极大应用价值的领域。

2方案论证

2.1运放的选择

2.1.1方案一采用LM318

LM318运算放大器是美国生产的通用型运放系列中速度最快的器件与其他种类的通用型运放相比电压转换速率高、频带宽、输出动态范围大、较完善的保护电路等突出优点。 LM318在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中, 要求集成运算放大器的转换速率SR 一定要高, 单位增益带宽BWG 一定要足够大, 像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。

2.1.2方案二采用三极管

由pnp 三极管8050构成共集电极信号放大电路，完成对微弱信号的放大。共射极放大电路是放大电路中应用最广泛的三极管接法，信号由三极管基极和发射极输入，从集电极和发射极输出。因为发射极为共同接地端，故命名共射极放大电路。此中方案优点在于结构简单。

通过比较，根据这次设计的要求，LM318的性能上更符合，能够较好地完成实验目的，因此选择了LM318运算放大器。

3系统设计制作

3.1系统框图

3.2电路设计

3.2.1稳压部分

7812三端稳压器是电子设备中常用的线性稳压集成电路，最大输出电流1.5A （需加散热器）。下面是用这两种稳压IC 制作的正负稳压电源典型电路。应注意7812正电源稳压IC 与7912负电源稳压IC 的引脚功能是不一样的。

图3.2-2 7812管脚图

通常情况下，MC7812的接法如下：

图3.2-3 7812接法

设计中使用MC7812的电路如下：

图3.2-4稳压电路

3.2.2 NE555FM调制部分

该部分由NE555搭建的脉宽可调震荡电路，调节滑动变阻器R3方便调整占空比为50%。5脚为调制信号的输入端。PWM 信号的整体频率在这电路上取决于R 和C3的数值。 公式：f(Hz)= 1.44/(R* C3),R=R1+2R2。经计算，可得到f(Hz)= 150KHz。

图3.2-5 NE555调制发射电路

NE555是属于555系列的计时IC 的其中的一种型号，555系列IC 的接脚功能及运用都是相容的，只是型号不同的因其价格不同其稳定度、省电、可产生的振荡频率也不大相同；而555是一个用途很广且相当普遍的计时IC ，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率的脉波讯号。NE555的特点有：

1.只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久。

2.它的操作电源电压范围极大，可与TTL ，CMOS 等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合。

3.其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。

4.它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。

其内部功能图：

图3.2-6 NE555FM 内部功能图

Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。

Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。

Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O 伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。

Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。

Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下, 这输入能用来改变或调整输出频率。

Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。

Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON 时为LOW ，对地为低阻抗，当输出为OFF 时为HIGH ，对地为高阻抗。

Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值) 至+16伏特(最大值) 。

我们知道，555电路在应用和工作方式上一般可归纳为3类。每类工作方式又有 很多个不同的电路。在实际应用中，除了单一品种的电路外，还可组合出很多不 同电路，如：多个单稳、多个双稳、单稳和无稳，双稳和无稳的组合等。

1。单稳类-----作用：定延时，消抖动，分（倍）频，脉冲输出，速率检测等。

2。双稳类-----作用：比较器，锁存器，反相器，方波输出及整形等。

3。无稳类-----作用：方波输出，电源变换，音响报警，玩具，电控测量，定时 等。

本次使用的是无稳型压控振荡器。无稳型压控振荡器电路有很多，都比较复杂。为 简单起见，我们使用不带任何辅助器件的电路，如图：

图3.2-7 无稳型压控振荡器

无稳型压控振荡器电路主要用于脉宽调制、VF 变换、A/D变换，别名PWM 。 参数功能特性：

•供应电压4.5-18V

•供应电流3-6 mA

•输出电流225mA (max)

•上升/下降时间100 ns

•NE555的相关应用:

NE555的作用范围很广，但一般多应用于单稳态多谐振荡器及无稳态多谐振荡器。

3.2.3 LED灯恒流驱动FM 信号发射电路

DD311是一种单通道输出的LED 恒流驱动器，内建电流镜与电流开关组件，是专为驱动大功率LED 而设计的芯片。DD311可驱动高达1安培的沈入电流（sink current ），并可透过调整参考输入电流(IREF)来任意设定输出电流的大小。输出电流值约为100倍的IREF ，IREF 可由调整外挂电阻或偏压(bias)电压来设定。微调或使能偏压电压可校正LED 间的亮度不一或实现多颗LED 间整体亮度同时调整。芯片的输出端可承受高达36V 的电压，支持多颗大功率LED 的串接应用。内建输出使能端(Enable)，可轻易地实现大功率LED 的高灰阶应用。

DD311的主要特色有：最大输出电流：1A （由参考输入电流IREF 设定）；最小输出电压要求：1V （当Iout = 1A 时）；最大输出承受电压：36V (输出通道漏电流小于0.1uA) ；最大输出使能频率：1MHz ； 绝佳的恒流输出特性。

DD311常应用于LED 建筑/娱乐/景观照明；LED 一般或特用照明；LED 背光源应用。

图3.2-1 驱动电路

3.2.4光敏接收装置及滤波器

光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的, 其管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时, 有很小的饱和反向漏电流, 即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时, 饱和反向漏电流大大增加，形成光电流, 它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN 结时，可以使PN 结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

滤波的概念，是根据富立叶分析和变换提出的一个工程概念。根据傅里叶变换和傅里叶级数，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。

实际上，任何一个电子系统都具有自己的频带宽度（对信号最高频率的限制），频率特性反映出了电子系统的这个基本特点。而滤波器，则是根据电路参数对电路频带宽度的影响而设计出来的工程应用电路。

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

（1）根据滤波器的选频作用分类

①低通滤波器

从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。

②高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。

以这两种滤波器为原型，如果将一个低通滤波器和另一个低通滤波器串联（flfh），将得到一个带阻滤波器。

（2）理想滤波器

理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。

3.2.5运算放大器

运算放大器（常简称为“运放”）是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。

LM318在快速A/D和D/A转换器、视频放大器中, 要求集成运算放大器的转换速率SR 一定要高, 单位增益带宽BWG 一定要足够大, 像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。 下图是LM318的管脚图：

图3.2-8 LM318引脚图

下图是本次设计的两级运算放大器：

图3.2-9 两级运放电路

3.2.6 NE564解调

调频波(FM)解调称为频率检波，简称鉴频。实现调频波解调的方法有很多，常见的方法有：a ．斜率鉴频、相位鉴频、比例鉴频，这些鉴频器电路需要大量的电阻电容等元件，电路形式比较复杂不易于集成；b ．移相乘积鉴频、脉冲均值鉴频，这些鉴频器易于集成，但移相乘积鉴频器内部噪声较大，脉冲均值鉴频器线性好、频带宽，但中心频率范围较低；c ．锁相环鉴频，它是利用现代锁相技术来实现鉴频的方法，具有工作稳定、失真小、信噪比高等优点，所以被广泛应用在通信电路系统中。

锁相环是一种以消除频率误差为目的的反馈控制电路。它的基本原理是利用相位误差电压去消除频率误差，当电路达到平衡状态之后，虽然有剩余相位误差存在，但频率误差可以降低到零，实现了无频差的频率跟踪和相位跟踪。锁相鉴频器原理框图如图所示。当输入为调频波时，如果环路滤波器的带宽足够宽，使鉴相器的输出电压可以顺利通过，则VCO(压控振荡器) 就能跟踪输入调频波中反映调制规律变化的瞬时频率，即VCO 的输出就是一个具有相同调制规律的调频波。这时环路滤波器输出的控制电压就是所需的调频波解调电压。模拟锁相环NE564芯片就可用来设计FM 解调电路。

图3.2-10 锁相鉴频器原理方框图

NE564是超高频通用单片集成锁相环路，在通信及电子技术领域中有着广泛的用途，可用作高速调制解调器、数字频移键控（FSK ）信号的产生与接收、所想频率合成与锁相倍频等。它突破了以往集成锁相环存在的某些局限性，如电源电压偏高、工作频率不够高、接口困难、需增加大量外部电路等。针对这些缺点，在NE564中作了若干改进：在鉴频器前增加限幅器，可改善调幅抑制；在输入输出处采用肖特基PNP 型嵌位晶体管，使这种器件能与π电路兼容；对压控振荡器作了重大改进，使工作频率提高到50MHz ；整个电路采用单一的5V 电源电压工作，简化了电源供给。

模拟锁相环NE564芯片的最高工作频率可达50MHz ，采用+5V单电源供电，电路设计所使用的元件不多，关键步骤是设置中心频率和如何滤波两个方面。特别适用于高速数字通信中FM 信号和FSK(移频键控) 信号的调制和解调，且不需外接复杂的滤波器。芯片采用双极性工艺，电路由限幅器、鉴相器、压控振荡器、放大器、直流恢复电路和施密特触发器等六部分组成，内部结构如图所示。

图3.2-11 NE564内部结构

NE564内部由7部分电路组成，有16个外接端脚。

限幅放大器用于消除FM 信号输入时，干扰产生的寄生调幅，其限幅电平在0．3V ～O ．4V 之间。

鉴相器采用双差分模拟乘法器，由压控振荡器反馈过来的信号从外部由3脚输入。另外，由2脚去改变双差分电路的偏置电流，控制鉴相器的增益，从而实现环路增益控制。

压控振荡器(VCO)：是改进型射极定时多谐振荡器，固有振荡频率与接在12、l3脚的定时电容Ci 有关。f 。=1/16RCt，R=100Ω是电路内部设定的。

输出放大器与直流恢复电路是专门为解调FM 与FSK 信号而设计的。输出放大器是恒流源差分放大电路，它将来自PD 的差模信号放大后，单端输出送至施密特触发器和直流恢复电路。施密特触发器和直流恢复电路共同构成FSK 信号解调时的检波后处理电路。若环路的输入为FSK 信号，即频率在f 1 与f 2之间周期性跳变的信号，则鉴相器输出电压经输出放大器放大后的误差电压V dm 分为两路，一路直接送施密特触发器的输入端，另一路送直流恢复电路，直流恢复电路的14脚外接电容作低通滤波，产生一个稳定直流电压V REF 再送施密特触发器的另一输入端作为基准电压。V dm 与 VREF 进行比较，当 Vdm > V REF 时，16脚输出低电平；当 Vdm

若环路输入为FM 信号，那么在锁定状态，14脚的电压就是FM 解调信号。

电平变换电路：为了便于使用VCO 的输出，通过电平变换电路产生了、孔和ECL 兼容的电平。

其引脚图如下：

图3.2-12 NE564管脚

用NE564组成的FM 电路，如下图：

图3.2-13 NE564电路

图中C3是输入耦合电容，R6、C4组成限幅放大器的输入偏置滤波，滤除FM 信号中的杂波。R1对2脚提供输入电流I 2，用来控制环路增益和VCO 的锁定范围，总电阻R

与电流I 2的关系为：

式中的1．3V 是由于NE564的13脚电压为1.3V ，I2一般为几百毫安，调节电位器RP 使环路增益和VCO 的锁定范围达到最佳值。R2是VCO 输出端必须接的上拉电阻。C5、C6与内部两个对应电阻(阻值R=1.3k)分别组成一阶RC 低通滤波器。其截止角频率为：

滤波器的性能对环路入锁时间的快慢有一定影响，可根据要求改变C5、C6的值。VCO 的固有振荡频率fv 与定时电容Ct 的关系为：

工作频率为100KHz 时，由式(3)或振荡频率fv 与Ct 的关系曲线如下图示，得出Ct=4545pF，实际可用4700pF 电容，通过调整2引脚的偏置电流来调整频率，使VCO 输

出约为100KHz 。C222和C333用来滤除电源中的高低频交流分量。C7用来滤除输出信号中的谐波分量。

3.2.7 音频信号放大部分 该电路通过调试，中心频率工作在150KHz ，输出电压在0.4V 以上。

本次设计采用TDA2822的单声道桥式（BTL ）接法 。 BTL（Balanced Transformer Less ）电路，称为平衡桥式功放电路。它由两组对称的OTL 或OCL 电路组成，扬声器接在两组OTL 或OCL 电路输出端之间，即扬声器两端都不接地。BTL 电路的主要特点有：可采用单电源供电，两个输出端直流电位相等，无直流电流通过扬声器，与OTL 、OCL 电路相比，在相同电源电压、相同负载情况下，BTL 电路输出电压可增大一倍，输出功率可增大四倍，这意味着在较低的电源电压时也可获得较大的输出功率。具体电路图如下：

图3.2-14 TDA2822功放电路

TDA2822是小功率集成功放, 工作电压低，低于1.8V 时仍能正常工作，电源电压范围宽（1.8～15V ，TDA2822M ），集成度高，外围元件少，静态电流小, 交越失真也小；适用于单声道桥式（BTL ）或立体声线路两种工作状态；采用双列直插8 脚塑料封装（DIP-8）和贴片式（SOP-8）封装音质好。TDA2822广泛应用于收音机、随身听、耳机放大器等小功率功放电路中。

TDA2822采用双列直插8脚塑料封装（DIP8），如图示：

图3.2-15 TDA2822管脚图

3.3PCB 设计

3.3.1PCB 设计软Protell99SE

Protel99SE 是Protel 公司近10年来致力于Windows 平台开发的最新结晶，能实现

从电学概念设计到输出物理生产数据，以及这之间的所有分析、验证和设计数据管理。因而今天的Protel 最新产品已不是单纯的PCB （印制电路板）设计工具，而是一个系统工具，覆盖了以PCB 为核心的整个物理设计。 最新版本的Protel 软件可以毫无障碍地读Orcad 、Pads 、Accel(PCAD)等知名EDA 公司设计文件，以便用户顺利过渡到新的EDA 平台。

Protel99 SE 共分5个模块，分别是原理图设计、PCB 设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD 设计。 以下介绍一些Protel99SE 的部分最新功能：

可生成30多种格式的电气连接网络表；

强大的全局编辑功能；

在原理图中选择一级器件，PCB 中同样的器件也将被选中；

同时运行原理图和PCB ，在打开的原理图和PCB 图间允许双向交叉查找元器件、引脚、网络；

既可以进行正向注释元器件标号（由原理图到PCB ），也可以进行反向注释（由PCB 到原理图），以保持电气原理图和PCB 在设计上的一致性；

满足国际化设计要求（包括国标标题栏输出，GB4728国标库）； * 方便易用的数模混合仿真（兼容SPICE 3f5）；

支持用CUPL 语言和原理图设计PLD ，生成标准的JED 下载文件； * PCB可设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层；

强大的“规则驱动”设计环境，符合在线的和批处理的设计规则检查；

智能覆铜功能，覆铀可以自动重铺；

提供大量的工业化标准电路板做为设计模版；

放置汉字功能；

可以输入和输出DXF 、DWG 格式文件，实现和AutoCAD 等软件的数据交换； 智能封装导航（对于建立复杂的PGA 、BGA 封装很有用）；

方便的打印预览功能，不用修改PCB 文件就可以直接控制打印结果；

独特的3D 显示可以在制板之前看到装配事物的效果；

强大的CAM 处理使您轻松实现输出光绘文件、材料清单、钻孔文件、贴片机文件、测试点报告等；

经过充分验证的传输线特性和仿真精确计算的算法，信号完整性分析直接从PCB 启动；

反射和串扰仿真的波形显示结果与便利的测量工具相结合；

专家导航帮您解决信号完整性问题

3.3.2PCB 设计流程

(1) 原理图绘制并生成网络表

利用原理图设计工具绘制原理图，并且生成对应的网络表。手工更改网络表将一些元件的固定引脚等原理图上没有的焊盘定义到与它相通的网络上，没任何物理连接的可定义到地或保护地等。

(2) 画出自己定义的非标准器件的封装库

将自己所画的器件都放入一个自己建立的PCB 库专用设计文件。

(3) 设置PCB 设计环境

进入PCB 系统后的第一步就是设置PCB 设计环境，包括设置格点大小和类型、光标类型、板层参数以及布线参数等等。大多数参数都可以用系统默认值，而且这些参数经过设置之后，符合个人的习惯，以后无须再去修改。注意：在绘制电路版地边框前，一定要将当前层设置成Keep Out 层，即禁止布线层。初次设PCB ，相关参数如果不理解最好不要修改，参数设置影响DRC 检查，可以说这是DRC 检查的一种依据与标准。

(4) 调入网络表文件和修改零件封装

这一步是非常重要的一个环节，网络表是PCB 自动布线的灵魂，也是原理图设计与印象电路板设计的接口，只有将网络表装入后，才能进行电路板的布线。在原理图设计的过程中，ERC 检查不会涉及到零件的封装问题。根据自己实际购买的器件修改器件封装。

(5) 布置零件封装的位置，也称零件布局

可以进行自动布局, 也可以进行手动布局。一般先进行自动布局，然后根据自己的实际需要进行手动调整。布局直接影响以后的布线，所以是相当重要的一个环节。一般采取参考自动布局来手动布局。当简易的布局完成后，使用自动对齐方式整齐地展开或缩紧一组封装相似的元件。

(6) 布线规则设置布线规则是设置布线的各个规范（像使用层面、各组线宽、过孔间距、布线的拓扑结构等部分规则。一般需要重新设置以下几点:

①安全间距(Routing标签的Clearance Constraint)

它规定了板上不同网络的走线焊盘过孔等之间必须保持的距离。一般板子可设为 10mil 。走线层面和方向（Routing 标签的Routing Layers）

②过孔形状（Routing 标签的Routing Via Style）

它规定了手工和自动布线时自动产生的过孔的内、外径，均分为最小、最大和首选值，其中首选值是最重要的，下同。

③走线线宽（Routing 标签的Width Constraint）

规定了手工和自动布线时走线的宽度。整个板范围的首选项一般取10-25mil ，另添加一些网络或网络组（Net Class ）的线宽设置，如地线、+5V电源线、交流电源输入线、功率输出线和电源组等。网络组可以事先在Design-Netlist Manager中定义好，地线一般可选25mil 宽度，各种电源线一般可选20-40mil 宽度，印制板上线宽和电流的关系大约是每毫米线宽允许通过1安培的电流，具体可参看有关资料。当线径首选值太大

使得SMD 焊盘在自动布线无法走通时，它会在进入到SMD 焊盘处自动缩小成最小宽度和焊盘的宽度之间的一段走线，其中Board 为对整个板的线宽约束，它的优先级最低，即布线时首先满足网络和网络组等的线宽约束条件。

(7) 自动布线和手工调整

选中除了Add Testpoints以外的所有项，特别是选中其中的Lock All Pre-Route选项， Routing Grid可选1mil 等。自动布线开始前PROTEL 会给一个推荐值可不去理它或改为它的推荐值，此值越小板越容易100%布通，但布线难度和所花时间越大。假如不能完全布通则可手工继续完成或UNDO 一次（千万不要用撤消全部布线功能，它会删除所有的预布线和自由焊盘、过孔）后调整一下布局或布线规则，再重新布线。完成后做一次DRC ，有错则改正。布局和布线过程中，若发现原理图有错则应及时更新原理图和网络表，手工更改网络表（同第一步），并重装网络表后再布。手动调整一般是调整一些未布通的飞线以及一些走线太曲折的线路。同时，如果有差分电路最好能对称走线。

(8) 检查布线

切换到单层显示模式下（点击菜单命令Tools/Preferences，选中对话框中Display 栏的Single Layer Mode ）将每个布线层的线拉整齐和美观。手工调整时要经常做DRC ，因为有时候有些线会断开而你可能会从它断开处中间走上好几根线，快完成时可将每个布线层单独打印出来，以方便改线时参考，其间也要经常用3D 显示。最后取消单层显示模式，存盘。

(9) 最后再做一次DRC

选择其中Clearance Constraints Max/MinWidth Constraints Short Circuit Constraints 和Un-Routed NetsConstraints 这几项，按Run DRC 钮，有错则改正。全部正确后存盘。

3.4硬件制作

3.4.1铜板的整修

首先选取一块大小合适的铜板，用砂纸进行打磨把铜板尽量修整的光滑发亮，这样有利于热转印和腐蚀，并且把板的四周磨好。

3.4.2热转印

把PCB 线路图打印到油印纸上，把油印纸裁成和铜板大小差不多，然后对整齐，一起经过热转印机，热转印过程要经过三四次，确保墨粉都能印到铜板上，等板冷却之后再把油印纸拿开，如果有些墨粉没能转印到铜板的话，就用油墨笔补上。

3.4.3腐蚀铜板

把铜板放进腐蚀液里腐蚀，并且来回搅动，使腐蚀更快更彻底，但要注意搅动是不要碰到印在铜板上的油墨，以免印出来的铜板中线路不通。腐蚀完之后，拿到水池冲洗干净，并用砂纸磨掉油墨，冲洗的时间要够长，以免残留腐蚀液在铜板上。

3.4.4打孔

打孔时要注意选好钻孔针的大小，可以根据使用元器件所需的大小选择钻孔针，钻不同大小的孔时及时更换钻孔针，以免用打的针损坏焊盘上的电路。

3.4.5焊接

为了避免印制电路板氧化，必须在印制电路板表面涂上松香，用吹风筒将它干，吹干了之后就开始焊接了，焊接时一定要注意区分好各元件的管脚。不要弄反极性。焊接顺序为先焊较矮的元器件，再焊接较高的元器件。

4 硬件电路检查

硬件电路板做好后肯定会或多或少出现点毛病，通过调试来发现错误，检查错误， 分析错误，改正错误。通常的错误有以下几点：

（1）元器件失效

元器件失效的原因有两方面，一是元器件本身损坏或性能差，诸如电阻、电容的型号参数选择不确，集成电路损坏，或速度、功耗等技术参数不合格等。第二方面是组装错误造成的元器件失效，诸如电容、二极管、三极管的极性错误，集成块安装方向颠倒等。第三方面是电路调试过程中，电路的长时间使用和操作问题倒是的元器件失效，诸如电流过大导致电容、芯片的烧毁。

（2）可靠性问题

系统不可靠的因数很多，如：金属化孔、开关或插件的接触不良所造成的时好时坏；内部和外部的干扰；电源滤波电路不完善；器件负载超过额定值造成的逻辑不稳定；地线电阻大；电源质量差，电网干扰大等。

（3）电源故障

若存在着电源故障，则加电后将造成元器件损失。因此应特别引起注意。电源故障包括：电压数值不符合设计要求或超出器件工作电源正常值，电源极性错误，或电源之间的错误，或电源质量指标不合格。

5 硬件电路调试过程

5.1硬件电路调试

硬件是系统的躯体，硬件的好坏直接影响了结果。硬件调试是整个系统设计的重要环节。

由于这个系统硬件由一块发射板和一个接收板子组成，模块虽然不多，但是电路也是相对较为复杂。

5.1.1直观检查

该环节主要是观察整个板子是否有虚焊、脱焊、短路、断路情况，观察元件是否安装正确，特别是一些有极性元件是否装反。由于安装时较为小心，元件较少有装错的问题。

5.1.2关键位置检查

关键位置指的是包括电源、地等关键网络的短路、短路等明显问题的检查。特别是电源和地，如果短路，将会烧毁电路和电源，因此要格外小心。

采用数字万用表的二极管/短路检查档，没有发现任何电路板的电源和地诸如短路、断路等问题。

5.1.3不安装重要芯片情况下的通电检查

之所以要先进行这个步骤，主要是防止电路设计中疏忽的细节问题造成重要芯损坏。在该环节中，首先需要一个正常工作的电源，电源接通之后，先观察是否有元件发热、冒烟、爆裂等情况，如果有，立即断开电源检查。如果板子没有出现上述剧烈的反应，则检查芯片座中包括电源、低管脚的一些重要位置的电压是否正常，如果不正常，需要查找原因。

5.1.4装上芯片后的检查

安装上芯片后，首先直观检查芯片是否安装正确，注意不能安装反了；确认没有问题后，通电检查，要注意通电后芯片和外围元件是否有发热、冒烟、爆裂等情况，如果非正常的情况出现，要快速地断开电源后仔细检查分析原因。如果直观上表现正常，还需要测试关键电压，看是否正常。

5.1.5发射部分整体调试

上电后，通过示波器测量输出端波形可得振荡频率不是100KHz ，通过调整NE555电路的震荡电容C1来快速改变震荡频率，经过多次的调整C1取390pf 电容时，振荡频率为150KHz ，满足要求，通过改变精调电阻，使占空比为50%的方波。

5.1.6接收部分整体调试

此处采用分步调试方法，先断开运算放大器，上电后，调整NE564的2引脚输入电阻，使得VCO 输出频率约为150KHz ，通过信号源输出载波频率为100KHz 调制信号为1KHz 的FM 信号到NE564的输入端，观测14引脚的FM 输出是否是1KHz 的正弦波。若成功解调，则给发射部分输入1KHz 正弦信号，其调制输出通过信号线相连接到NE564的输入端，测试是否可解调出1KHz 的调制信号，若行，则验证了发射部分没有问题。

接下来，把运算放大器接上，通过光敏二极管接收发来的信号，若不能成功解调则相应的排查三极管8050的放大电路是否有问题。一般该部分焊接无误则能一次成功。 最后调试TDA2822功放部分，该部分电路元件较少，一般焊接无误基本没问题。

5.2电路调试中的问题及修改

5.2.1发光二极管的修改

在首次电路板制作中，所使用的是最为普通的发光二极管和光敏二极管，所以调试时在传输距离上效果很不理想，经过考虑，我将手电筒上的LED 灯卸下来替换了原来的发光二极管，传输距离有所怎家，但是仍然与目标有明显的差距，接着考虑到放大镜的聚光效果，在传输路线上放置了一个放大镜，情况得到了一定的改善，可还是没有达到理想效果。

在请教老师后，老师建议使用更大功率的LE 灯等，并送了大功率的二极管和更为灵敏的感光器件，由于开始的设计中使用的是5V 电压下工作的电路，而新的LED 灯需要12V 的电压工作，所以重新设计了发射电路并为LED 灯设计新的驱动电路，更改后的电路使得传输距离得到了很大的增加。

5.2.2 LM339比较器的删减

在制作完成接收电路板后，发现两级运放后频率比较大，经过LM339比较会出现失真，因此去掉一个运放后再次调试，但是一级运放达不到这次设计的要求。所以没有成功，再次请教老师后，发现可以不需要LM339比较，经过前面的放大后产生的波形已经是一个很清晰的方波，而NE564对于方波、正弦波等都可以进行解调。在去掉比较器后，调试结果都达到了去想的要求。

5.3调试完成后的结果

在发射端，NE555调制后的波形：

图5.3-1 NE555调制波形

在接收端，运放LM318放大整形后的调制波形：

图5.3-2 放大整形的调制波形

当输入1KHz 是，NE564解调得到的波形：

图5.3-3 NE564解调得到的波形（1K 正弦）

当输入2KHz 是，NE564解调得到的波形：

图5.3-4 NE564解调得到的波形（2K 正弦）

当输入3KHz 是，NE564解调得到的波形：

图5.3-5NE564解调得到的波形（3K 正弦）

TDA2822放大输出的波形：

图5.3-6 放大输出的波形

6总结

时至今日，论文基本完成。从最初的茫然，到慢慢的进入状态，再到对思路逐渐的清晰，整个写作过程难以用语言来表达。历经了几个月的奋战，紧张而又充实的毕业设计终于落下了帷幕。回想这段日子的经历和感受，我感慨万千，在这次毕业设计的过程中，我拥有了无数难忘的回忆和收获。

在与导师的交流讨论中我的题目定了下来：可见光音频传输系统设计。当选题报告，开题报告定下来的时候，我当时便立刻着手资料的收集工作中，当时面对浩瀚的书海真是有些茫然，不知如何下手。我将这一困难告诉了导师，在导师细心的指导下，终于使我对自己现在的工作方向和方法有了掌握。

新年的气氛尚未消散，我就去了部队进行为期两个月的当兵锻炼实习，这使我的毕业设计一度中断了很久，之前的思路被打断，无疑给我的设计增加了难度和压力，实习回来后开始进行相关图形的绘制工作和电路的设计工作。在设计电路初期，由于没有设计经验，觉得无从下手，空有很多设计思想，却不知道应该选哪个，经过导师的指导，我的设计渐渐有了头绪，通过查阅资料，逐渐确立系统方案。

我开始着手论文的写作。在写作过程中遇到困难我就及时和导师联系，并和同学互相交流，请教专业课老师。在大家的帮助下，困难一个一个解决掉，论文也慢慢成型。 当我终于完成了所有打字、绘图、排版、校对的任务后整个人都很累，但同时看着电脑荧屏上的毕业设计稿件我的心里是甜的，我觉得这一切都值了。

这次毕业设计的制作过程是我的一次再学习，再提高的过程，使我对可见光通信有了进一步的认识。这段时间不断通过查阅有关方面的书籍和资料, 获得了许多专业方面的知识, 拓展了视野; 通过设计电路并成功制作电路, 提高了理论水平和实际的动手能力; 在调试过程中，加强了分析问题和解决问题的能力。脚踏实地，认真严谨，实事求是的学习态度，不怕困难、坚持不懈、吃苦耐劳的精神是我在这次设计中最大的收益。我想这是一次意志的磨练，是对我实际能力的一次提升，也会对我未来的学习和工作有很大的帮助。总而言之, 这样的课程设计是很好的锻炼机会, 对我们各个方面的能力都有所提高对将来我们走出学校，从事工作都大有裨益。

谢 辞

时光荏苒，转眼间大学的生活即将接近尾声，回首这4年的学习生活，其间有失落也有收获，有艰辛也有快乐，有迷茫也有方向。在桂林电子科技大学这最美好、最宝贵的四年的学习生活中，我从一个当初少不更事的孩子成长为一个对社会、对人生充满自信的青年。在这里我需要感谢的有很多。

首先要感谢各位老师四年来等对我的教育培养，给予我终生受益无穷之道。 作为大学生涯画上句号的最后一堂课，有幸遇到童有为老师作为我的指导老师，无疑让我的毕业设计能够更为顺利完成，同时也是对四年学习内容的整理的良好契机。在整个毕业设计过程中，由于平时学习不注意方法，许多知识一知半解甚至完全忘记，这使得毕业设计的进度大大减缓，常常遇到各种问题，除了自己从课本中、资料中、网络上解决问题外，也常常求助童老师，童老师在帮助学生解决问题的过程中，态度亲和，从不因为问题的深浅而区别对待，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。老师“授之于鱼不若授之于渔”的良苦用心令我体会很深，他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，也深深地感染和激励着我。感谢童老师平时的教诲和指导，是童老师给予了我很好的启发，给了我很好的学习环境并鼓励我努力学习，在与童老师接触的过程中，学到了很多有用的学习和思考问题的方法，这些方法和做人的道理使我受益一生。

在此，我还要感谢在一起愉快的大学四年生活的室友们，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。

最后再次感谢童老师教会我做事情要尽力追求完美的态度！感谢我的母校桂林电子科技大学，给我提供学习和生活的空间，真心地希望它的明天更加美好！

参考文献

[1] 兰吉昌编. 运算放大器集成电路手册. 北京：化学工业出版社，2006年. [2] 江晓安, 董秀峰. 模拟电子技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2002年. [3] 樊昌信. 通信原理（第五版）[M].北京：国防工业出版社，2001年. [4] 张厥盛. 锁相技术[M].西安：西安电子科技大学出版社,2004年.

[5] 杨为理. 现代通信集成电路应用技术手册（上、下）[M].北京：电子工业出版社，1995年.

[6] 夏路易. 电路原理图与电路板设计教程[M].北京:北京希望电子出版社,2002年 [7] 赵晶.PROTEL99高级应用[M].北京：人民邮电出版社，2000年. [8] 王卫东. 高频电子电路[M].北京：电子工业出版社，2009年.

[9] 曾兴雯. 高频电路原理与分析[M].西安：西安电子科技大学出版社,2002年. [10]陈世伟. 锁相技术[M].北京：国防工业出版社，2001年.

附 录

1原理图

1.1 LED驱动电路原理图

1.2 发射端原理图

1.3接收端原理图

2 PCB图：

2.1 LED驱动电路PCB 图

2.2 发射端PCB 图

2.3 接收端PCB 图

4 电路板