紅外光語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)

激光通信早已用在國(guó)防上的特殊場(chǎng)合，完成特定的功能。對(duì)中學(xué)物理課而言，利用激光通信做物理實(shí)驗(yàn)，其價(jià)格太高。這里介紹一種用紅外(線)光的語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)，完全可以模擬激光通信的工作原理，且制作費(fèi)用也很低。

圖1是一種利用紅外光進(jìn)行語(yǔ)音通信實(shí)驗(yàn)的收發(fā)工作原理圖。

圖1(a)中的MIC是語(yǔ)音話筒，只需對(duì)著話筒喊話，話筒的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放加以放大，放大的語(yǔ)音信號(hào)加到調(diào)制器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，再由紅外線發(fā)光二極管發(fā)射已調(diào)制的語(yǔ)音信號(hào)。這里的調(diào)制器是一種脈沖振蕩器，產(chǎn)生對(duì)稱的方波信號(hào)。當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)加到該振蕩器的輸入端時(shí)，使方波信號(hào)的占空比隨語(yǔ)音信號(hào)線性變化，從而達(dá)到調(diào)制目的。

圖1(b)是光接收的解調(diào)電路，由紅外接收管接收?qǐng)D1(a)的紅外發(fā)射光信號(hào)，該接收信號(hào)根據(jù)圖1(a)發(fā)送端的紅外光強(qiáng)弱而變化。紅外接收管的輸出經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放放大后，加到濾波電路對(duì)調(diào)制的光信號(hào)解調(diào)，其解調(diào)信號(hào)再放大，供后級(jí)語(yǔ)音處理電路工作(或用耳機(jī)收聽或放大后用功放放音)。

1.紅外線發(fā)射電路：圖2是紅外線發(fā)射電路，圖中的MIC是一種常用的動(dòng)圈式話筒，其輸出阻抗為20000(高阻動(dòng)圈式話筒)。話筒的輸出加到運(yùn)放IC1的反相端進(jìn)行信號(hào)放大。這里僅用了一級(jí)放大器。為了獲得足夠的增益，其反饋電阻Rf用的很大(可到10MΩ)，所以其運(yùn)放的增益AV=107/2×103=5×103(74dB)。

被放大的語(yǔ)言信號(hào)，經(jīng)R2(100kΩ)送到IC2-1調(diào)制器對(duì)語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。

這里的調(diào)制器，是由CD40106施密特六反相器的一個(gè)反相器IC2-1、外加RC阻容元件組成的。當(dāng)無(wú)語(yǔ)音信號(hào)作用時(shí)，IC2-1、R3、R4、C1和VD1組成振蕩器。電路工作時(shí)，IC2-1的輸出端②腳為高電平，電源(+15V)通過(guò)R3對(duì)C1進(jìn)行充電，C1上的充電電壓上升，當(dāng)上升的電壓達(dá)到施密特的門限電平時(shí)，IC2-1的②腳轉(zhuǎn)換為0電平，此時(shí)C1通過(guò)VD1、R4和IC2-1的②腳進(jìn)行放電，當(dāng)C1放電電壓下降到施密特滯后電壓時(shí)，IC2-1的輸出端又從0電平轉(zhuǎn)換到高電平，C1放電完成后，電源又對(duì)C1充電??如此反復(fù)進(jìn)行，結(jié)果形成振蕩，其波形為對(duì)稱方波。按圖的參數(shù)，振蕩頻率約18kHz。

當(dāng)輸入端語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)IC1放大再通過(guò)R2加到IC2-1的輸入端①腳時(shí)，IC2-1的振蕩器即受到語(yǔ)音信號(hào)調(diào)制，其規(guī)律是語(yǔ)音信號(hào)強(qiáng)度增加，IC2-1振蕩器的脈沖占空比降低;當(dāng)語(yǔ)音信號(hào)強(qiáng)度降低時(shí)，脈沖占空比增加，結(jié)果振蕩器的占空比隨語(yǔ)言信號(hào)變化而變化，且成比例關(guān)系，達(dá)到調(diào)制目的。該調(diào)制脈沖加到IC2-2(CD40106反相器之一)進(jìn)行緩沖隔離后去激勵(lì)紅外發(fā)光二極管VD2，由它發(fā)射調(diào)制紅外光束。電路中的R5為VD2的限流電阻。

2.紅外接收電路：圖3是紅外線接收和解調(diào)電路，其中VD3是紅外線接收二極管，它接收?qǐng)D

2中VD2發(fā)射的紅外線。發(fā)射和接收時(shí)，若在空曠區(qū)域，VD2與VD3盡可能在一直線上;在室內(nèi)，VD3也可接收門窗、壁面VD2的反射信號(hào)。VD3的接收信號(hào)加到運(yùn)放IC3-1的反相端②腳被放大，調(diào)節(jié)反饋電阻R7可以改變運(yùn)放IC3-1的增益。這里，VD3的分布電容、運(yùn)放IC3-1的輸入電容和電阻R7構(gòu)成低通濾波器，該濾波器限制了輸入電路的頻率響應(yīng)。

IC3-1①腳放大的紅外光調(diào)制信號(hào)，加到IC3-2反相輸入端⑥腳再進(jìn)行放大，放大增益=R9/R8，經(jīng)具體推算，為40dB或100倍。IC3-2⑦腳輸出的紅外光調(diào)制信號(hào)加到由R10、C4組成的低通濾波器(僅一級(jí))濾除載波(18kHz)信號(hào)，從而解調(diào)出語(yǔ)音信號(hào)。該語(yǔ)音信號(hào)仍然較弱，應(yīng)進(jìn)行一般的音頻放大后，用耳機(jī)收聽或由音響放音。

3.其它：圖2、圖3電路是紅外線語(yǔ)音通信的基本電路，該電路的接收距離僅幾米遠(yuǎn)，為了增大接收距離，應(yīng)增加圖2電路的發(fā)射能量，如圖4所示。

只要增加一級(jí)簡(jiǎn)單的功率放大器，同時(shí)推動(dòng)7支紅外發(fā)射管(或更多的)，即可增大發(fā)射能量、擴(kuò)大接收距離。為了減輕IC2-2的輸出激勵(lì)信號(hào)，可以將未級(jí)用的CD40106斯米特觸發(fā)器并聯(lián)使用。

另外，為了白天收發(fā)紅外發(fā)射信號(hào)，防止背景的環(huán)境光，收發(fā)管均應(yīng)放在深色塑料罩內(nèi)工作。

制作圖2、圖3收發(fā)電路時(shí)，圖2中的反饋電阻Rf和圖3中的R7均可根據(jù)實(shí)際的收發(fā)情況加以調(diào)整，以滿足接收效果，特別是采用了圖4的發(fā)射電路后，更應(yīng)調(diào)整Rf和R7的兩個(gè)反饋電阻。

現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的成品紅外線耳機(jī)收發(fā)裝置，其用途是家庭收看電視時(shí)，為了不影響他人工作，電視的伴音輸出不通過(guò)機(jī)內(nèi)揚(yáng)聲器，而把音頻信號(hào)直接加在類似本文所述的紅外線發(fā)射、接收裝置上，用耳機(jī)收聽電視的伴音信號(hào)，其室內(nèi)效果較為理想。