專利名稱：無話筒語音傳輸裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于語音信號傳輸領域，具體涉及一種無話筒語音傳輸裝置。
技術背景1875年貝爾(Alexander Bell)發(fā)明了電話機，第一次實現(xiàn)了用電來傳送聲音信息的模擬通信。在通信過程中，導線中的電流隨著聲音的強弱和快慢而不斷變化，即用電流強度的變化來模擬聲音強弱的變化。
電話的工作過程可簡述如下人講話的聲波使送話器內的振動膜發(fā)生振動，引起附近線圈內的磁場變化，然后引起電流變化；這個載有信號的電流經(jīng)過電線的傳輸，在受話器的線圈內產(chǎn)生磁場變化，然后推動受話器內的薄膜，使聲音在受話器內重現(xiàn)。
同樣的原理可使用于擴音設備。此處用話筒(麥克風，microphone)來代替送話器，并用具有一定放大作用的揚聲器(loudspeaker)來代替受話器，就可以工作。這是眾所周知的事實擴音設備，已經(jīng)使用得十分廣泛，甚至可說已在一定程度上豐富了人類的日常生活。
在光纖發(fā)展以后，作為信息傳輸?shù)碾娎|已部分被寬帶、抗干擾、重量輕的光纜所代替。但這種設備仍然需要“聲→電→光→電→聲”的環(huán)節(jié)，特別是話筒不能缺少，然后還需要電光調制器。
由于靈敏度關系，聲源與話筒不能相距過遠。一般話筒距聲源30～50厘米以外，信噪比就小到不能使用，因此話筒的存在有時產(chǎn)生不便。如在教室里使用固定話筒的擴音設備，則老師在授課時經(jīng)常要不斷改變站立的位置(特別是有投影儀時)；如果使用無線話筒，則那個衣服上的話筒夾子將在一定程度上改變其形象。在舞臺或電視臺上表現(xiàn)時尤為觸目。為此很多人正在致力于研究如何取消這個話筒。
本實用新型采用光纖無源器件構成干涉系統(tǒng)，大大提高了靈敏度。特別重要的是，在不經(jīng)過任何電環(huán)節(jié)(聲→電，電→光)的情況下，用語音信號直接調制光信號來實現(xiàn)語音信號的遠距離傳輸。由于系統(tǒng)的工作原理與傳統(tǒng)的光強度調制方式完全不同，大大增加了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可重復性。

發(fā)明內容
本實用新型的目的是提出一種靈敏度高、擴音效果好、無話筒語音傳輸裝置。
本實用新型提出的無話筒語音裝置傳輸，由聲接收探頭、全光纖干涉系統(tǒng)和處理電路(即聲音信號還原電路)組成，如圖1所示。其中，聲接收探頭4由單模光纖纏繞在對聲音產(chǎn)生的空氣壓強變化敏感的彈性體上構成；全光纖干涉系統(tǒng)2由光纖耦合器構成，聲接收裝置4連接置于光纖耦合器的兩個端口引線中，具體見圖2、3所示；處理電路由前置低噪音信號放大器和功率放大器組成。
圖1是無話筒擴音設備的工作原理圖。聲音信號通過聲接收裝置(不是常見的話筒)，攜帶聲音信息的物理量被全光纖干涉系統(tǒng)采集并進行檢波處理，所得的聲音信號被初步提取后經(jīng)過處理電路信號還原，可還原成原始的聲音信號。整個裝置的關鍵是聲接收探頭對聲音信號的采集靈敏度和全光纖干涉系統(tǒng)的檢波效果。接收探頭的靈敏度決定了整個裝置的無話筒傳輸距離。
聲波在空氣中傳輸將引起空氣環(huán)境聲壓改變，利用這一物理特性，本實用新型設計了由表面纏繞單模光纖的彈性體(如柱狀)作為聲接收裝置。聲壓改變將引起彈性體形狀的改變，根據(jù)彈光效應，光纖長度和折射率將發(fā)生改變。定義這種由于聲壓形成的光纖長度和折射率改變引起的光程變化量為L，L與聲壓成正比關系。
根據(jù)全光纖干涉系統(tǒng)的工作原理，光程差的變化在干涉系統(tǒng)中形成的干涉相位(t)可表示為 上式中，L′(t)=dL(t)dt]]>表示聲壓引起的光程變化率，與光纖彈光特性和彈性柱體特性有關，正比于聲波速度V(t)。
根據(jù)由3×3光纖耦合器構成的全光纖干涉系統(tǒng)特性，干涉信號可分別表示為I1(t)＝I0cos[(t)+0](2)I2(t)＝I0cos[(t)-0](3)根據(jù)上面兩式，可計算出干涉相位，由式(1)得到(t)，從而得到反映聲波速度的物理量L′(t)，通過積分，得到聲波引起的聲壓，最終實現(xiàn)聲音信號還原。
處理電路9(即聲音信號還原電路)由前置低噪音放大器(即電壓放大電路)11和主放大器(即功率放大器)12兩部分組成，如圖5所示。前置放大器11的作用是對微弱聲音信號進行低噪聲放大和音量音質調整，并向主放大器12提供輸入信號。主放大器12提供驅動揚聲器所需功率，其末級要求輸出相當大的功率，所以采用功率放大電路。
本發(fā)明采用光纖無源器件構成干涉系統(tǒng)，在不經(jīng)過電環(huán)節(jié)的情況下，直接實現(xiàn)聲音信號對光信號的調制，然后進行傳輸、檢波和處理，還原成原始的聲音信號。由于整機的靈敏度比普通話筒要高幾百至幾千倍，因此僅需在數(shù)米之外放置一個或幾個聲接收裝置，就可以得到優(yōu)美的音響效果。
本發(fā)明的特點是無需話筒，且失真度小，因此在課堂教育、會議、廣播、演出、微聲探測等方面均可使用。同時由于光纖本身的抗電磁干擾和抗輻射性好、保密性好(防竊聽)，更適合于在野外和軍事演習等特殊情況下使用。


圖1工作原理圖。
圖2由3×3光纖耦合器構成的干涉系統(tǒng)。
圖3由2×2光纖耦合器構成的干涉系統(tǒng)。
圖4處理電路的構成框圖。
圖5前置低噪音放大器。
圖6主放大器。
圖7聲音波形。
圖8系統(tǒng)調制后波形。
圖9還原后的波形。
圖中標號1為穩(wěn)定光源，2為光纖耦合器，3為光纖延遲線，4為聲接收裝置，5、6為光電探測器，7、8為光纖耦合器的兩個端口，9為處理電路，10為喇叭，11為處理電路的前置放大電路，12為主放大器，13為聲源，14為信號，15為揚聲器。
具體實施方式
在本無話筒語音傳輸設備中，全光纖干涉系統(tǒng)有多種實現(xiàn)方式例1由3×3光纖耦合器構成，其結構見圖2所示。
穩(wěn)定光源1發(fā)出的光經(jīng)過跳線FC/PC連接，進入3×3光纖耦合器2，被分光后，從耦合器的端口7發(fā)出的光經(jīng)過光纖延遲線3后，再經(jīng)聲接收裝置4順時針傳輸?shù)蕉丝?。端口8的光先通過聲接收裝置4后再通過光纖延遲線3反時針傳輸?shù)蕉丝?。兩光束在3×3光纖耦合器2中形成攜帶有聲接收裝置物理特征的光信號，被探測器5、6接收。通過反演干涉信號，最終獲得聲接收裝置4的物理特性。
例2由2×2光纖耦合器構成，其結構如圖3所示。
穩(wěn)定光源1發(fā)出的光經(jīng)過2×2光纖耦合器2，被分光后，端口7的光經(jīng)過光纖延遲線3后經(jīng)過聲接收裝置4順時針傳輸?shù)蕉丝?，端口8的光先通過聲接收裝置4后通過光纖延遲線3反時針傳輸?shù)蕉丝?。兩光束在2×2光纖耦合器2中形成攜帶有聲接收裝置物理特征的光信號，被探測器5接收。通過反演干涉信號，最終獲得聲接收裝置4的物理特性。
例1和例2兩種結構的工作原理相同，只是例1(圖2)所示的結構中，有兩路具有一定相位差的輸出信號；而例2(圖3)所示的結構中，只有一路輸出信號。只是輸出信號在相同的工作光源狀況下，大3/2倍。并且輸出信號與公式(2)相比，沒有初始相位0。
處理電路9中的前置放大器11可采用如圖5所示的電路。其中，由三極管G1、電阻R1和R2、電容C1經(jīng)電路連接組成信號耦合電路，由三極管G2、電阻R3和R4、電容C4經(jīng)電路連接組成放大部分，耦合電路通過電容C2和C3與放大電路連接，光電信號探測器13連接于前置放大電路的回路中，由電容C5輸出信號到功率放大電路12。其工作原理如下光電探測器5的輸出信號通過電容C1和電阻R1耦合進入三極管G1，電阻R2提供偏置電壓，從三極管G1輸出的信號通過電容C3和C2耦合進入由電阻R3、R4、電容C4以及三極管G2構成的放大電路，最后通過電容C5輸出信號到功率放大電路。放大系統(tǒng)的供電電壓可為直流12伏電壓。
處理電路9中的功率放大器12可采用如圖6所示的電路。其中，由恒流源M1、二極管D1、二極管D2、恒流源M2依次電路連接組成耦合電路，三極管G3、電阻R5和R6、三極管G4依次電路連接組成放大部分，其末級采用B類晚推電路。其工作原理如下通過前置放大的音頻信號以差分的形式進入由兩個恒流源M1和M2、兩個二極管D1和D2組成的耦合電路，通過由兩個NPN三極管G3和G4構成的功率放大部分，最后輸出大功率的音頻信號，推動喇叭或音響設備，實現(xiàn)聲音信號的播放過程。由于要得到大的輸出，所以末級采用B類推挽電路。當用晶體管或FET構成電路時，常采用SEPP(Signal-ended push pull)電路。SEPP電路的兩個晶體管分別只放大輸入信號的半個周期，而在輸出端合成為一個信號，由于兩個晶體管對負載來說是并聯(lián)的，而對電源來說是串聯(lián)的，所以能夠連接阻抗小的負載。因此，它能不用輸出變壓器而直接連接揚聲器，成為OTL(output transformer less)電路，使得頻率特性和失真率得到改善。
本實用新型對系統(tǒng)的性能進行了測試。全光纖干涉系統(tǒng)采用3×3耦合器，如圖2所示，處理電路采用圖5和圖6所示電路。系統(tǒng)使用中心波長為1.31μm、譜寬20nm的發(fā)光二極管光源。在語音信號源離開聲接收裝置為4米，系統(tǒng)采集到的聲音信號波形如圖7所示，經(jīng)過系統(tǒng)調制后的信號波形如圖8所示；還原的波形如圖9所示。可以看到，全光纖干涉儀很好的完成了語音信號的采集，實現(xiàn)了無話筒擴音功能。
權利要求1.一種無話筒語音傳輸裝置，其特征在于由聲接收探頭、全光纖干涉系統(tǒng)和處理電路(即聲音信號還原電路組成，其中，聲接收探頭(4)由單模光纖纏繞在對聲音產(chǎn)生的空氣壓強變化敏感的彈性體上構成；全光纖干涉系統(tǒng)(2)由光纖耦合器構成，聲接收裝置(4)連接置于光纖耦合器的兩個端口引線中，處理電路由前置低噪音信號放大器和主放大器組成。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于全光纖干涉系統(tǒng)由3×3光纖耦合器構成。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于全光纖干涉系統(tǒng)由2×2光纖耦合器構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述前置低噪音放大電路中，由三極管G1、電阻R1和R2、電容C1經(jīng)電路連接組成信號耦合電路，由三極管G2、電阻R3和R4、電容C4經(jīng)電路連接組成放大部分，耦合電路通過電容C2和C3與放大電路連接，光電信號探測器13連接于前置放大電路的回路中，由電容C5輸出信號到功率放大電路12。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于所述主放大器中，由恒流源M1、二極管D1、二極管D2、恒流源M2依次電路連接組成耦合電路，三極管G3、電阻R5和R6、三極管G4依次電路連接組成放大部分，其末級采用B類晚推電路。
專利摘要本實用新型屬信息技術領域，具體是一種利用光纖無源器件構成的語音傳輸設備。它可以取消常用的話筒而改用語音信號直接調制光信號。特點是靈敏度特高(接收器可距聲源數(shù)米)，穩(wěn)定性好，保密性強，不受電磁輻射影響。可廣泛應用于課堂教學、會議、廣播電臺、演出、微聲探測與民用或軍用場合。
文檔編號H04R3/00GK2678297SQ0321073
公開日2005年2月9日 申請日期2003年9月18日 優(yōu)先權日2003年9月18日
發(fā)明者華中一, 賈波 申請人:復旦大學