基于Δ-Σ調制技術的無線音頻傳輸裝置

　　摘要：本文針對有線音頻傳輸?shù)拇嬖谛盘枔p耗和干擾問題，提出一種基于Δ-Σ調制技術的無線音頻數(shù)字傳輸方案，方案利用Δ-Σ調制器對音頻信號進行采集，將采集得到的高速比特流數(shù)據(jù)通過紅外光的形式向外無線傳輸。同時為了增加接收面積，方便解決發(fā)送、接收的對準問題，利用太陽能電池對光信號進行檢測和提取，光電轉換后得到的接收信號經模擬開關和切比雪夫濾波器后完成音頻信號的還原。實驗數(shù)據(jù)表明，該方案結構簡單，成本低，同時信號失真小。

　　引言

　　在一些大型場所中，音頻信號需要傳送的距離通常達到幾百米遠，擴聲系統(tǒng)設計中最為關鍵的問題是解決微弱的音頻信號的遠距離優(yōu)質傳輸。傳統(tǒng)的模擬傳輸方式難以解決信號損耗和電磁干擾及接地干擾等難題^[1]，因此，模擬音頻已經無法適應整個擴聲系統(tǒng)最基本的要求^[2]。隨著電子技術和數(shù)字化技術的飛速發(fā)展，數(shù)字音頻已經在音頻傳輸?shù)雀鱾€應用領域得到了廣泛的應用。采用數(shù)字信號進行傳輸和處理的優(yōu)點是數(shù)字信號對干擾不敏感，整個系統(tǒng)的信噪比及失真與傳輸距離無關，其優(yōu)良的性能指標是模擬傳輸所無法比擬的。目前數(shù)字音頻處理系統(tǒng)中通常需要專用的音頻處理芯片和高性能微處理器，方案成本高。

　　Δ-Σ調制技術采用較高的采樣頻率(遠高于奈奎斯特采樣頻率)進行信號采樣，采用較低的量化位數(shù)實現(xiàn)較高的ADC分辨率(“以速度換精度”)^[3]，同時量化噪聲整形技術能將量化噪聲推向高頻端，從而大幅地提高信噪比^[4]，音頻信號的還原可以采用專用的1-bit DAC實現(xiàn)^[5]。本次設計方案利用Δ-Σ調制技術可將模擬的音頻信號變成高速的比特數(shù)據(jù)流(PCM)，得到的高速比特數(shù)據(jù)流信號控制發(fā)光器件發(fā)光，將數(shù)據(jù)轉換成光信號向外傳輸。接收端利用太陽能電池實現(xiàn)光信號的檢測和提取，信號經放大、整形后，通過模擬開關和切比雪夫濾波器后實現(xiàn)音頻信號的還原。

　　1 系統(tǒng)結構及原理

　　1.1 系統(tǒng)結構

　　系統(tǒng)主要包含發(fā)射裝置和接收裝置兩部分，其結構框圖如圖1所示，發(fā)射裝置利用Δ-Σ調制器將音頻信號轉換成高速比特流信號，驅動紅外發(fā)光二極管，將音頻信號轉換成紅外光信號進行發(fā)送。接收裝置利用太陽能電池接收紅外光信號，信號經放大、整形、濾波等處理后，經D/A轉換后還原成音頻信息進行輸出，從而實現(xiàn)音頻信號的無線傳輸。


　　Δ-Σ調制器的工作原理是采用遠大于尼奎斯特采樣頻率對輸入的模擬信號進行采樣，內部包含積分器、量化器和D/A轉換器，實現(xiàn)用低位量化達到高分辨率的目的^[6]。采樣的模擬信號與上一時刻的采樣信號(反饋信號)進行差動比較，同時將產生的差動信號(±Δ)進行積分后送入比較器中進行量化輸出，有效的改善了噪聲信號比(SNR)。接收裝置利用太陽能電池作為接收器件，實現(xiàn)紅外光信號的接收，理想PN結太陽能電池可以用一恒流源(光生電流)及一理想二極管的并聯(lián)來表示。實際上，PN結太陽能電池存在著內阻和漏電阻的影響。當漏電阻小于100Ω后，對太陽能電池的影響可以忽略不計。

　　2 信號處理與硬件設計

　　2.1 發(fā)射裝置信號處理

　　圖2所示為發(fā)射裝置電路圖，信號采集電路利用Δ-Σ型調制器AD7400A以10 MSPS進行音頻信號采樣，輸出和音頻信號幅值成對應關系的高速1位數(shù)據(jù)流。信號發(fā)射電路利用AD7400A輸出的高速比特流信號作為控制信號控制三極管導通，將高速比特流電信號轉換成紅外光信號向外傳播。紅外發(fā)光二極管選用SIR-568ST3F，該二極管的開關頻率可達50MHz，頻率響應特性高。