紅外無線語音教學系統應用研究

【摘要】紅外無線語音教學系統利用紅外光為信號載體，抗干擾性強，背景噪聲低，質量穩定，節省廣電頻率資源，當前在學校廣泛用于紅外擴音、外語聽力播音，以及構建紅外語言實驗室等。紅外擴音與考試系統、紅外系統與多媒體教室也可以整合使用。

【關鍵詞】紅外；語音教學系統；音頻；調頻；語言實驗室

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097(2012)06-0051-04

當前，用于大面積播音的語音教學系統應用廣泛，其采用的技術較多，主要有音頻系統、無線調頻和無線紅外三種類型，而家用無線通訊通常使用調頻、藍牙或紅外技術，其中，紅外技術成本低，兼容性良好，因而發展迅猛，紅外探測、跟蹤、搜索、測溫、報警、治療等電子產品已是屢見不鮮，本文對紅外系統的教學應用進行一定的研究。一紅外語音教學系統的結構原理及性能特點

1 結構原理

圖1所示為一種簡單的紅外廣播系統，它由音頻播放設備、切換矩陣、紅外發射機、紅外接收機等組成。其中，紅外發射機由紅外線調制放大器和紅外發光二極管組成；紅外接收機由紅外光電二極管、放大解調電路、功放電路、喇叭等組成。各種音頻信號源經過切換矩陣后，進入紅外發射機的線路輸入接口，進行放大及紅外調制后，通過紅外發光二極管(女NOP113TMLE)輻射出去，接收機內紅外光電二極管(如SE303C等)感應接收紅外信號后，由接收芯片(如HC-377＼CX20106＼UPCI373等)進行放大等處理，或經語音編解碼芯片(如MC3361，MC3418等)進行解調，然后由功放芯片(如TDA2822M、MAX9722、LM386等)進行音頻放大，最終驅動喇叭或耳機發聲。

音頻信號的調制有調幅、調頻、脈寬調制等多種方式，其中幅度調制可以使用簡單的解調器實現，相對比較經濟，頻率調制比幅度調制頻率高、帶寬寬、抗干擾強，脈寬調制方式技術簡單、成本低、系統穩定可靠。在實際電路設計中，可以采用鎖相環集成電路CD4046進行頻率調制和頻率解調，采用TL494進行脈寬調制等。也有使用單片機(如AT89C2051)、A／D(如TLCl549)、D／A(如ITLC5615)進行系統設計的紅外系統。

紅外收發采用850nm波長，載波頻率最早使用的有150KHz，為減少干擾和提高聲音的保真度，后來大多使用2.3～4.5MHz。在忽略大氣的吸引、散射衰減的情況下，紅外光的傳播遵守距離平方反比定律，即輻射源在某處產生的照度，與輻射源的輻射強度成正比，與距離的平方成反比。目前家用紅外遙控系統控制范圍一般在15～18米，而紅外語音系統的傳輸距離都在10米以上，傳播面積大于150M²。

2 干擾情況

紅外系統采用調制的紅外光波傳輸信號，不使用市政電源頻率(50Hz)和廣播電視頻率(48.5M～870MHz)，避免了廣電系統無線電波的干擾，這些干擾包括手機、對講機、無線耳機、無線話筒、調頻臺等。因而紅外系統音質純凈清晰，無斷音現象，保真度高，無背景噪音。然而，日光和照明燈光的光譜是覆蓋紅外波段的，會產生干擾，光線越強，紅外光成分越多，離紅外接收機越近，干擾越嚴重。針對這個缺點，紅外系統采用了特殊的光敏元件，同時適當增大紅外發射功率，從而有效避免了日光燈、投影機、節能燈、LED燈、紅外監控攝像頭等發出的光線對本系統的干擾。使用中碰到有較強直射陽光時，應適當拉下窗簾避光，一般不會出現明顯的干擾現象。

另一方面，紅外線是直線傳播的，如果空間障礙物較多或者有不能直接輻射的部位，都會形成信號死角。然而，紅外光波可以通過墻壁的反射，實現無盲區覆蓋，即使接收機前方有物體遮擋也不會影響接收效果。為進一步保證傳輸效率，紅外線發射機一般采用多角度、大功率發射紅外光線，利用周圍墻壁和其他物體的多次反射，使紅外光在一定的室內空間無間斷地傳播；同時，采用超廣角高靈敏度的接收機，可以接收到室內各個不同方向、經過多次反射而強度減弱的紅外光，從而實現有效繞開障礙物，傳輸無死角，轉身、背對發射機都不會中斷信號，不會出現斷音。

第三，紅外線不能穿透墻壁，一個教室內的紅外光信號不會傳播到其他教室，因此，紅外系統具有不串頻、高保密、集群互通性好的特點。紅外無線發射機和接收機都可以做成同一頻率，所有發射機、接收機完全通用，不需要轉換頻點，可以在任意多的相鄰教室中同時使用相同頻率的紅外系統，而絕對不串頻，無干擾。換言之，只要每間教室安裝有紅外發射機，學生帶任何一個接收機到任何一間教室都可以直接使用，發射和接收均不需要調諧，使用簡單方便，不需專業指導，大大提高了教學效率，使教學大樓中的單元小班教學得以實現。同時，紅外系統不需占用多個頻點，節省大量廣電頻率資源。

第四，紅外系統所采用的電子元件均是環保材料，不會對廣大師生造成電磁輻射傷害，同時，紅外光照射人體，能促進人體血液循環，對人體非但無害，還很有益。符合創建綠色、健康、環保校園的健康理念。

3 接收機的穩定情況

接收機學生人手一付，量大面廣，其穩定性至關重要。紅外接收機除了音量電位器、電池座、波段開關可能出現接觸不良故障以外，其依靠光敏二極管接收紅外信號，不需要像音頻接收機那樣的接收線圈，也不需要像調頻收音機那樣進行調諧，相關電路高度集成，穩定性好，故障率極低。紅外線發射管和紅外光敏接收管的設計壽命都在六年以上，實際使用的電流只有管子額定電流的三分之一，六年內管子的效能降低在3％之內。

二 紅外語音系統的應用情況

紅外語音系統既克服了音頻系統效果差、噪音大、失真嚴重、不易擴建的缺陷，又避免了調頻系統保密性差、接收死角、頻率漂移，電磁干擾等問題。因此，近年來紅外技術發展較快，在北美和歐洲應用都非常成熟，國內品牌廠商主要有愛德信、泉州河市電教、奧迪聲、藍電等。

1 紅外擴音系統的應用

隨著學校擴招，教室增大，單個教室上課學生人數也增加，老師上課不得不提高嗓門，一天幾節課下來，勢必聲音嘶啞，筋疲力盡，因此，為了老師們能輕松一些授課，很多學校都購置了擴音設備。我校采用手提式無線調頻話筒擴音機，老師課前到服務總臺簽字借用，課后歸還，這中間存在的問題是：(1)設備頻繁借還，手續復雜，費時費力；(2)反復借用的設備，使用中因錯誤操作、碰撞、跌落等引起的問題相對較多，有可能借到性能不好的設備而影響教學；(3)授課高峰期，有可能借不到設備，老師頗有怨言。其實，解決方法很簡單，在每一間教室均配置無線擴音設備，固定安裝，專人維護。目前教學擴音設備種類較多，有線式、無線式均有，無線式有頻點式、紅外式可選。建議最好選用紅外無線擴音系統，統一配備具有嘯叫抑制功能的紅外無線話筒。話筒發放到每一個老師，自管自用，使用方便、愛惜、衛生。無論老師走到哪個教室都可以同時使用!徹底解決了頻點機要話筒與接收機頻點相同才能使用的麻煩，即開即用，無需對頻、調頻，不存在對頻失敗、對錯頻及跑頻的現象。不論多少個教室安裝，一起使用時都不會有串頻和干擾的現象，從而給師生一個安靜的教學環境。

2 紅外外語聽力廣播系統的應用

目前很多高校已經取消無線調頻方式，采用有線系統進行大型考試，而大家比較推崇的是采用有線加小功率紅外無線的方式。當然，由于歷史原因、價格原因，一些高校仍在使用調頻、音頻系統進行平時的訓練和考試。雖然紅外系統價格稍高，但是隨著紅外設備產銷量的不斷增長，成本不斷降低，價格也在大幅度下降，同時，隨著設備功能的開發，使得設備可以一機多用，從而相對地降低了設備價格。例如，目前的紅外接收機，能兼容AFWMIIF三個波段的接收，更增添了電腦耳機接口。一些學校的做法值得借鑒：學生入學后每人發放一付紅外耳機，既滿足了期中、期末、四六級考試的需要，又可以平時在宿舍、操場使用，還可以上聽力課時在語言實驗室中使用。學校語言實驗室中不再需要專門配置電腦耳機，而耳機是語言實驗室中損耗最大的材料，這就降低了管理難度，減少了實驗經費支出，也避免了耳機相互接觸頭面部皮膚所引起的傳染病。

3 紅外語言實驗室介紹

紅外語言實驗室是利用紅外技術設計的，具有可移動性，最早由愛德信科技發展有限公司生產。該系統既具備了普通語言實驗室的對講互動、雙向交流的基本功能，又具有無線設備任意移動、隨意增減學生單元、可聯網進行聽力考試、造價低廉(為終端型語音室的1／5-1／10)、使用簡單、不需要專用教室和專用桌椅等優勢。該系統可用于外語聽、說兩方面的訓練，解決全功能語言實驗室短缺而學生聽說能力日漸重要的矛盾。紅外語言實驗室操作也非常簡單，教師只需將任意音源接到發射主機上，打開無線麥克風即可進行授課。學生單元在上課聽講或考試時只需將開關撥到紅外位置，不須做任何調整即可接收教師授課或聽力考試內容。需要提問發言時，按鈕按住說話即可。大面積考試放音時，將各教室紅外發射機的音頻信號輸入端，切換到放音的音頻信號總線(或共纜傳輸的有線電視網)上，即可進行統一的聽力考試。

三 我校擬使用紅外系統的原因分析

我校隨著考試規模的逐年擴大，目前英語四、六級考試已經從一幢樓擴大到四幢樓，原有3瓦小功率調頻系統只覆蓋了一幢樓，遠遠不能滿足使用需要。我們獲批的頻率與大學城重慶師范學院相同，均為106.5MHz，使用中發現偶爾會發生干擾，為了保障考試的順利進行，我們請相關部門進行測試，臨時改用76MHz進行播放，并使用30瓦的大功率設備。然而，76MHz所在頻段由于另有用途，不可能正式通過審批，另外，廣電局、無委會、信產局等相關部門只允許學校使用幾瓦的小功率設備，不可能批準使用30瓦的發射機，因此，我們目前使用的頻率和功率均是臨時的。

由于大學城高校密集，其他高校也可能臨時使用各種頻率和功率，勢必引起考試播音互相干擾等重大事故。幾年前就出現過其他高校對我校專升本播音產生干擾，使得考試失敗，不得不組織二次考試，浪費大量人力物力財力。另外，重慶近年來還出現過廣播干擾民航、自來水調度網和電視發射等重大事故。因此，廣電局明確表示，有線設備技術已經很成熟，將來不再批準學校使用無線廣播，考試等教學需要只能使用有線方式。

另外，四六級考試中利用無線設備作弊情況嚴重，管理部門一般采用干擾方式抑制作弊，但是正常播音采用的也是無線方式，不可能進行全頻段覆蓋，給無線作弊留下機會。

我校作為市級實驗教學示范中心，擁有市級實踐教學示范課程，應當創造優良的硬件環境，做到人無我有，人有我優，領先發展。因此，我們也建議我校盡快建成有線設備進行外語教學和考試，比較可行的方案是，以紅外系統作為考試主用系統，調頻作為考試和平時訓練的備用系統。如果選用雙向紅外系統，還可以組建廉價而實用的聽說訓練系統，用于普通課堂聽說訓練，解決語言實驗室短缺與學生聽說能力亟待提高的矛盾。

四 紅外語音系統的整合應用探討

1 紅外擴音與考試系統的整合

課堂教學需要的擴音設備和外語聽力考試播放設備，實際上都是量大面廣的現代教育技術設備，是可以整合利用的。簡單地說，如果教室已經安裝了音箱，再把這些音箱并聯起來，接入統一播放的聽力考試播音信號即可。不過，聽力考試一般使用耳機接收，以減少相互干擾，所以最好使用紅外多功能音箱，要求它同時具有紅外無線話筒接收、功率放大、揚聲器、大功率紅外發射等功能，同時，在教室的墻上或多媒體講臺上設置一個“喇叭擴音／紅外發射”轉換開關。音箱(兼紅外發射機)可以設計成話筒接收電路處于常開狀態，只要話筒自身開關打開，即可開啟音箱電源，進行喇叭擴音，這樣就可以傻瓜化使用了。而聽力考試功能，還可以設計成播控室可控方式(可以敷設控制專線，或利用校園網或閉路電視網)，如分區播放不同內容，進行喇叭擴音／紅外發射切換等。而各音箱的電源，最好由播控室統一分片區控制。像這樣一個系統雙重功能，節省了不少經費投入，使用、管理也更加方便。然而，目前受產品功能的限制，一些學校還是購置單獨的紅外聽力系統用于外語教學和考試，應當引起相關廠商的重視。

2 多媒體教室與紅外系統的整合

外語教學中，需要使用各種各樣的多媒體教材，也離不開多媒體教室，在專用語音室不足的情況下，老師們喜歡使用普通多媒體教室，這就需要對普通多媒體教室進行升級，方法很簡單，將多媒體中央控制器的音頻總輸出信號，輸入到紅外發射機的輸入端子上，即可發射紅外語音信號，實現同時在相鄰教室進行小班聽力教學的需要。如果紅外話筒本身也有線路輸入接口，也可以通過話筒傳輸多媒體音頻到紅外發射機。通過實踐我們發現，將紅外無線擴音系統、紅外聽力考試系統、紅外交互式教學系統、多媒體教室有機地結合起來，花錢少、見效快，功能全、效果好，雖然它不具備專用語音室的所有功能，但它具備了語音室最基礎、最主要、最常用的功能，如全通話、對講、示范等，不愧為簡潔、實用、經濟的語音實驗室，是解決學校外語教學聽力訓練設備不足的一種有效途徑。

編輯：李原