用于音頻信號傳輸?shù)募す馔ㄐ叛b置設(shè)計

中原工學(xué)院理學(xué)院 黃永旺 靳文濤 張雪華

本文設(shè)計制作出一種傳輸音頻信號的激光通信裝置。采用麥克風(fēng)采集到音頻信號后，由單片機對音頻信息進(jìn)行調(diào)制，以碼分復(fù)用的方式對傳遞的信息進(jìn)行編碼，以高速頻閃激光的形式發(fā)送出去。在接收端利用單片機將激光接收器接收到的光頻信號進(jìn)行解調(diào)并輸出。最后將激光通信裝置的輸入音頻信號與輸出音頻信號的波形進(jìn)行比對，實現(xiàn)了音頻信號的良好傳輸。

隨著時代的發(fā)展，傳統(tǒng)的電纜載波通信技術(shù)在提高通信速率、擴展通信容量等方面受到了諸多限制。而光波具有極高的頻率，采用光波作為載波進(jìn)行通信，能夠滿足人們對通信系統(tǒng)高速率、大容量的需要（黃海清,利瓦伊民.光通信的發(fā)展歷程[J].自然辯證法通訊,2010,1:59-64;張成良,韋樂平.光通信技術(shù)發(fā)展的新趨勢[J].電信科學(xué),1999,15:4-6）。激光通信是以激光作為載波進(jìn)行通信的一種新型通信方式，可分為有線激光通信和無線激光通信兩大類。有線激光通信的代表是光纖通信，它具有傳輸頻帶寬，保密性好，傳輸質(zhì)量佳等優(yōu)點。無線激光通信則是以激光為信息的載體，在空間中直接傳輸，屬于一種新型的無線通信技術(shù)（丁樹義.無線光通信技術(shù)淺析[J].通信技術(shù),2011,44:36-37）。無線激光通信不僅具備無線電通信的便利性，同時也具備有線激光通信的大通信容量，高速率等絕大部分特點（郝丹,閆柏旭.光纖通信概述[J].中國科技信息,2011,7:112-113）。無線激光通信又可以根據(jù)傳輸媒介的不同分為空間激光通信、大氣激光通信、水下激光通信三種（李秀娟.無線激光通信技術(shù)的軍事應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù),2007,33:106-107）。無線激光通信憑借著傳輸速率高、方便靈活、保密性好、抗于擾性強等特點脫穎而出，在民用和軍用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文設(shè)計了一種無線激光通信裝置，利用激光二極管，激光接收器，單片機，放大器等電子元件實現(xiàn)音頻信號的傳輸。

圖1 激光通信裝置發(fā)送、接收原理圖

1 激光通信裝置總體設(shè)計方案

該激光通信裝置由信號發(fā)送和信號接收兩部分構(gòu)成，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾性強，噪聲低等優(yōu)點，其原理圖如圖1所示。在音頻采集上使用麥克風(fēng)進(jìn)行音頻信號采集，然后對采集到的模擬信號進(jìn)行采樣與保持，量化與編碼調(diào)制成數(shù)字信號，最后驅(qū)動激光傳遞載有音頻信息的信號。在激光接收端利用激光接收器接收載有編碼信息的光頻信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后對接收的信號進(jìn)行解調(diào)并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，最后通過音頻放大電路將解調(diào)后的模擬信號通過揚聲器進(jìn)行輸出，還原為音頻信號。

圖2 STC15W408AS單片機引腳圖

2 激光通信裝置的電路設(shè)計

STC15系列單片機是一款比較成熟的單片機。本文設(shè)計中使用的是STC15W408AS，它是一款新一代8051單片機，其引腳圖如圖2所示。它帶有8k字節(jié)，1組同步串行通信口，1組異步串行通信口，兩個獨立串口16引腳，電壓范圍為2.5V～5.5V，抗干擾能力強，兼容性良好，片內(nèi)集成有EEPROM（申佳.單片機原理及其應(yīng)用[J].網(wǎng)友世界,2012,3:49-51）。

圖3 發(fā)送端電路圖

激光通信裝置電路圖分為發(fā)送端和接收端兩大模塊，如圖3和圖4所示。發(fā)送端主要由音頻信號采集電路，激光驅(qū)動電路，和單片機調(diào)制電路組成。音頻信號采集放大電路主要通過直流電源加上1kΩ的電阻驅(qū)動麥克風(fēng)進(jìn)行工作，然后將采集到的音頻信號通過由電容和電阻組成的濾波器進(jìn)行濾波降噪，然后通過由三極管和電阻組成的同相放大電路進(jìn)行信號放大，最后將通過放大器放大后的音頻信息輸入到單片機調(diào)制電路中進(jìn)行調(diào)制。激光發(fā)射驅(qū)動電路主要將單片機調(diào)制后的信號通過P3.1串口進(jìn)行輸出，輸出信號通過三極管放大電路進(jìn)行信號放大處理，用以驅(qū)動激光器。

圖4 接收端電路圖

圖5 激光通信裝置實物圖

激光通信裝置接收端的電路主要由激光信號接收電路，連接質(zhì)量顯示模塊，單片機調(diào)制電路和音頻放大輸出電路構(gòu)成。首先是通過激光接收器接收激光發(fā)送過來的信號，輸入到單片機中判端接收質(zhì)量并通過OLED顯示出來，然后利用單片機進(jìn)行解調(diào)輸出到音頻放大電路上進(jìn)行輸出。激光接受器將接收到的光信號通過以電信號的方式通過P5.5串口輸入到單片機中進(jìn)行解調(diào)。單片機解調(diào)后的信號通過由1KΩ的電阻和100nF的電容組合成的低通濾波器進(jìn)行濾波，過濾掉低頻噪聲，然后通過低通濾波器和由10μF的電容和10KΩ組成的高通濾波器進(jìn)行高頻噪聲的過濾。最后通過三極管進(jìn)行放大輸出到揚聲器中輸出音頻信息。連接質(zhì)量顯示模塊中，OLED顯示屏主要靠STC15W408AS單片機進(jìn)行驅(qū)動控制，通過單片機的內(nèi)部程序控制OLED顯示信息。電子元件的參數(shù)也會在實際測試過程中做出進(jìn)一步的調(diào)整。設(shè)計的激光通信裝置的實物圖如圖5所示。

3 信號質(zhì)量顯示原理

由于激光的方向性非常高，激光通信裝置在遠(yuǎn)距離進(jìn)行通信時，發(fā)射端與接收端的高精度對接是一個十分困難的問題。為了解決這一問題，在激光通信裝置電路上，增加了OLED顯示模塊，能夠在OLED顯示屏上像手機信號一樣，直接顯示出連接質(zhì)量，以便于在遠(yuǎn)距離傳輸音頻信號時能夠快速找到接收質(zhì)量最佳的位置。

在這里讓激光器以不同于音頻信號的編碼方式，每秒發(fā)送100次固定的編碼信號，在激光接收驅(qū)動電路程序上附加上相應(yīng)的檢測，計算檢查接收到的信號在1秒內(nèi)是否為100次。如果為接收到的信號為100次每秒，顯示出相應(yīng)的信號為滿格，接收質(zhì)量為100，則該位置為接收質(zhì)量最佳的位置，如果為接收到的信號為60次每秒，顯示出相應(yīng)的信號圖，接收質(zhì)量為60，則我們需要移動該位置來尋找接收質(zhì)量最佳的位置。為了避免連接質(zhì)量不佳時，噪聲太大，設(shè)置了當(dāng)連接質(zhì)量小于一定范圍后，音頻不對外進(jìn)行輸出。

4 結(jié)果分析

由于語音信號的頻率錯綜復(fù)雜，高低頻都有，在進(jìn)行信號波形的比對時不易找準(zhǔn)比較的波形。在這里利用音頻軟件Adobe Audition生成頻率為500Hz的正弦波基本音頻信號作為激光通信裝置的輸入信號，然后將通過激光通信裝置后輸出的信號輸入Adobe Audition中觀察輸出波形，并與輸入波形進(jìn)行比對。

圖6(a) 500Hz輸入正弦波語音信號波形；(b) 500Hz輸出語音信號波形

由圖6(a)與圖6(b)的比較可看出，當(dāng)輸入的語音信號的頻率為500Hz時，輸出端波形的頻率不變，但總體上波形有些許變化，而在實際的音頻輸出時基本上和原音頻保持一致，該激光通信裝置成功實現(xiàn)了音頻信號的傳輸。

5 結(jié)論

本文中設(shè)計的激光通信裝置基本上實現(xiàn)了預(yù)期的效果，并在實驗過程中對電子器件進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)整，也對實際的操作中增加了便捷的操作，比如說信號連接質(zhì)量的可視化。通過音頻軟件分析，將激光通信裝置500Hz的輸入音頻信號與輸出音頻信號的波形進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)裝置的輸出音頻波形與原音頻保持一致，在該頻率下實現(xiàn)了音頻信號的良好傳輸。