基于紅外線無(wú)線傳輸?shù)拇髮W(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力考試系統(tǒng)構(gòu)建和應(yīng)用

柯家海

（廣州醫(yī)科大學(xué)信息與現(xiàn)代教育技術(shù)中心，廣東廣州 511436）

0 引言

隨著改革開放的深入，對(duì)外交往日益廣泛，外語(yǔ)聽力水平如何直接關(guān)系到人們的就業(yè)、交流和生活等。全國(guó)大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)考試（CET）是教育部考試中心主持和實(shí)施的一項(xiàng)大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化考試。自1987年以來(lái)，大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)考試已經(jīng)實(shí)施了30 多年，并根據(jù)我國(guó)高等教育發(fā)展的方向，持續(xù)地進(jìn)行改革和完善。目前考試內(nèi)容涵蓋聽、說(shuō)、讀、寫、譯等語(yǔ)言技能，聽力理解部分考核學(xué)生獲取口頭信息的能力，包括理解主旨大意、重要事實(shí)和細(xì)節(jié)、隱含意義，判斷話語(yǔ)的交際功能、說(shuō)話人的觀點(diǎn)、態(tài)度等。在CET 考試中聽力考試所占比例越來(lái)越高，外語(yǔ)聽力學(xué)習(xí)的重要性已受到前所未有的重視。因此，如何有效提高CET聽力考試系統(tǒng)的方便性、實(shí)用性和易管理性，是教育信息化工作者需要面對(duì)的重要課題。

1 聽力考試系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力考試系統(tǒng)由于受經(jīng)濟(jì)影響及相關(guān)設(shè)備功能所限，經(jīng)歷了幾個(gè)階段的發(fā)展和變化，從最早的每個(gè)教室配備一臺(tái)放音機(jī)進(jìn)行播放，演變到專業(yè)的語(yǔ)音室和有線廣播系統(tǒng)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，信息技術(shù)與外語(yǔ)教育開始深度融合，聽說(shuō)訓(xùn)練系統(tǒng)、智能作文批改系統(tǒng)等信息系統(tǒng)不斷更新?lián)Q代，已從單一的軟件向各類融合的信息系統(tǒng)解決方案發(fā)展［1］。目前在全國(guó)大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力考試中，各高校使用的主要有以下幾種系統(tǒng)：有線廣播系統(tǒng)、無(wú)線音頻聽力系統(tǒng)、無(wú)線調(diào)頻聽力系統(tǒng)、紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)。

1.1 有線廣播系統(tǒng)

有線廣播系統(tǒng)分為模擬和數(shù)字廣播系統(tǒng)，采用音頻前置采集或音頻轉(zhuǎn)數(shù)字信號(hào)，通過(guò)定壓功放播放或直接數(shù)字解碼音箱直接播放出來(lái)。因喇叭安裝位置不同，在教室內(nèi)會(huì)出現(xiàn)收聽效果不同，前后左右都會(huì)根據(jù)教室的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些差異，后排會(huì)因衰減和回聲反射導(dǎo)致不清晰，同時(shí)教室間有可能存在相互干擾現(xiàn)象，目前此類系統(tǒng)在少數(shù)高校中應(yīng)用。

1.2 無(wú)線音頻聽力系統(tǒng)

無(wú)線音頻聽力系統(tǒng)音頻發(fā)射系統(tǒng)和音頻接收系統(tǒng)組成，利用電磁感應(yīng)原理，音頻發(fā)射系統(tǒng)攜帶音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)一定程度的放大后，輸出到功率發(fā)射機(jī)，發(fā)射出去后由負(fù)載線圈在教室產(chǎn)生磁場(chǎng)。在接收機(jī)端，內(nèi)部的接收線圈感應(yīng)到空中的電磁場(chǎng)后，經(jīng)過(guò)感應(yīng)線圈將音頻磁場(chǎng)信號(hào)接收、放大、轉(zhuǎn)換等一系列操作后，發(fā)出聲音。系統(tǒng)容易受電磁干擾，目前此類系統(tǒng)在部分高校中應(yīng)用。

1.3 無(wú)線調(diào)頻聽力系統(tǒng)

無(wú)線調(diào)頻聽力系統(tǒng)包括調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)和調(diào)頻接收系統(tǒng)組成，調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)由話筒、音頻放大器、調(diào)制器、變頻器、功率放大器和發(fā)射天線組成。低頻的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后，首先進(jìn)行調(diào)制后達(dá)到需要的發(fā)射頻率，經(jīng)高頻功率放大后，再通過(guò)天線發(fā)射出去。接收系統(tǒng)是具備調(diào)頻接收功能的耳機(jī)。盡管調(diào)頻聽力系統(tǒng)容易受電磁波的干擾以及非法調(diào)頻廣播的同頻干擾，并且開放式的廣播形式使得考試內(nèi)容易外泄，但它具有覆蓋面廣、安裝容易和維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此此類系統(tǒng)被大部分高校采納應(yīng)用。

1.4 紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)

相較于傳統(tǒng)的無(wú)線調(diào)頻擴(kuò)音設(shè)備或是其他聽力系統(tǒng)，紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，由于紅外光線不具備穿透墻壁的物理特性，所以在學(xué)校等場(chǎng)合大規(guī)模集群范圍內(nèi)使用時(shí)，不會(huì)相互產(chǎn)生頻率干擾的問(wèn)題。同時(shí)室內(nèi)發(fā)射機(jī)不向考場(chǎng)外傳播聽力考試信息，也避免了音頻信號(hào)不必要的外泄。其次，紅外線信號(hào)不易受到強(qiáng)電設(shè)備低頻信號(hào)及考場(chǎng)內(nèi)外移動(dòng)式電子產(chǎn)品干擾，可以保證接收端音頻信號(hào)的足夠清晰。因此，此類系統(tǒng)也逐步在一些地區(qū)的高校中開始應(yīng)用。

2 紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

2.1 紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)的基本原理

光線可分為可見光和不可見光，紅外線是光譜中紅光以外的不可見光，它的波長(zhǎng)范圍是750 nm～1 mm，頻率比微波高，比可見光低［2］。紅外線的波長(zhǎng)比較長(zhǎng)，衍射能力差，適合在近距離無(wú)線通信的場(chǎng)合，進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。為了確立最佳的通信效果，紅外數(shù)據(jù)通信協(xié)會(huì)（IRDA）建立了通用的紅外數(shù)據(jù)通信標(biāo)準(zhǔn)信息，即IRDA 標(biāo)準(zhǔn)。紅外數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)主要包括發(fā)射系統(tǒng)、傳輸信道和接收系統(tǒng)。它的基本原理是利用特定波長(zhǎng)的紅外線，將其作為傳遞信息的載體，即傳輸信道，在發(fā)送端將二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為一系列的脈沖串信號(hào)，通過(guò)紅外發(fā)射管發(fā)射出去。在接收端將接收到的光脈沖轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、濾波等一系列處理后送給解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)，還原為二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)紅外線通信傳輸，屬于一種光電傳輸信息技術(shù)。

2.2 紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)的特點(diǎn)

紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)具有以下特點(diǎn)：一是通過(guò)紅外光脈沖和數(shù)據(jù)電脈沖進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與接收［3］。二是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線數(shù)據(jù)傳輸，屬于不可見光，保密性強(qiáng)。三是傳輸速度快，在傳輸?shù)倪^(guò)程中，遇到障礙物會(huì)反射。四是抗干擾性強(qiáng)，不存在頻率干擾等問(wèn)題。紅外線具有抗電磁干擾能力強(qiáng)，傳輸速度快等諸多優(yōu)勢(shì)，能夠在不同產(chǎn)品之間，快速方便安全的傳輸實(shí)時(shí)信息，適合于跨平臺(tái)、低成本、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)連接,尤其適合嵌入式系統(tǒng)［4］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)已被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)計(jì)算和移動(dòng)通訊的設(shè)備中，在全球范圍內(nèi)超過(guò)億萬(wàn)件包括電子產(chǎn)品、工業(yè)設(shè)備等得到了應(yīng)用［5］。此外，紅外數(shù)據(jù)通信技術(shù)還存在一些缺點(diǎn)，如傳輸距離短，要求通信設(shè)備的位置相對(duì)固定，無(wú)法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)等。

3 紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)的構(gòu)建

根據(jù)學(xué)校的實(shí)際情況，建設(shè)的紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)要能滿足學(xué)校5 000名考生同時(shí)進(jìn)行大學(xué)英語(yǔ)四級(jí)或六級(jí)聽力考試的需求。在本次紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)主要由音頻處理部分、線路傳輸部分、紅外線發(fā)射部分及紅外線接收部分組成，具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

3.1 音頻處理部分

音頻處理部分主要是由音源設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、CD播放機(jī)、麥克風(fēng)等）、調(diào)音臺(tái)、音頻矩陣、監(jiān)聽設(shè)備等組成。音頻矩陣可將各種模擬音頻信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)，再將數(shù)字信號(hào)傳輸至紅外輻射終端后調(diào)制成紅外光信號(hào)，無(wú)線發(fā)射，無(wú)線接收。數(shù)字傳輸方式使系統(tǒng)輸出的音質(zhì)效果可以達(dá)到CD級(jí)效果，音質(zhì)清晰，音量大小可以調(diào)節(jié)控制，并且音源輸出的教室數(shù)量可以增加，方便系統(tǒng)擴(kuò)容。

3.2 線路傳輸部分

線路傳輸部分主要通過(guò)核心交換機(jī)連接到各樓層交換機(jī)，然后從樓層交換機(jī)輸出到紅外輻射終端，考慮到音頻在線路中產(chǎn)生的耦合噪音，采用超五類帶屏蔽雙絞線，實(shí)現(xiàn)專線傳輸，消除自身的信號(hào)耦合和降低外界的雜音干擾，提高系統(tǒng)信噪比和降低線路損耗。在距離超長(zhǎng)的情況下可采用光纖進(jìn)行主干信號(hào)傳輸，可覆蓋整座教學(xué)樓或多棟教學(xué)樓。在設(shè)計(jì)中，采用了雙信道進(jìn)行傳輸，兩信道同步播放，既可以實(shí)現(xiàn)主備備用功能，為聽力考試增加保障，又可以作為兩套獨(dú)立系統(tǒng)使用。

圖1 紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 紅外線發(fā)射部分

紅外線發(fā)射部分由紅外輻射終端及設(shè)備供電開關(guān)組成，主要是通過(guò)紅外輻射終端將信號(hào)前置放大、調(diào)制、驅(qū)動(dòng)，再通過(guò)發(fā)射管將信號(hào)以紅外線的方式發(fā)射出去，設(shè)備采用UPS 集中供電方式。紅外輻射終端為弧面設(shè)計(jì)，不受環(huán)境限制覆蓋角度廣，可任意放置在教室的前端后端，直線傳播距離可達(dá)30 米。為實(shí)現(xiàn)教室全覆蓋，需要在每個(gè)教室安裝2 臺(tái)獨(dú)立的紅外輻射終端。為了檢查每個(gè)房間的發(fā)射信號(hào)是否正常，需要通過(guò)監(jiān)聽軟件，實(shí)時(shí)獲知每個(gè)房間紅外音頻信號(hào)的發(fā)射是否正常，采用集中管理的方式，保證第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)不能正常工作的紅外輻射終端，減少故障。

3.4 紅外線接收部分

紅外線接收部分主要通過(guò)耳機(jī)內(nèi)置的紅外線接收器準(zhǔn)確地接收紅外輻射終端發(fā)出的信息，并將其放大、解調(diào)；再功率放大轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)，在紅外輻射終端覆蓋有效范圍內(nèi)，可以多臺(tái)使用且互不影響，易于擴(kuò)容。紅外接收耳機(jī)也是雙信道接收機(jī)，學(xué)生可以任意切換，收聽效果最好的信道。由于紅外線不能穿透墻壁，因此信號(hào)輻射范圍僅限于教室內(nèi)，紅外接收耳機(jī)也只在教室內(nèi)才可接收，可以防止考場(chǎng)聽力考題的泄密現(xiàn)象。紅外接收耳機(jī)本身屬于易耗品，不方便集中化管理，由學(xué)生自行購(gòu)買，可以減輕耳機(jī)管理的困難。

4 紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)的應(yīng)用

紅外無(wú)線聽力系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的方式進(jìn)行建設(shè)，可以滿足學(xué)校聽力考試的要求，并于2019 年12月投入使用，共有5 000多名學(xué)生利用該系統(tǒng)進(jìn)行大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力考試，為學(xué)生提供了性能穩(wěn)定的聽力考試服務(wù)，實(shí)際應(yīng)用效果良好。此外，無(wú)線紅外線聽力系統(tǒng)可以根據(jù)具體的需要進(jìn)行擴(kuò)展，各教室既能接收全校的統(tǒng)一音源，又能按照區(qū)域進(jìn)行分類考試，還可以通過(guò)將音源信號(hào)接入到紅外輻射終端，實(shí)現(xiàn)脫網(wǎng)播放，不受外界影響和干擾。通過(guò)智能化的管控，它能夠?qū)崿F(xiàn)分區(qū)播控、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)播控、同步考試等功能，這就能滿足大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力訓(xùn)練、教學(xué)及考試的綜合要求。

5 結(jié)語(yǔ)

大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)考試歷經(jīng)多年的改革和發(fā)展，其目的是為了滿足社會(huì)對(duì)人才需求的變化，社會(huì)對(duì)人才需求的變化促使大學(xué)英語(yǔ)的教學(xué)內(nèi)容、評(píng)價(jià)體系等發(fā)生變革［6］。聽力考試系統(tǒng)則是這個(gè)過(guò)程中不可或缺的組成部分，而基于紅外線無(wú)線傳輸技術(shù)的大學(xué)英語(yǔ)四、六級(jí)聽力考試系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，將成為未來(lái)應(yīng)用的重點(diǎn)。在今后的發(fā)展過(guò)程中，紅外線技術(shù)的應(yīng)用會(huì)更加成熟、廣泛，并將在教育、通信等領(lǐng)域發(fā)揮更重要的作用。