用于音頻信號傳輸的激光通信裝置設計

中原工學院理學院 黃永旺 靳文濤 張雪華

本文設計制作出一種傳輸音頻信號的激光通信裝置。采用麥克風采集到音頻信號后，由單片機對音頻信息進行調制，以碼分復用的方式對傳遞的信息進行編碼，以高速頻閃激光的形式發送出去。在接收端利用單片機將激光接收器接收到的光頻信號進行解調并輸出。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行比對，實現了音頻信號的良好傳輸。

隨著時代的發展，傳統的電纜載波通信技術在提高通信速率、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行通信，能夠滿足人們對通信系統高速率、大容量的需要（黃海清,利瓦伊民.光通信的發展歷程[J].自然辯證法通訊,2010,1:59-64;張成良,韋樂平.光通信技術發展的新趨勢[J].電信科學,1999,15:4-6）。激光通信是以激光作為載波進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，傳輸質量佳等優點。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（丁樹義.無線光通信技術淺析[J].通信技術,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.無線激光通信技術的軍事應用[J].光學技術,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，在民用和軍用領域得到了廣泛的應用。本文設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音頻信號的傳輸。

圖1 激光通信裝置發送、接收原理圖

1 激光通信裝置總體設計方案

該激光通信裝置由信號發送和信號接收兩部分構成，具有結構簡單，抗干擾性強，噪聲低等優點，其原理圖如圖1所示。在音頻采集上使用麥克風進行音頻信號采集，然后對采集到的模擬信號進行采樣與保持，量化與編碼調制成數字信號，最后驅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換為數字信號，然后對接收的信號進行解調并將數字信號轉換為模擬信號，最后通過音頻放大電路將解調后的模擬信號通過揚聲器進行輸出，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計

STC15系列單片機是一款比較成熟的單片機。本文設計中使用的是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，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，片內集成有EEPROM（申佳.單片機原理及其應用[J].網友世界,2012,3:49-51）。

圖3 發送端電路圖

激光通信裝置電路圖分為發送端和接收端兩大模塊，如圖3和圖4所示。發送端主要由音頻信號采集電路，激光驅動電路，和單片機調制電路組成。音頻信號采集放大電路主要通過直流電源加上1kΩ的電阻驅動麥克風進行工作，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制電路中進行調制。激光發射驅動電路主要將單片機調制后的信號通過P3.1串口進行輸出，輸出信號通過三極管放大電路進行信號放大處理，用以驅動激光器。

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，連接質量顯示模塊，單片機調制電路和音頻放大輸出電路構成。首先是通過激光接收器接收激光發送過來的信號，輸入到單片機中判端接收質量并通過OLED顯示出來，然后利用單片機進行解調輸出到音頻放大電路上進行輸出。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行解調。單片機解調后的信號通過由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行高頻噪聲的過濾。最后通過三極管進行放大輸出到揚聲器中輸出音頻信息。連接質量顯示模塊中，OLED顯示屏主要靠STC15W408AS單片機進行驅動控制，通過單片機的內部程序控制OLED顯示信息。電子元件的參數也會在實際測試過程中做出進一步的調整。設計的激光通信裝置的實物圖如圖5所示。

3 信號質量顯示原理

由于激光的方向性非常高，激光通信裝置在遠距離進行通信時，發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，直接顯示出連接質量，以便于在遠距離傳輸音頻信號時能夠快速找到接收質量最佳的位置。

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

4 結果分析

由于語音信號的頻率錯綜復雜，高低頻都有，在進行信號波形的比對時不易找準比較的波形。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了音頻信號的傳輸。

5 結論

本文中設計的激光通信裝置基本上實現了預期的效果，并在實驗過程中對電子器件進行了進一步的調整，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行比對，發現裝置的輸出音頻波形與原音頻保持一致，在該頻率下實現了音頻信號的良好傳輸。