基于Δ-Σ調(diào)制技術(shù)的無線音頻傳輸裝置

　　摘要：本文針對(duì)有線音頻傳輸?shù)拇嬖谛盘?hào)損耗和干擾問題，提出一種基于Δ-Σ調(diào)制技術(shù)的無線音頻數(shù)字傳輸方案，方案利用Δ-Σ調(diào)制器對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)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(shí)為了增加接收面積，方便解決發(fā)送、接收的對(duì)準(zhǔn)問題，利用太陽能電池對(duì)光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和提取，光電轉(zhuǎn)換后得到的接收信號(hào)經(jīng)模擬開關(guān)和切比雪夫濾波器后完成音頻信號(hào)的還原。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該方案結(jié)構(gòu)簡單，成本低，同時(shí)信號(hào)失真小。

　　引言

　　在一些大型場(chǎng)所中，音頻信號(hào)需要傳送的距離通常達(dá)到幾百米遠(yuǎn)，擴(kuò)聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最為關(guān)鍵的問題是解決微弱的音頻信號(hào)的遠(yuǎn)距離優(yōu)質(zhì)傳輸。傳統(tǒng)的模擬傳輸方式難以解決信號(hào)損耗和電磁干擾及接地干擾等難題^[1]，因此，模擬音頻已經(jīng)無法適應(yīng)整個(gè)擴(kuò)聲系統(tǒng)最基本的要求^[2]。隨著電子技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字音頻已經(jīng)在音頻傳輸?shù)雀鱾€(gè)應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。采用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸和處理的優(yōu)點(diǎn)是數(shù)字信號(hào)對(duì)干擾不敏感，整個(gè)系統(tǒng)的信噪比及失真與傳輸距離無關(guān)，其優(yōu)良的性能指標(biāo)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(diào)制技術(shù)采用較高的采樣頻率(遠(yuǎn)高于奈奎斯特采樣頻率)進(jìn)行信號(hào)采樣，采用較低的量化位數(shù)實(shí)現(xiàn)較高的ADC分辨率(“以速度換精度”)^[3]，同時(shí)量化噪聲整形技術(shù)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(hào)的還原可以采用專用的1-bit DAC實(shí)現(xiàn)^[5]。本次設(shè)計(jì)方案利用Δ-Σ調(diào)制技術(shù)可將模擬的音頻信號(hào)變成高速的比特?cái)?shù)據(jù)流(PCM)，得到的高速比特?cái)?shù)據(jù)流信號(hào)控制發(fā)光器件發(fā)光，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)向外傳輸。接收端利用太陽能電池實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的檢測(cè)和提取，信號(hào)經(jīng)放大、整形后，通過模擬開關(guān)和切比雪夫濾波器后實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的還原。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)主要包含發(fā)射裝置和接收裝置兩部分，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，發(fā)射裝置利用Δ-Σ調(diào)制器將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成高速比特流信號(hào)，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管，將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外光信號(hào)進(jìn)行發(fā)送。接收裝置利用太陽能電池接收紅外光信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大、整形、濾波等處理后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后還原成音頻信息進(jìn)行輸出，從而實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)的無線傳輸。


　　Δ-Σ調(diào)制器的工作原理是采用遠(yuǎn)大于尼奎斯特采樣頻率對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部包含積分器、量化器和D/A轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)用低位量化達(dá)到高分辨率的目的^[6]。采樣的模擬信號(hào)與上一時(shí)刻的采樣信號(hào)(反饋信號(hào))進(jìn)行差動(dòng)比較，同時(shí)將產(chǎn)生的差動(dòng)信號(hào)(±Δ)進(jìn)行積分后送入比較器中進(jìn)行量化輸出，有效的改善了噪聲信號(hào)比(SNR)。接收裝置利用太陽能電池作為接收器件，實(shí)現(xiàn)紅外光信號(hào)的接收，理想PN結(jié)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(shí)際上，PN結(jié)太陽能電池存在著內(nèi)阻和漏電阻的影響。當(dāng)漏電阻小于100Ω后，對(duì)太陽能電池的影響可以忽略不計(jì)。

　　2 信號(hào)處理與硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 發(fā)射裝置信號(hào)處理

　　圖2所示為發(fā)射裝置電路圖，信號(hào)采集電路利用Δ-Σ型調(diào)制器AD7400A以10 MSPS進(jìn)行音頻信號(hào)采樣，輸出和音頻信號(hào)幅值成對(duì)應(yīng)關(guān)系的高速1位數(shù)據(jù)流。信號(hào)發(fā)射電路利用AD7400A輸出的高速比特流信號(hào)作為控制信號(hào)控制三極管導(dǎo)通，將高速比特流電信號(hào)轉(zhuǎn)換成紅外光信號(hào)向外傳播。紅外發(fā)光二極管選用SIR-568ST3F，該二極管的開關(guān)頻率可達(dá)50MHz，頻率響應(yīng)特性高。