基于PSD的激光語音還原系統設計

王彥強 李登輝 錢惠國 沈建國

【摘要】設計了一種基于一維PSD位置傳感器的激光語音還原系統，通過硬件處理，降低了系統的噪聲，獲得了高品質的語音信號。實驗表明，該系統可清晰地還原出距聲源10m外強度為60dB的原始語音信號。

【關鍵詞】一維PSD傳感器;激光語音還原;降噪

1.引言

激光具有方向性好、相干性好及亮度高等特點[1]，很適宜作為攜帶信息的載體。較傳統的電子偵聽手段，激光監聽具有隱密性好、不留痕跡、無需靠近目標、不易受電磁干擾等優點，將在未來國家安防等領域起重大作用[2]。另外，PSD位置傳感器具有分辨率高、響應速度快、對光源及光學系統的要求比較低、光譜響應比較寬等優點而被廣泛應用于激光的監控（對準、位移、振動）、平面度檢測、傾斜度的檢測和二維位置的檢測等[3]。本文采用一維PSD傳感器作為光接收器設計了激光語音還原系統，降低系統噪聲，清晰地還原出原始語音。

2.系統總體設計

如圖1所示，在屋外較遠處用紅外激光器發出準直性好、發散角小的一束激光，打在屋子窗戶或其他易受聲壓作用產生振動的物體上。當聲源發聲時，物體受聲壓作用振動，引起反射回來的激光束振動，于是屋內聲源信息便托載在反射激光束上。

圖1 激光語音還原系統框圖 ? ?圖2 PSD位置信號獲取框圖

因此，只要對該微弱的振動信號（對應PSD傳感器的位置）做一處理，便可得到我們所需的語音信息。由于該信號比較微弱，噪聲影響大，需要設計硬件電路降低噪聲。同時也可利用計算機自帶的聲卡將之采集進計算機，通過編寫基于MATLAB的程序，方便進一步處降噪、存儲、回放等。

3.一維PSD原理及處理電路

PSD是一種基于橫向光電效應的非分割型位置傳感器件，它可將光敏面上的光點位置信號轉化為電信號。將PSD兩個信號電極的輸出電流作如下處理：

（1）

則得到的結果只與入射光點的位置坐標有關，而與入射光強度無關，此時PSD就成為僅對入射光點位置敏感的器件。稱為一維PSD的位置輸出信號，檢測原理如圖2所示。

4.硬件電路設計

4.1 I-V轉換、求和電路設計

由于PSD輸出光電流很微弱，因此要選用低輸入失調電流、低溫票的運放，且帶寬較寬。綜合考慮，選用美國AD公司的OP271EZ運放。相對PSD輸出的幾微安的電流，OP271EZ的4nA的輸入失調電流僅，引起千分之幾的誤差，其溫漂為0.4μV/℃，帶寬增益積為5MHz，均滿足要求。設計的前置放大電路設計如圖3所示，反饋電阻R1為 47KHz，輸出關系為：

（2）

其中表示PSD一只引腳的輸出光電流，同理。為消除高頻噪聲及防止高頻自激，在反饋電阻R1兩端并聯一個陶瓷電容C1，大小為50pf，截止頻率：

（3）

求和電路采用目前比較常用的反相求和運算電路來實現，如圖4所示。其輸出關系：

（4）

圖3 前置放大電路（I/V轉換） ? ? ? ?圖4 反相求和運算電路

4.2 求差、除法電路設計

減法、除法電路選用AD公司的數據處理器AD734芯片來完成。AD734是一種高性能的模擬乘法/除法器，滿量程帶寬為10MHz，其內部已包含減法單元、加法單元、除法單元，因此不需要另外設置求差電路，這給電路設計帶來了方便。基于此，設計了如圖5所示的電路，電路輸出為：

（5）

其中，代表的是和信號，在實驗過程中其符號不會改變。

圖5 AD734構成的減除法電路圖 ? ? ? ? ?圖7 雙T型陷波器

圖6 二階巴特沃斯帶通濾波電路

4.3 濾波電路設計

本文關注的音頻信號主要集中在300Hz～3400Hz之間，因此可設計帶通濾波器降低系統帶外噪聲。如圖6，采用優化的濾波器設計方法，電阻電容參數容易確定[5]，并可以方便地按需調整。上、下限截至頻率分別為：

（6）

此外，為了抑制抑制50Hz工頻干擾信號，設計了雙T型陷波器如圖7，其電壓放大倍數和品質因素分別為：

（7）

5.實驗結果

實驗時，將音箱放在貼有反射鏡的盒子內，激光束打在發射鏡上反射回來后照射在一維PSD傳感器光敏面上。當距離約10m時，通過示波器觀察到還原后的語音信號波形如圖8所示，其中圖8（a）表示800Hz的單頻率音頻信號波形，圖8（b）表示還原出的一串英文字母的波形。經測定，聲音強度均為60dB左右。結果表明，設計的“基于PSD的激光語音還原系統”方案切實可行。此外，采用鎖相放大技術或調制解調的方法處理PSD信號以及采用DSP數字信號處理芯片處理語音信號，將大大提高系統信噪比，這將是筆者后續改進的方向。

圖8 實驗結果

參考文獻

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浙江師范大學國家級大學生創新創業活動計劃項目資助（項目編號：201310345008）。