基于Δ-Σ調制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)音頻傳輸裝置

　　摘要：本文針對有線(xiàn)音頻傳輸的存在信號損耗和干擾問(wèn)題，提出一種基于Δ-Σ調制技術(shù)的無(wú)線(xiàn)音頻數字傳輸方案，方案利用Δ-Σ調制器對音頻信號進(jìn)行采集，將采集得到的高速比特流數據通過(guò)紅外光的形式向外無(wú)線(xiàn)傳輸。同時(shí)為了增加接收面積，方便解決發(fā)送、接收的對準問(wèn)題，利用太陽(yáng)能電池對光信號進(jìn)行檢測和提取，光電轉換后得到的接收信號經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)和切比雪夫濾波器后完成音頻信號的還原。實(shí)驗數據表明，該方案結構簡(jiǎn)單，成本低，同時(shí)信號失真小。

　　引言

　　在一些大型場(chǎng)所中，音頻信號需要傳送的距離通常達到幾百米遠，擴聲系統設計中最為關(guān)鍵的問(wèn)題是解決微弱的音頻信號的遠距離優(yōu)質(zhì)傳輸。傳統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(jīng)無(wú)法適應整個(gè)擴聲系統最基本的要求^[2]。隨著(zhù)電子技術(shù)和數字化技術(shù)的飛速發(fā)展，數字音頻已經(jīng)在音頻傳輸等各個(gè)應用領(lǐng)域得到了廣泛的應用。采用數字信號進(jìn)行傳輸和處理的優(yōu)點(diǎn)是數字信號對干擾不敏感，整個(gè)系統的信噪比及失真與傳輸距離無(wú)關(guān)，其優(yōu)良的性能指標是模擬傳輸所無(wú)法比擬的。目前數字音頻處理系統中通常需要專(zhuān)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(shù)采用較高的采樣頻率(遠高于奈奎斯特采樣頻率)進(jìn)行信號采樣，采用較低的量化位數實(shí)現較高的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]，音頻信號的還原可以采用專(zhuān)用的1-bit DAC實(shí)現^[5]。本次設計方案利用Δ-Σ調制技術(shù)可將模擬的音頻信號變成高速的比特數據流(PCM)，得到的高速比特數據流信號控制發(fā)光器件發(fā)光，將數據轉換成光信號向外傳輸。接收端利用太陽(yáng)能電池實(shí)現光信號的檢測和提取，信號經(jīng)放大、整形后，通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)和切比雪夫濾波器后實(shí)現音頻信號的還原。

　　1 系統結構及原理

　　1.1 系統結構

　　系統主要包含發(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(dòng)紅外發(fā)光二極管，將音頻信號轉換成紅外光信號進(jìn)行發(fā)送。接收裝置利用太陽(yáng)能電池接收紅外光信號，信號經(jīng)放大、整形、濾波等處理后，經(jīng)D/A轉換后還原成音頻信息進(jìn)行輸出，從而實(shí)現音頻信號的無(wú)線(xiàn)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(jìn)行采樣，內部包含積分器、量化器和D/A轉換器，實(shí)現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(shí)刻的采樣信號(反饋信號)進(jìn)行差動(dòng)比較，同時(shí)將產(chǎn)生的差動(dòng)信號(±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比(SNR)。接收裝置利用太陽(yáng)能電池作為接收器件，實(shí)現紅外光信號的接收，理想PN結太陽(yáng)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(lái)表示。實(shí)際上，PN結太陽(yáng)能電池存在著(zhù)內阻和漏電阻的影響。當漏電阻小于100Ω后，對太陽(yáng)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(jìn)行音頻信號采樣，輸出和音頻信號幅值成對應關(guān)系的高速1位數據流。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(kāi)關(guān)頻率可達50MHz，頻率響應特性高。