一种基于调制激光信号采集器的设计*

何　冰　袁　卫　王洋洋

(1.渭南师范学院物理与电气工程学院　渭南　714099)(2.陕西省X射线检测与应用研究开发中心　渭南　714099)



一种基于调制激光信号采集器的设计*

何冰1,2袁卫1王洋洋1

(1.渭南师范学院物理与电气工程学院渭南714099)(2.陕西省X射线检测与应用研究开发中心渭南714099)

摘要设计了一种基于调制激光的音频采集装置。该装置通过控制激光二极管发射100kHz的调制激光信号，该信号照射到目标物体上，然后反射回接收端；接收端接收到激光信号，然后通过光电转换元件将光信号转换为电信号；此电信号再通过谐振放大，解调，滤波等电路，在目标物体上解析出由附近的音频震动产生的震动信号，从而还原出目标物体附近的音源，这样就可以做到非安装式音频情报采集。

关键词调制激光; 二极管; 解调; 音频采集

A Design of Signal Acquisition Based on Laser Modulation

HE Bing1,2YUAN Wei1WANG Yangyang1

(1. Department of Physics and Electronic Engineering, Weinan Normal University, Weinan714099)

(2. Center of X Ray Detection and Application of Shanxi, Weinan714099)

AbstractAn audio acquisition device based on modulated laser is designed, The device by controlling the laser diode emission 100kHz modulated signal, the signal light the target object and reflected back to receiver. The receiver receives the laser signal and then through the photoelectric devices convert light signals into electrical signals. The electrical signals through a resonant amplofication, demodulation, filter circuit parse out vibration signal that produced by nearby audio of target object. Finally, the audio source of nearby object is recovered and so non mounted audio information collection can be done.

Key Wordslaser diode, diode, demodulation, audio acquisition

Class NumberTP391

1引言

情报采集的途径多种多样，从最初的间谍渗透到现在的各种高科技侦查监听手段。在现代以信息化为主的战争中，高科技的侦查监听设备在战争中的作用也越来越重要。在公安人员对案件调查过程中，为了掌握更为详细的破案线索和搜集证据，把微型无线监听装置放在犯罪嫌疑人经常出没的地方，获取他们谈话内容。诸如此类监听需要无线监听装置具有很好的伪装功能，需要应用各种巧妙的方法与技术。由于激光监听技术不同于普通电磁波监听方式，该种方式具有很好的抗电磁干扰能力。同时，激光监听技术又是一种非安装式的监听方式，因此其在伪装监听方面有独一无二的优势。

2设计功能简介

本设计属于音频信息采集装置。首先由发射装置发射一束调制激光，经过被监视区域(如：窗户玻璃)反射，由硅光电池接收激光回波信号，经过解调、放大、滤波等操作还原出被监视区域的声波信号。功能简介如图1所示。

图1　音频信息采集装置功能说明

3设计原理分析

3.1声波分析

声波属于纵波，在空气中传播时，由于在传播方向上产生振动，将空气压缩排挤为密集区和疏松区，当这些空气在随音频信号振动时，周围的物体也随之振动，这样就在音源附近物体上产生了与音源信号变化规律相同的振动信号。其实这种现象可能我们平时注意不到，但当在打雷时，或户外有巨大响声时，室内的窗户有时会随之产生很大的震动。

如果需要在音源附近镜面或平面物体上产生较大的震动信号，可以通过以下两种方法：第一，增大音源的输出功率，随着音源功率的增大，通过音频传递出的能量就越强，因此，附近物体接收到来自音源的能量也随之提高，震动就越剧烈。第二，当音源功率一定时，如果附近物体的固有频率接近于音源的振动频率，附近的物体会产生共振现象，此时震动幅度也较大。但是针对本设计，第一种增大震动幅度的方法不可取。对于第二种方法，每一个物体的的固有频率不相同，因此要产生共振是比较困难。但是，由于该设计采集的目标音源大多位于室内，在较封闭环境中，更有利于音源的能量传递给平面物体，虽然不能产生共振现象，但平面物体上也可以的到一部分与室内音源变化规律相同的震动信号。

3.2光杠杆原理

图2　卡文迪许扭秤实验装置

在两百多年前(1797年)，卡文迪许采用扭秤测量出了极其微小的万有引力。扭秤的实质是光杠杆放大，在此设计中我们同样也是利用光杠杆原理对微弱的振动信号进行初步放大的，采用光杠杆放大比较方便，且所需装置相对简单。

等比例放大测量是一种比较优越的测量方法，在高中物理课本中多个实验采用了光杠杆放大测量法，也得到了理想的实验结果。例如，桌面形变量的测量实验，桌面的材质和形状决定了其形变量极其微小，若对此微小量进行直接测量，几乎不可能，因此通过搭建光杠杆测量平台，将桌面微小的变化量进行放大，得到一个较大的偏移量，然后通过测量工具直接测量。

图3　光杠杆原理示意图

以下对光杠杆原理进行简要分析：一束激光通过激光发射器发出，通过平面镜反射，在光屏上接收到激光光斑，这样就构成了一个简单的光杠杆，若平面镜旋转很小的角度，光屏上的光斑会有较大的位置偏移量，这样，就将一个微弱的信号进行了放大。

如图3所示，易证：A=2B，随着距离的增加，偏移量增加。这样就将一个很小的震动量转化为一个很大的偏移量，便于后面处理。

4方案论证

4.1方案一：采用非调制激光

直接由稳定的直流电源驱动激光二极管，激光二极管发出恒定强度的激光信号，该激光信号被目标物体反射回接收端，通过光电转换电路将激光信号转化为电压信号，在激光信号被目标物体反射的过程中，激光信号上携带了与目标物体的音频震动信号变化规律相同的信号，再通过滤波电路将该信号解析出来，即可还原出目标物体附近的音频信号。

本方案优点在于电路比较简单，方便初步信号测试时使用；缺点是抗干扰能力太差，实用性不高。

4.2方案二：采用PWM调制激光

由三角波发生电路产生固定频率的三角波，将三角波与输入音频信号通过比较器，比较器输出脉宽变化规律与输入音频变化规律相同的脉宽调制波形，即PWM波。利用该PWM波通过驱动电路控制激光二极管发出与PWM同步且变化规律相同的激光信号。

接收端采用硅光二极管将上述激光信号转化为电流信号，通过电流电压转换电路，低通滤波电路，解析出原始音频信号。

本方案优点在于相对于方案一，抗干扰能力有很大提高；缺点在与该方案中采用的PWM波为多次谐波，由较高的频率分量，对于光电器件，由于PN结的电容效应，不适合传输较高频率的信号。

4.3方案三：采用调幅调制激光

此种方案类似于调幅调制(AM)的收音机工作原理[8]，区别之处在于收音机采用无线电波，而此种方案采用可见光或红外激光，由于载体不同也决定了信号传输方式的不同，调幅调制激光具有很好的定向性。与调幅调制收音机相同，此种方案需要将有用信号通过调幅方式调制在载波上，进行放大、发射、接收、解调、滤波等操作后还原出原始信号。

本方案优点在于相对方案一有较强的抗干扰能力，相对方案二不需要光电器件传输较高频率的信号；缺点在于此方案电路复杂，调试难度大。

5技术难点分析

5.1单电源供电问题

本设计由于应用场合要求，需采用单电源供电，采用9V单电源供电。但是，在整个系统设计中需要对模拟信号进行处理，需要用到多种运算放大器，常用的运算放大器需要双电源供电，出现矛盾。

对于此问题以下举例说明解决办法，如图4(a)所示为反向放大电路，对其供电需要+/-5V电源。如果采用如图4(b)电路，则可解决双电源供电问题，对该供电方式进行简要分析，由于R22接在运算放大器的同向输入端，由于运算放大器工作于放大状态，可以使用“虚断”，这样通过R22的电流很小，运算放大器同向端只需要提供一个参考电压，因此用电阻串联分压电路可以满足要求。

图4　单电源供电与双电源供电比较

5.2微弱信号的放大

本设计中，被测音频信号本身较小，再加之通过感知音源附近物体上的振动信号来采集有效音频信号。足可以看出被测信号的微弱，虽然在本设计中巧妙地采用了光杠杆原理进行放大，但仍需要对光电采集电路和后级信号处理电路的设计重视，因此本部分的设计需要渗透于设计的各个电路。

5.3非线性器件问题

激光二极管和硅光二极管都属于半导体器件，半导体器件的非线性性也是模拟电路设计中令人头痛的问题。本设计中，通过使用互阻放大电路和互导放大电路，尽可能将半导体器件的非线性造成的影响降到最低。

5.4光电传感器频率响应问题

在设计过程中，通过器件选型和方案设计两方面尽量避免该问题产生的影响。光电传感器采用速度较高，成本合理的硅光二极管BWP34；方案设计时，摒弃了需要传输较高频率信号的PWM调制方式，选择了调幅调制方式。

6硬件部分

6.1总体组成

本设计由模拟部分和数字部分组成。模拟部分主要由100kHz信号发生电路、互导放大电路、光电转换电路、谐振放大电路、解调电路和滤波电路等构成。数字部分主要由音频采集电路、单片机主控电路等构成，总体构成如图5所示。

图5　电路总体组成

6.2局部电路分析

6.2.1载波信号发生电路

本设计中信号发生电路采用带稳幅电路的RC振荡电路，如图6所示，C5-C8-R6-R7-R8-R13组成选频网络，稳幅采用二极管D1和D2的非线性特性，当信号幅度输出较大时，二极管导通，负反馈增大；当信号幅度输出较小时，二极管截止，负反馈增大，达到输出信号稳幅目的。

6.2.2互导放大电路

激光二极管属于非线性器件，且发光强度与正向电流成正比，因此，在此采用互阻放大电路[1]。利用互阻放大电路将前级信号发生电路产生的100kHz正弦波电压信号转化为激光二极管上的相同变化规律的电流信号，从而驱动激光二极管发出强度随100kHz正弦波变化的激光信号[2]。

图6　带稳幅电路的RC振荡电路

图7　互阻放大电路

6.2.3互阻放大电路

图8　互阻放大电路

与激光二极管相同，硅光二极管也属于非线性器件，同时，在回路中，硅光二极管形成的光电流与光强成正比，因此，此处采用互阻放大器将硅光二极管产生的光电流转化为电压信号，以便后续处理。因为激光二极管发出的激光强度是随100kHz正弦波变化的，所以硅光二极管形成的光电流也是按照相同规律变化的，经过互阻放大电路后，产生的电压信号也具有相同的变化规律。

在本设计中，该电路较为重要，因此，以下对该电路设计进行详细阐述。此处的硅光二极管，指的是将光功率转化为电流的光电转换器件。有人认为硅光二极管的应用很简单，将硅光二极管的输出电流通过两个电阻进行取样，就得到了对应变化规律电压信号，如图9所示。

图9　硅光二极管工作电路

事实上，光电转换电路的设计并非这么简单。图9的硅光二极管工作电路可能会产生暗电流，也就是说在没有光强输入的情况下会产生一个存在微小波动量的电流。除此之外，图9中由于硅光二极管二极管处于反偏状态，必然需要较大的取样电阻，这样取样电阻会产生不容忽视的热噪声。当光生电流一定时，取样电阻的阻值越大，输出的电压信号幅度越大，但是，电压信号增大的同时，热噪声也就越大，输出电压幅度与热噪声大小成为了一组矛盾。

进而言之，硅光二极管的PN结可以等效出一个小电容，这个电容在较低频电路中可以忽略，但在频率稍高的电路中就不能不考虑了。而且，该电容与取样电阻形成RC充放电回路，RC的大小决定了硅光二极管的响应速度。由于硅光二极管工作于反偏状态，其输出阻抗较大，对后级放大电路的设计提出了更高的要求。因此，必须将后级电路的输入阻抗设计的很大，才可能从硅光二极管上获取较大的有用信号能量。

图10　硅光二极管等效结构图

对硅光二极管进一步分析，会得到硅光二极管等效结构图如图10所示。

由图10可以看出，一个硅光二极管可以等效为由一个光生电流源、一个小电容和一个大电阻通过并联形式组合而成。由PN结理论，增大加在硅光二极管上的反偏电压，会拉长PN结的耗尽区，拉长耗尽区的结果是使结电容变小。硅光二极管的PN结本身是用半导体制成的，半导体材料不同于绝缘体材料，因此，硅光二极管在工作在反偏状态时，会存在反向漏电流，这是硅光二极管PN结上存在寄生电阻，该寄生电阻与上述结电容并联在一起，这个电阻的量级一般是100兆欧级[3]。

上述问题的解决办法之一是采用互阻放大电路，不过采用互阻放大的光电检测电路可能会需要解决以下两个问题：

1) 输出可能会产生较高的暗电流，即使没有光照输入的情况下，也会在输出端产生很大的电压信号；

2) 输出电压值可能一直为零，哪怕有较强的光照输入的情况下，输出也为零。产生该现象的原因在于硅光二极管偏置电流设置不合理，使得偏置电流的大小与光电流相差不大。理论上，运算放大器是完美的，具有无穷大的输入阻抗，输出阻抗为零，完全满足“虚短续断”，但在实际生活中，这样的器件是不存在的。

解决这个问题的方法有如下几个：

1) 选用电流噪声较低，电压噪声较低的运算放大器。实际上，双极性运算放大器的电压噪声相对较小，JFET型运算放大器电流噪声相对较小[4]。但是，电压噪声与电流噪声都小的运算放大器不较少，而且价格相对较高。因此，需要在电压噪声、电流噪声和器件成本之间折中。

2) 减小运算放大器输入级的引线，在电路中较长的输入级引线扮演了天线的角色，容易引入空间内的噪声，可以通过在电路中加入去耦电容来减小空间耦合噪声对光电采集电路和信号处理电路的影响。

6.3器件选择

在模拟电路设计中，器件的选择也是非常重要的[5]。本设计高速电路部分采用美国德州仪器公司高性能音频运放OPA2134，调制电路采用宽带乘法器AD835，音频采集电路采用WT2000B02 MP3录音模块，激光二极管采用650nm近红外激光二极管，光电检测器件采用高速硅光二极管BPW34。

7软件部分

本设计控制器件采用美国德州仪器公司低功耗单片机MSP430系列MSP430G2553，该单片机属于TI推出的比较成熟的单片机型号，此处不再赘述。

以下对本设计采用的MP3编码解码模块进行详细讲解，本设计中采用的MP3编码解码模块是中国广州唯创有限公司推出的WT2000B02，此模块属3.3V TTL电平接口[6]，可以直接与3.3V MCU连接，应用电路图如图11所示。

图11　WT2000B02应用电路

选择WT2000B02 MP3录音模块的原因在于：

1) 如上图所示，该模块应用电路十分简单；

2) 该模块支持UART通讯协议，便于MSP430单片机控制；

3) 该模块属于3.3V TTL电平接口，恰好与MSP430的IO电平匹配，不需要额外添加转换电路；

4) 该模块体积较小，适合于本设计；

5) 模块具有很强大的功能，足够完成本设计与之相关的所有任务。

以下对改模块操作编程进行详细介绍，该模块支持UART通讯，波特率：9600bps，起始位：0，停止位：1，格式：起始位(1bit)+数据位(8bit)+停止位(1bit)。数据以字节方式传送，低位在先[7]。

以下以“指定文件名播放”命令为例介绍程序代码结构，在WT2000B02的数据手册里可以查到对应的命令格式如图12。

超始码长度命令文件名称(高-低)校验码结束码7E07A354‘T’30(‘0’)30(‘0’)32(‘2’)90EF

图12命令格式

其中：“54、30、30、32”分别为T002的ASCLL码，只有文件名以ASCLL码的形式存在；以上指令表示指定根目录下文件名为“T002.MP3“的音频文件播放。返回码：00表示开始播放：01表示无此文件。以下为该命令对应的程序代码及其注释。

函数名称：文件名播放；

函数功能：指定存储体中根目录下文件名进行播放；

传入参数：char filename_1,char filename_2,char filename_3,char filename_4；

传出参数：执行状态；

unsigned char filenameplay(char filename_1,char filename_2,char filename_3,char filename_4)

{

unsigned char i=0,temp=0;

unsigned char cmd[9]={0x7e,0x07,0xa3,0x54,0x30,0x30,0x32,0x90,0xef};

cmd[3]=filename_1;//替换原始文件名

cmd[4]=filename_2;

cmd[5]=filename_3;

cmd[6]=filename_4;

for(i=0;i<9;i++)

{

UartPutchar(cmd[i]);//发送命令

}

temp=UART_DATA;//读取执行状态

return temp; //返回执行状态

}

8音频传输和音频采集过程

模拟音频传输：设计音频调幅调制电路，将单一频率音频信号(如500Hz或1000Hz)调制到100kHz的正弦波上，将得到的调制电压信号，通过电压电流转换电路(互导放大器)转换为电流信号，驱动激光二极管，产生音频调制激光信号源。

将硅光二极管接收到的音频调制电流信号转换、谐振放大电路等操作，去除其他杂波，再通过解调，滤波、低频放大电路，还原出原始音频信号，进行功率放大，推动扬声器，还原音频信号。

实现音频采集：在第一阶段的基础上，不断减小输入音频信号的幅度，通过提高光电接收和后级处理电路的性能，解析出原始音频信号。当输入的音频信号小到和光杠杆系统得到的有效信号在同一数量级时，此时的光电接收和后级处理电路即达到所需要求。此时，将音频调幅调制电路改为100kHz正弦波发生电路，即可实现非安装式音频采集器。

9结语

本文设计了一种调制激光信号采集器，通过控制激光二极管发射出调制激光信号，调制激光信号照射到目标物体，然后反射回到接收端；接收端接收到激光信号，通过光电转换元件将光信号转换为电信号，通过谐振放大，解调，放大，滤波等电路，解析出目标物体上由附近的音频震动产生的震动信号，从而还原出目标物体附近音源，做到非安装式音频情报采集。

参 考 文 献

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中图分类号TP391

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.02.038

作者简介:何冰，男，硕士，讲师，研究方向:智能图像数据处理、信息安全。袁卫，男，博士，教授，研究方向:信息安全。王洋洋，男，研究方向:单片机。

基金项目:陕西省教育厅科研计划项目(编号:14JK1248)；渭南师范学院第二批特色学科建设项目(编号:14TSXK06)；渭南师范学院科研计划项目(编号:15YKS010)资助。

*收稿日期:2015年8月15日,修回日期:2015年9月25日