专利名称：无话筒语音传输装置的制作方法
技术领域：
本发明属于语音信号传输领域，具体涉及一种无话筒语音传输装置。
背景技术：
1875年贝尔(Alexander Bell)发明了电话机，第一次实现了用电来传送声音信息的模拟通信。在通信过程中，导线中的电流随着声音的强弱和快慢而不断变化，即用电流强度的变化来模拟声音强弱的变化。
电话的工作过程可简述如下人讲话的声波使送话器内的振动膜发生振动，引起附近线圈内的磁场变化，然后引起电流变化；这个载有信号的电流经过电线的传输，在受话器的线圈内产生磁场变化，然后推动受话器内的薄膜，使声音在受话器内重现。
同样的原理可使用于扩音设备。此处用话筒(麦克风，microphone)来代替送话器，并用具有一定放大作用的扬声器(loudspeaker)来代替受话器，就可以工作。这是众所周知的事实扩音设备，已经使用得十分广泛，甚至可说已在一定程度上丰富了人类的日常生活。
在光纤发展以后，作为信息传输的电缆已部分被宽带、抗干扰、重量轻的光缆所代替。但这种设备仍然需要“声→电→光→电→声”的环节，特别是话筒不能缺少，然后还需要电光调制器。
由于灵敏度关系，声源与话筒不能相距过远。一般话筒距声源30～50厘米以外，信噪比就小到不能使用，因此话筒的存在有时产生不便。如在教室里使用固定话筒的扩音设备，则老师在授课时经常要不断改变站立的位置(特别是有投影仪时)；如果使用无线话筒，则那个衣服上的话筒夹子将在一定程度上改变其形象。在舞台或电视台上表现时尤为触目。为此很多人正在致力于研究如何取消这个话筒。
本发明采用光纤无源器件构成干涉系统，大大提高了灵敏度。特别重要的是，在不经过任何电环节(声→电，电→光)的情况下，用语音信号直接调制光信号来实现语音信号的远距离传输。由于系统的工作原理与传统的光强度调制方式完全不同，大大增加了系统工作的稳定性和可重复性。
发明内容
本发明的目的是提出一种灵敏度高、扩音效果好、无话筒语音传输装置。
本发明提出的无话筒语音装置传输，由声接收探头、全光纤干涉系统和处理电路(即声音信号还原电路)组成，如图1所示。其中，声接收探头4由单模光纤缠绕在对声音产生的空气压强变化敏感的弹性体上构成；全光纤干涉系统2由光纤耦合器构成，声接收装置4连接置于光纤耦合器的两个端口引线中，具体见图2、3所示；处理电路由前置低噪音信号放大器和功率放大器组成。
图1是无话筒扩音设备的工作原理图。声音信号通过声接收装置(不是常见的话筒)，携带声音信息的物理量被全光纤干涉系统采集并进行检波处理，所得的声音信号被初步提取后经过处理电路信号还原，可还原成原始的声音信号。整个装置的关键是声接收探头对声音信号的采集灵敏度和全光纤干涉系统的检波效果。接收探头的灵敏度决定了整个装置的无话筒传输距离。
声波在空气中传输将引起空气环境声压改变，利用这一物理特性，本发明设计了由表面缠绕单模光纤的弹性体(如柱状)作为声接收装置。声压改变将引起弹性体形状的改变，根据弹光效应，光纤长度和折射率将发生改变。定义这种由于声压形成的光纤长度和折射率改变引起的光程变化量为L，L与声压成正比关系。
根据全光纤干涉系统的工作原理，光程差的变化在干涉系统中形成的干涉相位(t)可表示为 上式中，L′(t)=dL(t)dt]]>表示声压引起的光程变化率，与光纤弹光特性和弹性柱体特性有关，正比于声波速度V(t)。
根据由3×3光纤耦合器构成的全光纤干涉系统特性，干涉信号可分别表示为I1(t)＝I0cos[(t)+0] (2)I2(t)＝I0cos[(t)-0] (3)根据上面两式，可计算出干涉相位，由式(1)得到(t)，从而得到反映声波速度的物理量L′(t)，通过积分，得到声波引起的声压，最终实现声音信号还原。
处理电路9(即声音信号还原电路)由前置低噪音放大器(即电压放大电路)11和主放大器(即功率放大器)12两部分组成，如图5所示。前置放大器11的作用是对微弱声音信号进行低噪声放大和音量音质调整，并向主放大器12提供输入信号。主放大器12提供驱动扬声器所需功率，其末级要求输出相当大的功率，所以采用功率放大电路。
本发明采用光纤无源器件构成干涉系统，在不经过电环节的情况下，直接实现声音信号对光信号的调制，然后进行传输、检波和处理，还原成原始的声音信号。由于整机的灵敏度比普通话筒要高几百至几千倍，因此仅需在数米之外放置一个或几个声接收装置，就可以得到优美的音响效果。
本发明的特点是无需话筒，且失真度小，因此在课堂教育、会议、广播、演出、微声探测等方面均可使用。同时由于光纤本身的抗电磁干扰和抗辐射性好、保密性好(防窃听)，更适合于在野外和军事演习等特殊情况下使用。
图1工作原理图。
图2由3×3光纤耦合器构成的干涉系统。
图3由2×2光纤耦合器构成的干涉系统。
图4处理电路的构成框图。
图5前置低噪音放大器。
图6主放大器。
图7声音波形。
图8系统调制后波形。
图9还原后的波形。
图中标号1为稳定光源，2为光纤耦合器，3为光纤延迟线，4为声接收装置，5、6为光电探测器，7、8为光纤耦合器的两个端口，9为处理电路，10为喇叭，11为处理电路的前置放大电路，12为主放大器。
具体实施例方式
在本无话筒语音传输设备中，全光纤干涉系统有多种实现方式例1由3×3光纤耦合器构成，其结构见图2所示。
稳定光源1发出的光经过跳线FC/PC连接，进入3×3光纤耦合器2，被分光后，从耦合器的端口7发出的光经过光纤延迟线3后，再经声接收装置4顺时针传输到端口8。端口8的光先通过声接收装置4后再通过光纤延迟线3反时针传输到端口7。两光束在3×3光纤耦合器2中形成携带有声接收装置物理特征的光信号，被探测器5、6接收。通过反演干涉信号，最终获得声接收装置4的物理特性。
例2由2×2光纤耦合器构成，其结构如图3所示。
稳定光源1发出的光经过2×2光纤耦合器2，被分光后，端口7的光经过光纤延迟线3后经过声接收装置4顺时针传输到端口8，端口8的光先通过声接收装置4后通过光纤延迟线3反时针传输到端口7。两光束在2×2光纤耦合器2中形成携带有声接收装置物理特征的光信号，被探测器5接收。通过反演干涉信号，最终获得声接收装置4的物理特性。
例1和例2两种结构的工作原理相同，只是例1(图2)所示的结构中，有两路具有一定相位差的输出信号；而例2(图3)所示的结构中，只有一路输出信号。只是输出信号在相同的工作光源状况下，大3/2倍。并且输出信号与公式(2)相比，没有初始相位0。
处理电路9中的前置放大器11可采用如图5所示的电路。其中，由三极管G1、电阻R1和R2、电容C1经电路连接组成信号耦合电路，由三极管G2、电阻R3和R4、电容C4经电路连接组成放大部分，耦合电路通过电容C2和C3与放大电路连接，光电信号探测器13连接于前置放大电路的回路中，由电容C5输出信号到功率放大电路12。其工作原理如下光电探测器5的输出信号通过电容C1和电阻R1耦合进入三极管G1，电阻R2提供偏置电压，从三极管G1输出的信号通过电容C3和C2耦合进入由电阻R3、R4、电容C4以及三极管G2构成的放大电路，最后通过电容C5输出信号到功率放大电路。放大系统的供电电压可为直流12伏电压。
处理电路9中的功率放大器12可采用如图6所示的电路。其中，由恒流源M1、二极管D1、二极管D2、恒流源M2依次电路连接组成耦合电路，三极管G3、电阻R5和R6、三极管G4依次电路连接组成放大部分，其末级采用B类晚推电路。其工作原理如下通过前置放大的音频信号以差分的形式进入由两个恒流源M1和M2、两个二极管D1和D2组成的耦合电路，通过由两个NPN三极管G3和G4构成的功率放大部分，最后输出大功率的音频信号，推动喇叭或音响设备，实现声音信号的播放过程。由于要得到大的输出，所以末级采用B类推挽电路。当用晶体管或FET构成电路时，常采用SEPP(Signal-ended push pull)电路。SEPP电路的两个晶体管分别只放大输入信号的半个周期，而在输出端合成为一个信号，由于两个晶体管对负载来说是并联的，而对电源来说是串联的，所以能够连接阻抗小的负载。因此，它能不用输出变压器而直接连接扬声器，成为OTL(output transformer less)电路，使得频率特性和失真率得到改善。
本发明对系统的性能进行了测试。全光纤干涉系统采用3×3耦合器，如图2所示，处理电路采用图5和图6所示电路。系统使用中心波长为1.31μm、谱宽20nm的发光二极管光源。在语音信号源离开声接收装置为4米，系统采集到的声音信号波形如图7所示，经过系统调制后的信号波形如图8所示；还原的波形如图9所示。可以看到，全光纤干涉仪很好的完成了语音信号的采集，实现了无话筒扩音功能。
权利要求
1.一种无话筒语音传输装置，其特征在于由声接收探头、全光纤干涉系统和处理电路(即声音信号还原电路组成，其中，声接收探头(4)由单模光纤缠绕在对声音产生的空气压强变化敏感的弹性体上构成；全光纤干涉系统(2)由光纤耦合器构成，声接收装置(4)连接置于光纤耦合器的两个端口引线中，处理电路由前置低噪音信号放大器和主放大器组成。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于全光纤干涉系统由3×3光纤耦合器构成。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于全光纤干涉系统由2×2光纤耦合器构成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述前置低噪音放大电路中，由三极管G1、电阻R1和R2、电容C1经电路连接组成信号耦合电路，由三极管G2、电阻R3和R4、电容C4经电路连接组成放大部分，耦合电路通过电容C2和C3与放大电路连接，光电信号探测器13连接于前置放大电路的回路中，由电容C5输出信号到功率放大电路12。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述主放大器中，由恒流源M1、二极管D1、二极管D2、恒流源M2依次电路连接组成耦合电路，三极管G3、电阻R5和R6、三极管G4依次电路连接组成放大部分，其末级采用B类晚推电路。
全文摘要
本发明属信息技术领域，具体是一种利用光纤无源器件构成的语音传输设备。它可以取消常用的话筒而改用语音信号直接调制光信号。特点是灵敏度特高(接收器可距声源数米)，稳定性好，保密性强，不受电磁辐射影响。可广泛应用于课堂教学、会议、广播电台、演出、微声探测与民用或军用场合。
文档编号H04R23/00GK1525792SQ0315103
公开日2004年9月1日 申请日期2003年9月18日 优先权日2003年9月18日
发明者华中一, 贾波 申请人:复旦大学