激光通信早已用在國(guó)防上的特殊場(chǎng)合，完成特定的功能。對(duì)中學(xué)物理課而言，利用激光通信做物理實(shí)驗(yàn)，其價(jià)格太高。這里介紹一種用紅外(線)光的語音通信實(shí)驗(yàn)，完全可以模擬激光通信的工作原理，且制作費(fèi)用也很低。通常要對(duì)多路寬帶信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、處理和傳輸。傳統(tǒng)的信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)，采用專用集成電路控制A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路。由于專用集成電路時(shí)鐘頻率低、靈活性差、實(shí)時(shí)性低、傳輸速度慢、通用性差等缺點(diǎn)，難以滿足對(duì)高速寬帶信號(hào)采集和處理的要求。FPGA具有時(shí)鐘頻率高、速度快、采集實(shí)時(shí)性高、控制靈活等特點(diǎn)，與A/D轉(zhuǎn)換器等外圍電路結(jié)合，更適于高速數(shù)字信號(hào)處理。光纖傳輸與電氣傳輸相比，具有傳輸頻帶寬、通信容量大、傳輸損耗低、抗電磁干擾性能強(qiáng)、抗輻射能力強(qiáng)、保密性好、重量輕等特點(diǎn)，在通信領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。

圖1是一種利用紅外光進(jìn)行語音通信實(shí)驗(yàn)的收發(fā)工作原理圖。

  1(b)是光接收的解調(diào)電路，由紅外接收管接收?qǐng)D1(a)的紅外發(fā)射光信號(hào)，該接收信號(hào)根據(jù)圖1(a)發(fā)送端的紅外光強(qiáng)弱而變化。紅外接收管的輸出經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放放大后，加到濾波電路對(duì)調(diào)制的光信號(hào)解調(diào)，其解調(diào)信號(hào)再放大，供后級(jí)語音處理電路工作(或用耳機(jī)收聽或放大后用功放放音)。

圖1(a)中的MIC是語音話筒，只需對(duì)著話筒喊話，話筒的輸出信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放加以放大，放大的語音信號(hào)加到調(diào)制器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再由紅外線發(fā)光二極管發(fā)射已調(diào)制的語音信號(hào)。這里的調(diào)制器是一種脈沖振蕩器，產(chǎn)生對(duì)稱的方波信號(hào)。當(dāng)語音信號(hào)加到該振蕩器的輸入端時(shí)，使方波信號(hào)的占空比隨語音信號(hào)線性變化，從而達(dá)到調(diào)制目的。

  圖

紅外線發(fā)射電路：圖2是紅外線發(fā)射電路，圖中的MIC是一種常用的動(dòng)圈式話筒，其輸出阻抗為20000(高阻動(dòng)圈式話筒)。話筒的輸出加到運(yùn)放IC1的反相端進(jìn)行信號(hào)放大。這里僅用了一級(jí)放大器。為了獲得足夠的增益，其反饋電阻Rf用的很大(可到10MΩ)，所以其運(yùn)放的增益AV=107/2×103=5×103(74dB)。

被放大的語言信號(hào)，經(jīng)R2(100kΩ)送到IC2-1調(diào)制器對(duì)語音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。這里的調(diào)制器，是由CD40106施密特六反相器的一個(gè)反相器IC2-1、外加RC阻容元件組成的。當(dāng)無語音信號(hào)作用時(shí)，IC2-1、R3、R4、C1和VD1組成振蕩器。電路工作時(shí)，IC2-1的輸出端②腳為高電平，電源(+15V)通過R3對(duì)C1進(jìn)行充電，C1上的充電電壓上升，當(dāng)上升的電壓達(dá)到施密特的門限電平時(shí)，IC2-1的②腳轉(zhuǎn)換為0電平，此時(shí)C1通過VD1、R4和IC2-1的②腳進(jìn)行放電，當(dāng)C1放電電壓下降到施密特滯后電壓時(shí)，IC2-1的輸出端又從0電平轉(zhuǎn)換到高電平，C1放電完成后，電源又對(duì)C1充電??如此反復(fù)進(jìn)行，結(jié)果形成振蕩，其波形為對(duì)稱方波。按圖的參數(shù)，振蕩頻率約18kHz。當(dāng)輸入端語音信號(hào)經(jīng)IC1放大再通過R2加到IC2-1的輸入端①腳時(shí)，IC2-1的振蕩器即受到語音信號(hào)調(diào)制，其規(guī)律是語音信號(hào)強(qiáng)度增加，IC2-1振蕩器的脈沖占空比降低;當(dāng)語音信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí)，脈沖占空比增加，結(jié)果振蕩器的占空比隨語言信號(hào)變化而變化，且成比例關(guān)系，達(dá)到調(diào)制目的。該調(diào)制脈沖加到IC2-2(CD40106反相器之一)進(jìn)行緩沖隔離后去激勵(lì)紅外發(fā)光二極管VD2，由它發(fā)射調(diào)制紅外光束。電路中的R5為VD2的限流電阻。

2.紅外接收電路：圖3是紅外線接收和解調(diào)電路，其中VD3是紅外線接收二極管，它接收?qǐng)D

  IC3-1①腳放大的紅外光調(diào)制信號(hào)，加到IC3-2反相輸入端⑥腳再進(jìn)行放大，放大增益=R9/R8，經(jīng)具體推算，為40dB或100倍。IC3-2⑦腳輸出的紅外光調(diào)制信號(hào)加到由R10、C4組成的低通濾波器(僅一級(jí))濾除載波(18kHz)信號(hào)，從而解調(diào)出語音信號(hào)。該語音信號(hào)仍然較弱，應(yīng)進(jìn)行一般的音頻放大后，用耳機(jī)收聽或由音響放音。

  2中VD2發(fā)射的紅外線。發(fā)射和接收時(shí)，若在空曠區(qū)域，VD2與VD3盡可能在一直線上;在室內(nèi)，VD3也可接收門窗、壁面VD2的反射信號(hào)。VD3的接收信號(hào)加到運(yùn)放IC3-1的反相端②腳被放大，調(diào)節(jié)反饋電阻R7可以改變運(yùn)放IC3-1的增益。這里，VD3的分布電容、運(yùn)放IC3-1的輸入電容和電阻R7構(gòu)成低通濾波器，該濾波器限制了輸入電路的頻率響應(yīng)。

3.其它：圖2、圖3電路是紅外線語音通信的基本電路，該電路的接收距離僅幾米遠(yuǎn)，為了增大接收距離，應(yīng)增加圖2電路的發(fā)射能量，如圖4所示。

 只要增加一級(jí)簡(jiǎn)單的功率放大器，同時(shí)推動(dòng)7支紅外發(fā)射管(或更多的)，即可增大發(fā)射能量、擴(kuò)大接收距離。為了減輕IC2-2的輸出激勵(lì)信號(hào)，可以將未級(jí)用的CD40106斯米特觸發(fā)器并聯(lián)使用。

光纖傳輸系統(tǒng)是以光波為信息載體、光纖為傳輸媒介，用光來傳輸信息的傳輸系統(tǒng)。光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，發(fā)送端主要由A/D采集、FPGA數(shù)據(jù)預(yù)處理、光纖發(fā)送模塊組成；接收端主要由光纖接收模塊、FPGA數(shù)據(jù)后處理、D/A轉(zhuǎn)換模塊組成。兩者通過光纖進(jìn)行通訊。

圖1 光纖傳輸系統(tǒng)總體框圖

　在發(fā)送端，先將外部輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，再通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入FPGA進(jìn)行處理。根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸以及通信協(xié)議的要求，FPGA將預(yù)處理后的A/D數(shù)進(jìn)行編碼、成幀。然后由FPGA內(nèi)部的IP核進(jìn)行并串轉(zhuǎn)換，最后由光收發(fā)模塊完成電光轉(zhuǎn)換后，通過光纖發(fā)送出去。

  高速數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，具有信號(hào)傳輸誤碼率低、系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，由于實(shí)際需要，系統(tǒng)在接收端采用TLK1501,這就限制了光纖傳輸?shù)乃俾?，若采?/span>FPGA內(nèi)部的光纖收發(fā)模塊，則可進(jìn)一步提高傳輸速率。在接收端，光收發(fā)器模塊將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，完成高速串行數(shù)據(jù)到并行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；然后，將轉(zhuǎn)換后的并行數(shù)據(jù)送入FPG A,FPGA完成信號(hào)的解幀、解碼，并進(jìn)行后處理，該過程是發(fā)送端的逆過程。最后，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)恢復(fù)成模擬信號(hào)。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的成品紅外線耳機(jī)收發(fā)裝置，其用途是家庭收看電視時(shí)，為了不影響他人工作，電視的伴音輸出不通過機(jī)內(nèi)揚(yáng)聲器，而把音頻信號(hào)直接加在類似本文所述的紅外發(fā)射、接收裝置上，用耳機(jī)收聽電視的伴音信號(hào)，其室內(nèi)效果較為理想。

紅外線耳機(jī) 紅外接收電路 紅外發(fā)射 紅外線

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