一種基于調(diào)制激光信號采集器的設(shè)計*

何　冰　袁　衛(wèi)　王洋洋

(1.渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院　渭南　714099)(2.陜西省X射線檢測與應(yīng)用研究開發(fā)中心　渭南　714099)

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一種基于調(diào)制激光信號采集器的設(shè)計*

何冰1,2袁衛(wèi)1王洋洋1

(1.渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院渭南714099)(2.陜西省X射線檢測與應(yīng)用研究開發(fā)中心渭南714099)

摘要設(shè)計了一種基于調(diào)制激光的音頻采集裝置。該裝置通過控制激光二極管發(fā)射100kHz的調(diào)制激光信號，該信號照射到目標(biāo)物體上，然后反射回接收端；接收端接收到激光信號，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號；此電信號再通過諧振放大，解調(diào)，濾波等電路，在目標(biāo)物體上解析出由附近的音頻震動產(chǎn)生的震動信號，從而還原出目標(biāo)物體附近的音源，這樣就可以做到非安裝式音頻情報采集。

關(guān)鍵詞調(diào)制激光; 二極管; 解調(diào); 音頻采集

A Design of Signal Acquisition Based on Laser Modulation

HE Bing1,2YUAN Wei1WANG Yangyang1

(1. Department of Physics and Electronic Engineering, Weinan Normal University, Weinan714099)

(2. Center of X Ray Detection and Application of Shanxi, Weinan714099)

AbstractAn audio acquisition device based on modulated laser is designed, The device by controlling the laser diode emission 100kHz modulated signal, the signal light the target object and reflected back to receiver. The receiver receives the laser signal and then through the photoelectric devices convert light signals into electrical signals. The electrical signals through a resonant amplofication, demodulation, filter circuit parse out vibration signal that produced by nearby audio of target object. Finally, the audio source of nearby object is recovered and so non mounted audio information collection can be done.

Key Wordslaser diode, diode, demodulation, audio acquisition

Class NumberTP391

1引言

情報采集的途徑多種多樣，從最初的間諜滲透到現(xiàn)在的各種高科技偵查監(jiān)聽手段。在現(xiàn)代以信息化為主的戰(zhàn)爭中，高科技的偵查監(jiān)聽設(shè)備在戰(zhàn)爭中的作用也越來越重要。在公安人員對案件調(diào)查過程中，為了掌握更為詳細(xì)的破案線索和搜集證據(jù)，把微型無線監(jiān)聽裝置放在犯罪嫌疑人經(jīng)常出沒的地方，獲取他們談話內(nèi)容。諸如此類監(jiān)聽需要無線監(jiān)聽裝置具有很好的偽裝功能，需要應(yīng)用各種巧妙的方法與技術(shù)。由于激光監(jiān)聽技術(shù)不同于普通電磁波監(jiān)聽方式，該種方式具有很好的抗電磁干擾能力。同時，激光監(jiān)聽技術(shù)又是一種非安裝式的監(jiān)聽方式，因此其在偽裝監(jiān)聽方面有獨一無二的優(yōu)勢。

2設(shè)計功能簡介

本設(shè)計屬于音頻信息采集裝置。首先由發(fā)射裝置發(fā)射一束調(diào)制激光，經(jīng)過被監(jiān)視區(qū)域(如：窗戶玻璃)反射，由硅光電池接收激光回波信號，經(jīng)過解調(diào)、放大、濾波等操作還原出被監(jiān)視區(qū)域的聲波信號。功能簡介如圖1所示。

圖1　音頻信息采集裝置功能說明

3設(shè)計原理分析

3.1聲波分析

聲波屬于縱波，在空氣中傳播時，由于在傳播方向上產(chǎn)生振動，將空氣壓縮排擠為密集區(qū)和疏松區(qū)，當(dāng)這些空氣在隨音頻信號振動時，周圍的物體也隨之振動，這樣就在音源附近物體上產(chǎn)生了與音源信號變化規(guī)律相同的振動信號。其實這種現(xiàn)象可能我們平時注意不到，但當(dāng)在打雷時，或戶外有巨大響聲時，室內(nèi)的窗戶有時會隨之產(chǎn)生很大的震動。

如果需要在音源附近鏡面或平面物體上產(chǎn)生較大的震動信號，可以通過以下兩種方法：第一，增大音源的輸出功率，隨著音源功率的增大，通過音頻傳遞出的能量就越強(qiáng)，因此，附近物體接收到來自音源的能量也隨之提高，震動就越劇烈。第二，當(dāng)音源功率一定時，如果附近物體的固有頻率接近于音源的振動頻率，附近的物體會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時震動幅度也較大。但是針對本設(shè)計，第一種增大震動幅度的方法不可取。對于第二種方法，每一個物體的的固有頻率不相同，因此要產(chǎn)生共振是比較困難。但是，由于該設(shè)計采集的目標(biāo)音源大多位于室內(nèi)，在較封閉環(huán)境中，更有利于音源的能量傳遞給平面物體，雖然不能產(chǎn)生共振現(xiàn)象，但平面物體上也可以的到一部分與室內(nèi)音源變化規(guī)律相同的震動信號。

3.2光杠桿原理

圖2　卡文迪許扭秤實驗裝置

在兩百多年前(1797年)，卡文迪許采用扭秤測量出了極其微小的萬有引力。扭秤的實質(zhì)是光杠桿放大，在此設(shè)計中我們同樣也是利用光杠桿原理對微弱的振動信號進(jìn)行初步放大的，采用光杠桿放大比較方便，且所需裝置相對簡單。

等比例放大測量是一種比較優(yōu)越的測量方法，在高中物理課本中多個實驗采用了光杠桿放大測量法，也得到了理想的實驗結(jié)果。例如，桌面形變量的測量實驗，桌面的材質(zhì)和形狀決定了其形變量極其微小，若對此微小量進(jìn)行直接測量，幾乎不可能，因此通過搭建光杠桿測量平臺，將桌面微小的變化量進(jìn)行放大，得到一個較大的偏移量，然后通過測量工具直接測量。

圖3　光杠桿原理示意圖

以下對光杠桿原理進(jìn)行簡要分析：一束激光通過激光發(fā)射器發(fā)出，通過平面鏡反射，在光屏上接收到激光光斑，這樣就構(gòu)成了一個簡單的光杠桿，若平面鏡旋轉(zhuǎn)很小的角度，光屏上的光斑會有較大的位置偏移量，這樣，就將一個微弱的信號進(jìn)行了放大。

如圖3所示，易證：A=2B，隨著距離的增加，偏移量增加。這樣就將一個很小的震動量轉(zhuǎn)化為一個很大的偏移量，便于后面處理。

4方案論證

4.1方案一：采用非調(diào)制激光

直接由穩(wěn)定的直流電源驅(qū)動激光二極管，激光二極管發(fā)出恒定強(qiáng)度的激光信號，該激光信號被目標(biāo)物體反射回接收端，通過光電轉(zhuǎn)換電路將激光信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，在激光信號被目標(biāo)物體反射的過程中，激光信號上攜帶了與目標(biāo)物體的音頻震動信號變化規(guī)律相同的信號，再通過濾波電路將該信號解析出來，即可還原出目標(biāo)物體附近的音頻信號。

本方案優(yōu)點在于電路比較簡單，方便初步信號測試時使用；缺點是抗干擾能力太差，實用性不高。

4.2方案二：采用PWM調(diào)制激光

由三角波發(fā)生電路產(chǎn)生固定頻率的三角波，將三角波與輸入音頻信號通過比較器，比較器輸出脈寬變化規(guī)律與輸入音頻變化規(guī)律相同的脈寬調(diào)制波形，即PWM波。利用該P(yáng)WM波通過驅(qū)動電路控制激光二極管發(fā)出與PWM同步且變化規(guī)律相同的激光信號。

接收端采用硅光二極管將上述激光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路，低通濾波電路，解析出原始音頻信號。

本方案優(yōu)點在于相對于方案一，抗干擾能力有很大提高；缺點在與該方案中采用的PWM波為多次諧波，由較高的頻率分量，對于光電器件，由于PN結(jié)的電容效應(yīng)，不適合傳輸較高頻率的信號。

4.3方案三：采用調(diào)幅調(diào)制激光

此種方案類似于調(diào)幅調(diào)制(AM)的收音機(jī)工作原理[8]，區(qū)別之處在于收音機(jī)采用無線電波，而此種方案采用可見光或紅外激光，由于載體不同也決定了信號傳輸方式的不同，調(diào)幅調(diào)制激光具有很好的定向性。與調(diào)幅調(diào)制收音機(jī)相同，此種方案需要將有用信號通過調(diào)幅方式調(diào)制在載波上，進(jìn)行放大、發(fā)射、接收、解調(diào)、濾波等操作后還原出原始信號。

本方案優(yōu)點在于相對方案一有較強(qiáng)的抗干擾能力，相對方案二不需要光電器件傳輸較高頻率的信號；缺點在于此方案電路復(fù)雜，調(diào)試難度大。

5技術(shù)難點分析

5.1單電源供電問題

本設(shè)計由于應(yīng)用場合要求，需采用單電源供電，采用9V單電源供電。但是，在整個系統(tǒng)設(shè)計中需要對模擬信號進(jìn)行處理，需要用到多種運(yùn)算放大器，常用的運(yùn)算放大器需要雙電源供電，出現(xiàn)矛盾。

對于此問題以下舉例說明解決辦法，如圖4(a)所示為反向放大電路，對其供電需要+/-5V電源。如果采用如圖4(b)電路，則可解決雙電源供電問題，對該供電方式進(jìn)行簡要分析，由于R22接在運(yùn)算放大器的同向輸入端，由于運(yùn)算放大器工作于放大狀態(tài)，可以使用“虛斷”，這樣通過R22的電流很小，運(yùn)算放大器同向端只需要提供一個參考電壓，因此用電阻串聯(lián)分壓電路可以滿足要求。

圖4　單電源供電與雙電源供電比較

5.2微弱信號的放大

本設(shè)計中，被測音頻信號本身較小，再加之通過感知音源附近物體上的振動信號來采集有效音頻信號。足可以看出被測信號的微弱，雖然在本設(shè)計中巧妙地采用了光杠桿原理進(jìn)行放大，但仍需要對光電采集電路和后級信號處理電路的設(shè)計重視，因此本部分的設(shè)計需要滲透于設(shè)計的各個電路。

5.3非線性器件問題

激光二極管和硅光二極管都屬于半導(dǎo)體器件，半導(dǎo)體器件的非線性性也是模擬電路設(shè)計中令人頭痛的問題。本設(shè)計中，通過使用互阻放大電路和互導(dǎo)放大電路，盡可能將半導(dǎo)體器件的非線性造成的影響降到最低。

5.4光電傳感器頻率響應(yīng)問題

在設(shè)計過程中，通過器件選型和方案設(shè)計兩方面盡量避免該問題產(chǎn)生的影響。光電傳感器采用速度較高，成本合理的硅光二極管BWP34；方案設(shè)計時，摒棄了需要傳輸較高頻率信號的PWM調(diào)制方式，選擇了調(diào)幅調(diào)制方式。

6硬件部分

6.1總體組成

本設(shè)計由模擬部分和數(shù)字部分組成。模擬部分主要由100kHz信號發(fā)生電路、互導(dǎo)放大電路、光電轉(zhuǎn)換電路、諧振放大電路、解調(diào)電路和濾波電路等構(gòu)成。數(shù)字部分主要由音頻采集電路、單片機(jī)主控電路等構(gòu)成，總體構(gòu)成如圖5所示。

圖5　電路總體組成

6.2局部電路分析

6.2.1載波信號發(fā)生電路

本設(shè)計中信號發(fā)生電路采用帶穩(wěn)幅電路的RC振蕩電路，如圖6所示，C5-C8-R6-R7-R8-R13組成選頻網(wǎng)絡(luò)，穩(wěn)幅采用二極管D1和D2的非線性特性，當(dāng)信號幅度輸出較大時，二極管導(dǎo)通，負(fù)反饋增大；當(dāng)信號幅度輸出較小時，二極管截止，負(fù)反饋增大，達(dá)到輸出信號穩(wěn)幅目的。

6.2.2互導(dǎo)放大電路

激光二極管屬于非線性器件，且發(fā)光強(qiáng)度與正向電流成正比，因此，在此采用互阻放大電路[1]。利用互阻放大電路將前級信號發(fā)生電路產(chǎn)生的100kHz正弦波電壓信號轉(zhuǎn)化為激光二極管上的相同變化規(guī)律的電流信號，從而驅(qū)動激光二極管發(fā)出強(qiáng)度隨100kHz正弦波變化的激光信號[2]。

圖6　帶穩(wěn)幅電路的RC振蕩電路

圖7　互阻放大電路

6.2.3互阻放大電路

圖8　互阻放大電路

與激光二極管相同，硅光二極管也屬于非線性器件，同時，在回路中，硅光二極管形成的光電流與光強(qiáng)成正比，因此，此處采用互阻放大器將硅光二極管產(chǎn)生的光電流轉(zhuǎn)化為電壓信號，以便后續(xù)處理。因為激光二極管發(fā)出的激光強(qiáng)度是隨100kHz正弦波變化的，所以硅光二極管形成的光電流也是按照相同規(guī)律變化的，經(jīng)過互阻放大電路后，產(chǎn)生的電壓信號也具有相同的變化規(guī)律。

在本設(shè)計中，該電路較為重要，因此，以下對該電路設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)闡述。此處的硅光二極管，指的是將光功率轉(zhuǎn)化為電流的光電轉(zhuǎn)換器件。有人認(rèn)為硅光二極管的應(yīng)用很簡單，將硅光二極管的輸出電流通過兩個電阻進(jìn)行取樣，就得到了對應(yīng)變化規(guī)律電壓信號，如圖9所示。

圖9　硅光二極管工作電路

事實上，光電轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計并非這么簡單。圖9的硅光二極管工作電路可能會產(chǎn)生暗電流，也就是說在沒有光強(qiáng)輸入的情況下會產(chǎn)生一個存在微小波動量的電流。除此之外，圖9中由于硅光二極管二極管處于反偏狀態(tài)，必然需要較大的取樣電阻，這樣取樣電阻會產(chǎn)生不容忽視的熱噪聲。當(dāng)光生電流一定時，取樣電阻的阻值越大，輸出的電壓信號幅度越大，但是，電壓信號增大的同時，熱噪聲也就越大，輸出電壓幅度與熱噪聲大小成為了一組矛盾。

進(jìn)而言之，硅光二極管的PN結(jié)可以等效出一個小電容，這個電容在較低頻電路中可以忽略，但在頻率稍高的電路中就不能不考慮了。而且，該電容與取樣電阻形成RC充放電回路，RC的大小決定了硅光二極管的響應(yīng)速度。由于硅光二極管工作于反偏狀態(tài)，其輸出阻抗較大，對后級放大電路的設(shè)計提出了更高的要求。因此，必須將后級電路的輸入阻抗設(shè)計的很大，才可能從硅光二極管上獲取較大的有用信號能量。

圖10　硅光二極管等效結(jié)構(gòu)圖

對硅光二極管進(jìn)一步分析，會得到硅光二極管等效結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

由圖10可以看出，一個硅光二極管可以等效為由一個光生電流源、一個小電容和一個大電阻通過并聯(lián)形式組合而成。由PN結(jié)理論，增大加在硅光二極管上的反偏電壓，會拉長PN結(jié)的耗盡區(qū)，拉長耗盡區(qū)的結(jié)果是使結(jié)電容變小。硅光二極管的PN結(jié)本身是用半導(dǎo)體制成的，半導(dǎo)體材料不同于絕緣體材料，因此，硅光二極管在工作在反偏狀態(tài)時，會存在反向漏電流，這是硅光二極管PN結(jié)上存在寄生電阻，該寄生電阻與上述結(jié)電容并聯(lián)在一起，這個電阻的量級一般是100兆歐級[3]。

上述問題的解決辦法之一是采用互阻放大電路，不過采用互阻放大的光電檢測電路可能會需要解決以下兩個問題：

1) 輸出可能會產(chǎn)生較高的暗電流，即使沒有光照輸入的情況下，也會在輸出端產(chǎn)生很大的電壓信號；

2) 輸出電壓值可能一直為零，哪怕有較強(qiáng)的光照輸入的情況下，輸出也為零。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于硅光二極管偏置電流設(shè)置不合理，使得偏置電流的大小與光電流相差不大。理論上，運(yùn)算放大器是完美的，具有無窮大的輸入阻抗，輸出阻抗為零，完全滿足“虛短續(xù)斷”，但在實際生活中，這樣的器件是不存在的。

解決這個問題的方法有如下幾個：

1) 選用電流噪聲較低，電壓噪聲較低的運(yùn)算放大器。實際上，雙極性運(yùn)算放大器的電壓噪聲相對較小，JFET型運(yùn)算放大器電流噪聲相對較小[4]。但是，電壓噪聲與電流噪聲都小的運(yùn)算放大器不較少，而且價格相對較高。因此，需要在電壓噪聲、電流噪聲和器件成本之間折中。

2) 減小運(yùn)算放大器輸入級的引線，在電路中較長的輸入級引線扮演了天線的角色，容易引入空間內(nèi)的噪聲，可以通過在電路中加入去耦電容來減小空間耦合噪聲對光電采集電路和信號處理電路的影響。

6.3器件選擇

在模擬電路設(shè)計中，器件的選擇也是非常重要的[5]。本設(shè)計高速電路部分采用美國德州儀器公司高性能音頻運(yùn)放OPA2134，調(diào)制電路采用寬帶乘法器AD835，音頻采集電路采用WT2000B02 MP3錄音模塊，激光二極管采用650nm近紅外激光二極管，光電檢測器件采用高速硅光二極管BPW34。

7軟件部分

本設(shè)計控制器件采用美國德州儀器公司低功耗單片機(jī)MSP430系列MSP430G2553，該單片機(jī)屬于TI推出的比較成熟的單片機(jī)型號，此處不再贅述。

以下對本設(shè)計采用的MP3編碼解碼模塊進(jìn)行詳細(xì)講解，本設(shè)計中采用的MP3編碼解碼模塊是中國廣州唯創(chuàng)有限公司推出的WT2000B02，此模塊屬3.3V TTL電平接口[6]，可以直接與3.3V MCU連接，應(yīng)用電路圖如圖11所示。

圖11　WT2000B02應(yīng)用電路

選擇WT2000B02 MP3錄音模塊的原因在于：

1) 如上圖所示，該模塊應(yīng)用電路十分簡單；

2) 該模塊支持UART通訊協(xié)議，便于MSP430單片機(jī)控制；

3) 該模塊屬于3.3V TTL電平接口，恰好與MSP430的IO電平匹配，不需要額外添加轉(zhuǎn)換電路；

4) 該模塊體積較小，適合于本設(shè)計；

5) 模塊具有很強(qiáng)大的功能，足夠完成本設(shè)計與之相關(guān)的所有任務(wù)。

以下對改模塊操作編程進(jìn)行詳細(xì)介紹，該模塊支持UART通訊，波特率：9600bps，起始位：0，停止位：1，格式：起始位(1bit)+數(shù)據(jù)位(8bit)+停止位(1bit)。數(shù)據(jù)以字節(jié)方式傳送，低位在先[7]。

以下以“指定文件名播放”命令為例介紹程序代碼結(jié)構(gòu)，在WT2000B02的數(shù)據(jù)手冊里可以查到對應(yīng)的命令格式如圖12。

超始碼長度命令文件名稱(高-低)校驗碼結(jié)束碼7E07A354‘T’30(‘0’)30(‘0’)32(‘2’)90EF

圖12命令格式

其中：“54、30、30、32”分別為T002的ASCLL碼，只有文件名以ASCLL碼的形式存在；以上指令表示指定根目錄下文件名為“T002.MP3“的音頻文件播放。返回碼：00表示開始播放：01表示無此文件。以下為該命令對應(yīng)的程序代碼及其注釋。

函數(shù)名稱：文件名播放；

函數(shù)功能：指定存儲體中根目錄下文件名進(jìn)行播放；

傳入?yún)?shù)：char filename_1,char filename_2,char filename_3,char filename_4；

傳出參數(shù)：執(zhí)行狀態(tài)；

unsigned char filenameplay(char filename_1,char filename_2,char filename_3,char filename_4)

{

unsigned char i=0,temp=0;

unsigned char cmd[9]={0x7e,0x07,0xa3,0x54,0x30,0x30,0x32,0x90,0xef};

cmd[3]=filename_1;//替換原始文件名

cmd[4]=filename_2;

cmd[5]=filename_3;

cmd[6]=filename_4;

for(i=0;i<9;i++)

{

UartPutchar(cmd[i]);//發(fā)送命令

}

temp=UART_DATA;//讀取執(zhí)行狀態(tài)

return temp; //返回執(zhí)行狀態(tài)

}

8音頻傳輸和音頻采集過程

模擬音頻傳輸：設(shè)計音頻調(diào)幅調(diào)制電路，將單一頻率音頻信號(如500Hz或1000Hz)調(diào)制到100kHz的正弦波上，將得到的調(diào)制電壓信號，通過電壓電流轉(zhuǎn)換電路(互導(dǎo)放大器)轉(zhuǎn)換為電流信號，驅(qū)動激光二極管，產(chǎn)生音頻調(diào)制激光信號源。

將硅光二極管接收到的音頻調(diào)制電流信號轉(zhuǎn)換、諧振放大電路等操作，去除其他雜波，再通過解調(diào)，濾波、低頻放大電路，還原出原始音頻信號，進(jìn)行功率放大，推動揚(yáng)聲器，還原音頻信號。

實現(xiàn)音頻采集：在第一階段的基礎(chǔ)上，不斷減小輸入音頻信號的幅度，通過提高光電接收和后級處理電路的性能，解析出原始音頻信號。當(dāng)輸入的音頻信號小到和光杠桿系統(tǒng)得到的有效信號在同一數(shù)量級時，此時的光電接收和后級處理電路即達(dá)到所需要求。此時，將音頻調(diào)幅調(diào)制電路改為100kHz正弦波發(fā)生電路，即可實現(xiàn)非安裝式音頻采集器。

9結(jié)語

本文設(shè)計了一種調(diào)制激光信號采集器，通過控制激光二極管發(fā)射出調(diào)制激光信號，調(diào)制激光信號照射到目標(biāo)物體，然后反射回到接收端；接收端接收到激光信號，通過光電轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過諧振放大，解調(diào)，放大，濾波等電路，解析出目標(biāo)物體上由附近的音頻震動產(chǎn)生的震動信號，從而還原出目標(biāo)物體附近音源，做到非安裝式音頻情報采集。

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中圖分類號TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.038

作者簡介:何冰，男，碩士，講師，研究方向:智能圖像數(shù)據(jù)處理、信息安全。袁衛(wèi)，男，博士，教授，研究方向:信息安全。王洋洋，男，研究方向:單片機(jī)。

基金項目:陜西省教育廳科研計劃項目(編號:14JK1248)；渭南師范學(xué)院第二批特色學(xué)科建設(shè)項目(編號:14TSXK06)；渭南師范學(xué)院科研計劃項目(編號:15YKS010)資助。

*收稿日期:2015年8月15日,修回日期:2015年9月25日