基于DSP的激光無線語音通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘要】無線通信有射頻通信、紅外通信等，但是射頻通信受無線頻段影響，紅外光會(huì)對(duì)人眼產(chǎn)生影響，而且要受到功率限制。本文采用激光通信技術(shù)，利用直接調(diào)制方式，完成激光無線語音通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)語音信號(hào)的差分編碼通過數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP2407實(shí)現(xiàn)，且可根據(jù)需要更換編碼方法。此系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低、成本低廉、體積小，經(jīng)過試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以靈活地應(yīng)用到各個(gè)場(chǎng)合。

【關(guān)鍵詞】直接調(diào)制；語音通信；差分編碼；DSP2407

引言

激光通信因其安全保密性好、造價(jià)低、架設(shè)迅速及信息容量大等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛，除可應(yīng)用于普通場(chǎng)合還可以用于一些不利于紅外、有線以及普通無線電波通信的特殊場(chǎng)合，特別是可以用于光纖通信的故障臨時(shí)替代方式及快速搭建高性能的信息傳輸通路，如在戰(zhàn)場(chǎng)、災(zāi)區(qū)迅速搭建通信平臺(tái)，發(fā)揮遠(yuǎn)距離通信作用等等[1]。在激光通信過程中，常常需要與其他通信設(shè)備進(jìn)行通信，但是為實(shí)現(xiàn)激光無線通信，要考慮到大氣損耗、發(fā)射源移動(dòng)、空氣散射、環(huán)境干擾等不利因素，為了盡量消除這些不利因素，本文設(shè)計(jì)出一種基于DSP的基于激光無線語音通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用調(diào)制和解調(diào)過程直接調(diào)制方式，利用1550nm半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)激光無線語音通信系統(tǒng)，并通過數(shù)字信號(hào)處理芯片DSP2407實(shí)現(xiàn)了語音信號(hào)的差分編碼。該設(shè)備發(fā)出的調(diào)制激光信號(hào)可在自由空間傳輸，克服了在天氣惡劣情況下無法通信的缺陷，而且該設(shè)備信號(hào)傳輸容量大，能靈活地適應(yīng)各種場(chǎng)合。

1.系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

激光通信系統(tǒng)主要由激光發(fā)射機(jī)、激光接收機(jī)和光學(xué)望遠(yuǎn)鏡三部分組成。將欲發(fā)送的語音信號(hào)調(diào)制到激光光束上，之后通過光學(xué)發(fā)射機(jī)將載有語音信號(hào)的光束發(fā)出去，通過光學(xué)接收機(jī)接收并檢測(cè)出該信號(hào)。因此，激光無線語音通信系統(tǒng)主要由話筒、音箱、信道（差錯(cuò)控制）編解碼、電光調(diào)制、光電解調(diào)、光學(xué)天線和大氣信道組成。

發(fā)射端信道編碼器對(duì)話筒送來到的語音信號(hào)進(jìn)行采樣、量化、差分編碼，語音編碼信號(hào)經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后，利用半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)電光調(diào)制，將電信號(hào)變換為光信號(hào)，攜帶語音信息的光信號(hào)通過光束擴(kuò)展器從發(fā)射機(jī)發(fā)出。接收端光電探測(cè)器接收發(fā)射機(jī)發(fā)出的載波激光束，解調(diào)器將此光信號(hào)解調(diào)為電信號(hào)，解碼器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解碼和D/A轉(zhuǎn)換后，通過音箱播放語音信號(hào)。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 激光發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

激光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)將語音信號(hào)通過處理加載到光信號(hào)上以光形式發(fā)送。該部分主要由半導(dǎo)體激光器、調(diào)制器、編碼器、話筒和光束擴(kuò)展器組成，如圖2所示。編碼器用于在待發(fā)送信息中添加冗余度，從而具有檢查錯(cuò)誤碼元或糾正錯(cuò)誤碼元的能力，降低信道傳輸?shù)恼`碼率[2]。調(diào)制器是使經(jīng)信道編碼后的數(shù)據(jù)加載到激光上，便于在信道中傳輸，調(diào)制方式選取直接調(diào)制法，采用電光調(diào)制。

話筒的模擬語音信號(hào)以電壓形式輸出，通過此電路變成電流形式，用電流來控制半導(dǎo)體激光器的光強(qiáng)。系統(tǒng)中發(fā)射端電壓-電流（V-I）轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

2.2 接收機(jī)設(shè)計(jì)

接收機(jī)的功能是在失真及噪聲最小的情況下恢復(fù)光載波攜帶的信息，由聚焦透鏡、光電探測(cè)器、解調(diào)器、解碼器和音箱組成，如圖4所示。聚焦透鏡裝在光強(qiáng)與其反相電流成正比的光敏電阻前，有利于接收窄細(xì)的激光束，然后采用I-V轉(zhuǎn)換電路進(jìn)一步把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，電路如圖5所示。解碼器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行解碼和D/A轉(zhuǎn)換后，通過音箱播放語音信號(hào)。

2.3 DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSP采用DSP2407，它的工作主頻為40MHz，芯片內(nèi)置2.5k字SRAM，32k字FLASH，可以進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、隔離和總線仲裁等先進(jìn)技術(shù)，所以使用極為方便靈活、簡(jiǎn)潔、并且運(yùn)行極其穩(wěn)定。信號(hào)抗混疊濾波后經(jīng)A/D采集后送入DSP2407中處理，處理后經(jīng)D/A變換后經(jīng)平滑濾波輸出。

信道編碼是按照約定的規(guī)則在待傳輸信息碼中添加額外的碼元，以降低傳輸中的誤碼率。對(duì)于不同的信道，設(shè)計(jì)不同類型的信道編碼，可以提高編碼效率或已編碼信號(hào)的檢錯(cuò)或糾錯(cuò)能力，從而改善通信系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。

3.軟件設(shè)計(jì)

4.試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

采用計(jì)算機(jī)一臺(tái)、DSP實(shí)驗(yàn)板及仿真器一套、示波器一臺(tái)、麥克一個(gè)、音箱一組，對(duì)系統(tǒng)做實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)試。用數(shù)字示波器觀測(cè)到的調(diào)制試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成正確。

本文基于直接調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了激光無線語音通信系統(tǒng)。激光通信方式以高度的保密性、抗干擾性及靈活的接入方式受到關(guān)注。直接調(diào)制費(fèi)用低，實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，以激光束的亮暗變化觀察調(diào)制結(jié)果，通俗直觀；本系統(tǒng)還能根據(jù)需要更換其他編碼方法與通信協(xié)議，適合場(chǎng)合靈活，有很好的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：張慧穎（1982—），女，吉林四平人，博士研究生，講師，研究方向：空間光通信。