红外光语音通信实验1.doc

红外光语音通信实验
激光通信早已用在国防上的特殊场合，完成特定的功能。对中学物理课而言，利用激光通信做物理实验，其价格太高。这里介绍一种用红外(线)光的语音通信实验，完全可以模拟激光通信的工作原理，且制作费用也很低。通常要对多路宽带信号进行实时采集、处理和传输。传统的信号采集传输系统，采用专用集成电路控制A/D转换器等外围电路。由于专用集成电路时钟频率低、灵活性差、实时性低、传输速度慢、通用性差等缺点，难以满足对高速宽带信号采集和处理的要求。FPGA具有时钟频率高、速度快、采集实时性高、控制灵活等特点，与A/D转换器等外围电路结合，更适于高速数字信号处理。光纤传输与电气传输相比，具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、抗电磁干扰性能强、抗辐射能力强、保密性好、重量轻等特点，在通信领域被广泛应用。
图1是一种利用红外光进行语音通信实验的收发工作原理图。

图1(a)中的MIC是语音话筒，只需对着话筒喊话，话筒的输出信号经过运放加以放大，放大的语音信号加到调制器对语音信号进行调制，再由红外线发光二极管发射已调制的语音信号。这里的调制器是一种脉冲振荡器，产生对称的方波信号。当语音信号加到该振荡器的输入端时，使方波信号的占空比随语音信号线性变化，从而达到调制目的。
图1(b)是光接收的解调电路，由红外接收管接收图1(a)的红外发射光信号，该接收信号根据图1(a)发送端的红外光强弱而变化。红外接收管的输出经两级运放放大后，加到滤波电路对调制的光信号解调，其解调信号再放大，供后级语音处理电路工作(或用耳机收听或放大后用功放放音)。

1.红外线发射电路：图2是红外线发射电路，图中的MIC是一种常用的动圈式话筒，其输出阻抗为20000(高阻动圈式话筒)。话筒的输出加到运放IC1的反相端进行信号放大。这里仅用了一级放大器。为了获得足够的增益，其反馈电阻Rf用的很大(可到10MΩ)，所以其运放的增益AV=107/2×103=5×103(74dB)。
被放大的语言信号，经R2(100kΩ)送到IC2-1调制器对语音信号进行调制。这里的调制器，是由CD40106施密特六反相器的一个反相器IC2-1、外加RC阻容元件组成的。当无语音信号作用时，IC2-1、R3、R4、C1和VD1组成振荡器。电路工作时，IC2-1的输出端②脚为高电平，电源(+15V)通过R3对C1进行充电，C1上的充电电压上升，当上升的电压达到施密特的门限电平时，IC2-1的②脚转换为0电平，此时C1通过VD1、R4和IC2-1的②脚进行放电，当C1放电电压下降到施密特滞后电压时，IC2-1的输出端又从0电平转换到高电平，C1放电完成后，电源又对C1充电??如此反复进行，结果形成振荡，其波形为对称方波。按图的参数，振荡频率约18kHz。当输入端语音信号经IC1放大再通过R2加到IC2-1的输入端①脚时，IC2-1的振荡器即受到语音信号调制，其规律是语音信号强度增加，IC2-1振荡器的脉冲占空比降低;当语音信号强度降低时，脉冲占空比增加，结果振荡器的占空比随语言信号变化而变化，且成比例关系，达到调制目的。该调制脉冲加到IC2-2(CD40106反相器之一)进行缓冲隔离后去激励红外发光二极管VD2，由它发射调制红外光束。电路中的R5为VD2的限流电阻。
2.红外接收电路：图3是红外线接收和解调电路，其中VD3是红外线接收二极管，它接收图

2中VD2发射的红外线。发射和接收时，若在空旷区域，VD2与VD3尽可能在一直线上;在室内，VD3也可接收门窗、壁面VD2的反射信号。VD3的接收信号加到运放IC3-1的反相端②脚被放大，调节反馈电阻R7可以改变运放IC3-1的增益。这里，VD3的分布电容、运放IC3-1的输入电容和电阻R7构成低通滤波器，该滤波器限制了输入电路的频率响应。
IC3-1①脚放大的红外光调制信号，加到IC3-2反相输入端⑥脚再进行放大，放大增益=R9/R8，经具体推算，为40dB或100倍。IC3-2⑦脚输出的红外光调制信号加到由R10、C4组成的低通滤波器(仅一级)滤除载波(18kHz)信号，从而解调出语音信号。该语音信号仍然较弱，应进行一般的音频放大后，用耳机收听或由音响放音。
3.其它：图2、图3电路是红外线语音通信的基本电路，该电路的接收距离仅几米远，为了增大接收距离，应增加图2电路的发射能量，如图4所示。

只要增加一级简单的功率放大器，同时推动7支红外发射管(或更多的)，即可增大发射能量、扩大接收距离。为了减轻IC2-2的输出激励信号，可以将未级用的CD40106斯米特触发器并联使用。
另外，为了白天收发红外发射信号，防止背景的环境光，收发管均应放在深色塑料罩内工作。制作图2、图3收发电路时，图2中的反馈电阻Rf和图3中的R7均可根据实际的收发情况加以调整，以满足接收效果，特别是采用了图4的发射电路后，更应调整Rf和R7的两个反馈电阻。
光纤传输系统是以光波为信息载体、光纤为传输媒介，用光来传输信息的传输系统。光纤传输系统总体框图如图1所示，发送端主要由A/D采集、FPGA数据预处理、光纤发送模块组成；接收端主要由光纤接收模块、FPGA数据后处理、D/A转换模块组成。两者通过光纤进行通讯。

图1 光纤传输系统总体框图
　　在发送端，先将外部输入的模拟信号进行预处理，再通过A/D转换器转化为数字信号送入FPGA进行处理。根据数据传输以及通信协议的要求，FPGA将预处理后的A/D数据进行编码、成帧。然后由FPGA内部的IP核进行并串转换，最后由光收发模块完成电光转换后，通过光纤发送出去。
　　高速数字信号的实时传输，具有信号传输误码率低、系统工作性能稳定、抗干扰性强的优点，由于实际需要，系统在接收端采用TLK1501,这就限制了光纤传输的速率，若采用FPGA内部的光纤收发模块，则可进一步提高传输速率。在接收端，光收发器模块将接收到的光信号转化为电信号，完成高速串行数据到并行数据的转换；然后，将转换后的并行数据送入FPG A,FPGA完成信号的解帧、解码，并进行后处理，该过程是发送端的逆过程。最后，经D/A转换器将接收到的数据恢复成模拟信号。
现在市场上已有的成品红外线耳机收发装置，其用途是家庭收看电视时，为了不影响他人工作，电视的伴音输出不通过机内扬声器，而把音频信号直接加在类似本文所述的红外线发射、接收装置上，用耳机收听电视的伴音信号，其室内效果较为理想。