基于DSP的激光無線語音通信系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】無線通信有射頻通信、紅外通信等，但是射頻通信受無線頻段影響，紅外光會對人眼產(chǎn)生影響，而且要受到功率限制。本文采用激光通信技術(shù)，利用直接調(diào)制方式，完成激光無線語音通信系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)語音信號的差分編碼通過數(shù)字信號處理芯片DSP2407實(shí)現(xiàn)，且可根據(jù)需要更換編碼方法。此系統(tǒng)設(shè)計簡單、功耗低、成本低廉、體積小，經(jīng)過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以靈活地應(yīng)用到各個場合。

【關(guān)鍵詞】直接調(diào)制；語音通信；差分編碼；DSP2407

引言

激光通信因其安全保密性好、造價低、架設(shè)迅速及信息容量大等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛，除可應(yīng)用于普通場合還可以用于一些不利于紅外、有線以及普通無線電波通信的特殊場合，特別是可以用于光纖通信的故障臨時替代方式及快速搭建高性能的信息傳輸通路，如在戰(zhàn)場、災(zāi)區(qū)迅速搭建通信平臺，發(fā)揮遠(yuǎn)距離通信作用等等[1]。在激光通信過程中，常常需要與其他通信設(shè)備進(jìn)行通信，但是為實(shí)現(xiàn)激光無線通信，要考慮到大氣損耗、發(fā)射源移動、空氣散射、環(huán)境干擾等不利因素，為了盡量消除這些不利因素，本文設(shè)計出一種基于DSP的基于激光無線語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用調(diào)制和解調(diào)過程直接調(diào)制方式，利用1550nm半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)激光無線語音通信系統(tǒng)，并通過數(shù)字信號處理芯片DSP2407實(shí)現(xiàn)了語音信號的差分編碼。該設(shè)備發(fā)出的調(diào)制激光信號可在自由空間傳輸，克服了在天氣惡劣情況下無法通信的缺陷，而且該設(shè)備信號傳輸容量大，能靈活地適應(yīng)各種場合。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計

激光通信系統(tǒng)主要由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡三部分組成。將欲發(fā)送的語音信號調(diào)制到激光光束上，之后通過光學(xué)發(fā)射機(jī)將載有語音信號的光束發(fā)出去，通過光學(xué)接收機(jī)接收并檢測出該信號。因此，激光無線語音通信系統(tǒng)主要由話筒、音箱、信道（差錯控制）編解碼、電光調(diào)制、光電解調(diào)、光學(xué)天線和大氣信道組成。

發(fā)射端信道編碼器對話筒送來到的語音信號進(jìn)行采樣、量化、差分編碼，語音編碼信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，利用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，將電信號變換為光信號，攜帶語音信息的光信號通過光束擴(kuò)展器從發(fā)射機(jī)發(fā)出。接收端光電探測器接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的載波激光束，解調(diào)器將此光信號解調(diào)為電信號，解碼器對電信號進(jìn)行解碼和D/A轉(zhuǎn)換后，通過音箱播放語音信號。

2.硬件電路設(shè)計

2.1 激光發(fā)射機(jī)設(shè)計

激光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)將語音信號通過處理加載到光信號上以光形式發(fā)送。該部分主要由半導(dǎo)體激光器、調(diào)制器、編碼器、話筒和光束擴(kuò)展器組成，如圖2所示。編碼器用于在待發(fā)送信息中添加冗余度，從而具有檢查錯誤碼元或糾正錯誤碼元的能力，降低信道傳輸?shù)恼`碼率[2]。調(diào)制器是使經(jīng)信道編碼后的數(shù)據(jù)加載到激光上，便于在信道中傳輸，調(diào)制方式選取直接調(diào)制法，采用電光調(diào)制。

話筒的模擬語音信號以電壓形式輸出，通過此電路變成電流形式，用電流來控制半導(dǎo)體激光器的光強(qiáng)。系統(tǒng)中發(fā)射端電壓-電流（V-I）轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.2 接收機(jī)設(shè)計

接收機(jī)的功能是在失真及噪聲最小的情況下恢復(fù)光載波攜帶的信息，由聚焦透鏡、光電探測器、解調(diào)器、解碼器和音箱組成，如圖4所示。聚焦透鏡裝在光強(qiáng)與其反相電流成正比的光敏電阻前，有利于接收窄細(xì)的激光束，然后采用I-V轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，電路如圖5所示。解碼器對電信號進(jìn)行解碼和D/A轉(zhuǎn)換后，通過音箱播放語音信號。

2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計

DSP采用DSP2407，它的工作主頻為40MHz，芯片內(nèi)置2.5k字SRAM，32k字FLASH，可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、隔離和總線仲裁等先進(jìn)技術(shù)，所以使用極為方便靈活、簡潔、并且運(yùn)行極其穩(wěn)定。信號抗混疊濾波后經(jīng)A/D采集后送入DSP2407中處理，處理后經(jīng)D/A變換后經(jīng)平滑濾波輸出。

信道編碼是按照約定的規(guī)則在待傳輸信息碼中添加額外的碼元，以降低傳輸中的誤碼率。對于不同的信道，設(shè)計不同類型的信道編碼，可以提高編碼效率或已編碼信號的檢錯或糾錯能力，從而改善通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

3.軟件設(shè)計

4.試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

采用計算機(jī)一臺、DSP實(shí)驗(yàn)板及仿真器一套、示波器一臺、麥克一個、音箱一組，對系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)結(jié)果測試。用數(shù)字示波器觀測到的調(diào)制試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計完成正確。

本文基于直接調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了激光無線語音通信系統(tǒng)。激光通信方式以高度的保密性、抗干擾性及靈活的接入方式受到關(guān)注。直接調(diào)制費(fèi)用低，實(shí)現(xiàn)相對簡單，以激光束的亮暗變化觀察調(diào)制結(jié)果，通俗直觀；本系統(tǒng)還能根據(jù)需要更換其他編碼方法與通信協(xié)議，適合場合靈活，有很好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：張慧穎（1982—），女，吉林四平人，博士研究生，講師，研究方向：空間光通信。