用于音频信号传输的激光通信装置设计

中原工学院理学院 黄永旺 靳文涛 张雪华

本文设计制作出一种传输音频信号的激光通信装置。采用麦克风采集到音频信号后，由单片机对音频信息进行调制，以码分复用的方式对传递的信息进行编码，以高速频闪激光的形式发送出去。在接收端利用单片机将激光接收器接收到的光频信号进行解调并输出。最后将激光通信装置的输入音频信号与输出音频信号的波形进行比对，实现了音频信号的良好传输。

随着时代的发展，传统的电缆载波通信技术在提高通信速率、扩展通信容量等方面受到了诸多限制。而光波具有极高的频率，采用光波作为载波进行通信，能够满足人们对通信系统高速率、大容量的需要（黄海清,利瓦伊民.光通信的发展历程[J].自然辩证法通讯,2010,1:59-64;张成良,韦乐平.光通信技术发展的新趋势[J].电信科学,1999,15:4-6）。激光通信是以激光作为载波进行通信的一种新型通信方式，可分为有线激光通信和无线激光通信两大类。有线激光通信的代表是光纤通信，它具有传输频带宽，保密性好，传输质量佳等优点。无线激光通信则是以激光为信息的载体，在空间中直接传输，属于一种新型的无线通信技术（丁树义.无线光通信技术浅析[J].通信技术,2011,44:36-37）。无线激光通信不仅具备无线电通信的便利性，同时也具备有线激光通信的大通信容量，高速率等绝大部分特点（郝丹,闫柏旭.光纤通信概述[J].中国科技信息,2011,7:112-113）。无线激光通信又可以根据传输媒介的不同分为空间激光通信、大气激光通信、水下激光通信三种（李秀娟.无线激光通信技术的军事应用[J].光学技术,2007,33:106-107）。无线激光通信凭借着传输速率高、方便灵活、保密性好、抗于扰性强等特点脱颖而出，在民用和军用领域得到了广泛的应用。本文设计了一种无线激光通信装置，利用激光二极管，激光接收器，单片机，放大器等电子元件实现音频信号的传输。

图1 激光通信装置发送、接收原理图

1 激光通信装置总体设计方案

该激光通信装置由信号发送和信号接收两部分构成，具有结构简单，抗干扰性强，噪声低等优点，其原理图如图1所示。在音频采集上使用麦克风进行音频信号采集，然后对采集到的模拟信号进行采样与保持，量化与编码调制成数字信号，最后驱动激光传递载有音频信息的信号。在激光接收端利用激光接收器接收载有编码信息的光频信号并转换为数字信号，然后对接收的信号进行解调并将数字信号转换为模拟信号，最后通过音频放大电路将解调后的模拟信号通过扬声器进行输出，还原为音频信号。

图2 STC15W408AS单片机引脚图

2 激光通信装置的电路设计

STC15系列单片机是一款比较成熟的单片机。本文设计中使用的是STC15W408AS，它是一款新一代8051单片机，其引脚图如图2所示。它带有8k字节，1组同步串行通信口，1组异步串行通信口，两个独立串口16引脚，电压范围为2.5V～5.5V，抗干扰能力强，兼容性良好，片内集成有EEPROM（申佳.单片机原理及其应用[J].网友世界,2012,3:49-51）。

图3 发送端电路图

激光通信装置电路图分为发送端和接收端两大模块，如图3和图4所示。发送端主要由音频信号采集电路，激光驱动电路，和单片机调制电路组成。音频信号采集放大电路主要通过直流电源加上1kΩ的电阻驱动麦克风进行工作，然后将采集到的音频信号通过由电容和电阻组成的滤波器进行滤波降噪，然后通过由三极管和电阻组成的同相放大电路进行信号放大，最后将通过放大器放大后的音频信息输入到单片机调制电路中进行调制。激光发射驱动电路主要将单片机调制后的信号通过P3.1串口进行输出，输出信号通过三极管放大电路进行信号放大处理，用以驱动激光器。

图4 接收端电路图

图5 激光通信装置实物图

激光通信装置接收端的电路主要由激光信号接收电路，连接质量显示模块，单片机调制电路和音频放大输出电路构成。首先是通过激光接收器接收激光发送过来的信号，输入到单片机中判端接收质量并通过OLED显示出来，然后利用单片机进行解调输出到音频放大电路上进行输出。激光接受器将接收到的光信号通过以电信号的方式通过P5.5串口输入到单片机中进行解调。单片机解调后的信号通过由1KΩ的电阻和100nF的电容组合成的低通滤波器进行滤波，过滤掉低频噪声，然后通过低通滤波器和由10μF的电容和10KΩ组成的高通滤波器进行高频噪声的过滤。最后通过三极管进行放大输出到扬声器中输出音频信息。连接质量显示模块中，OLED显示屏主要靠STC15W408AS单片机进行驱动控制，通过单片机的内部程序控制OLED显示信息。电子元件的参数也会在实际测试过程中做出进一步的调整。设计的激光通信装置的实物图如图5所示。

3 信号质量显示原理

由于激光的方向性非常高，激光通信装置在远距离进行通信时，发射端与接收端的高精度对接是一个十分困难的问题。为了解决这一问题，在激光通信装置电路上，增加了OLED显示模块，能够在OLED显示屏上像手机信号一样，直接显示出连接质量，以便于在远距离传输音频信号时能够快速找到接收质量最佳的位置。

在这里让激光器以不同于音频信号的编码方式，每秒发送100次固定的编码信号，在激光接收驱动电路程序上附加上相应的检测，计算检查接收到的信号在1秒内是否为100次。如果为接收到的信号为100次每秒，显示出相应的信号为满格，接收质量为100，则该位置为接收质量最佳的位置，如果为接收到的信号为60次每秒，显示出相应的信号图，接收质量为60，则我们需要移动该位置来寻找接收质量最佳的位置。为了避免连接质量不佳时，噪声太大，设置了当连接质量小于一定范围后，音频不对外进行输出。

4 结果分析

由于语音信号的频率错综复杂，高低频都有，在进行信号波形的比对时不易找准比较的波形。在这里利用音频软件Adobe Audition生成频率为500Hz的正弦波基本音频信号作为激光通信装置的输入信号，然后将通过激光通信装置后输出的信号输入Adobe Audition中观察输出波形，并与输入波形进行比对。

图6(a) 500Hz输入正弦波语音信号波形；(b) 500Hz输出语音信号波形

由图6(a)与图6(b)的比较可看出，当输入的语音信号的频率为500Hz时，输出端波形的频率不变，但总体上波形有些许变化，而在实际的音频输出时基本上和原音频保持一致，该激光通信装置成功实现了音频信号的传输。

5 结论

本文中设计的激光通信装置基本上实现了预期的效果，并在实验过程中对电子器件进行了进一步的调整，也对实际的操作中增加了便捷的操作，比如说信号连接质量的可视化。通过音频软件分析，将激光通信装置500Hz的输入音频信号与输出音频信号的波形进行比对，发现装置的输出音频波形与原音频保持一致，在该频率下实现了音频信号的良好传输。