CN114650098A

CN114650098A - 一种基于光纤信能传输的声音传输系统

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Publication number: CN114650098A
Application number: CN202210236889.8A
Authority: CN
Inventors: 吕辉; 陈浩; 官成钢; 姚育成; 胡玥; 郭灿
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2042-03-10
Also published as: CN114650098B

Abstract

本发明公开了一种基于光纤信能传输的声音传输系统，包括布设于中心站的声音接收单元、信号处理单元和电光转换单元，布设于基站的光电转换单元、交直流分离单元和声音还原单元，以及光纤；声音接收单元将音频信号转换为交流电信号；信号处理单元将交流电信号与直流源产生的直流电信号叠加成交直流混叠电信号；电光转换单元将交直流混叠电信号转换为能量光和信号光，并经光纤传输至基站；光电转换单元将能量光和信号光还原成交直流混叠电信号，直流分离单元分离出交流电信号与直流电信号，直流电信号用来给基站中有源器件供能，交流电信号经声音还原单元还原成音频信号。本发明实现了音频信息长距离的安全传输和高质量还原，适用范围广。

Description

一种基于光纤信能传输的声音传输系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤信能传输的声音传输系统。

背景技术

光纤兼备信息传递和感知的能力，拥有柔性质轻、耐高温和腐蚀、损耗度极低、无源、抗电磁干扰等优良物理特性，光纤传感展现出了巨大的应用潜力。光纤传感中备受关注的光纤信能共传技术，该技术利用光纤将信号光和能量光从中心站传输到基站。信号光经基站中的光伏器件转换成电信号，传递电信号给基站中的有源器件，对电信号进行处理。能量光通过光伏器件转换成电能，给基站中的有源器件进行供电。光纤信能共传技术将信号的产生和处理，以及能量产生等复杂设备集中在中心站，简化了基站的结构，降低了基站的功耗和成本。并且通过光纤传能可实现远端基站的无源化，大大降低了供电布线难度。

对于一些强磁场、强电场的特殊环境，以及抢险救灾、岛屿通信、军事通信等特殊场合，目前的声音传输系统普遍存在搭建复杂且成本高，而且需要大量铺设电线，并采用有源器件，存在安全隐患。

发明内容

为解决背景技术中提到的技术问题，本发明提供了一种基于光纤信能传输的声音传输系统。

本发明的技术方案如下：

一种基于光纤信能传输的声音传输系统，包括布设于中心站的声音接收单元、信号处理单元和电光转换单元，布设于基站的光电转换单元、交直流分离单元和声音还原单元，以及光纤；

所述声音接收单元用来接收音频信号并将音频信号转换为交流电信号；所述信号处理单元进一步包括滤波去噪子单元和驱动调制子单元，其中，滤波去噪子单元用来给交流电信号进行滤波去噪；驱动调制子单元用来将滤波去噪后的交流电信号调制到由直流源产生的直流电信号上，叠加成交直流混叠电信号，并将交直流混叠电信号加载到电光转换单元上；所述电光转换单元用来将交直流混叠电信号转换为能量光和信号光；

所述光纤用来将能量光和信号光传输至光电转换单元；所述光电转换单元用来将能量光和信号光还原成交直流混叠电信号；所述交直流分离单元用来从交直流混叠电信号中分离出交流电信号和直流电信号，分离出的直流电信号用来给基站供能；所述声音还原单元用来将分离出的交流电信号还原成音频信号。

在一些具体实施方式中，交直流分离单元包括两条并联支路，第一条支路为串联的电感器和第一可变电阻器，第二条支路为串联的电容器和第二可变电阻器；交直流混叠电信号输入到交直流分离单元，在第一可变电阻器两端得到分离出的直流电信号，在第二可变电阻器两端得到分离出的交流电信号。

在一些具体实施方式中，滤波去噪子单元进一步包括串联的低通滤波器和高通滤波器，低通滤波器用来过滤掉交流电信号中的低频噪声，高通滤波器用来过滤掉交流电信号中的高频噪声。

在一些具体实施方式中，低通滤波器采用两个运算放大器构建。

在一些具体实施方式中，高通滤波器采用两个运算放大器构建。

在一些具体实施方式中，驱动调制子单元包括第一运放稳压子单元、第二运放稳压子单元和加法器；第一运放稳压子单元用来对交流电信号进行放大稳压，第二运放稳压子单元用来对直流源产生的直流电信号进行放大稳压，加法器用来将第一运放稳压子单元输出的交流电信号调制到第二运放稳压子单元输出的直流电信号上，获得交直流混叠电信号。

在一些具体实施方式中，第一运放稳压子单元和第二运放稳压子单元均为采用运算放大器构建的同相放大电路。

在一些具体实施方式中，加法器采用运算放大器构建。

在一些具体实施方式中，电光转换单元为激光器，且光电转换单元为光伏电池。

在一些具体实施方式中，所述直流源为用来给电光转换单元供能的直流源。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)本发明利用光纤，实现了中心站与基站间的声音传输，以及对基站进行供能；对20公里以上的长距离，也实现了音频信息的安全传输和高质量还原。

(2)本发明系统在低光功率(低于1mW)情况下，基站中的光电转换单元也能实现光电转换，同时驱动基站的声音还原单元，并高质量地还原出音频信息。

(3)本发明系统将复杂设备集中于中心站，简化了远端基站结构，实现了基站无源化，可避免大量铺设电线，从而避免安全隐患，降低基站功耗，降低搭建难度和成本。

(4)适用范围广，对强磁场、强电场等特殊环境，以及抢险救灾、岛屿通信、军事通信等特殊场合均适用。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图；

图2是具体实施方式中交直流电压分离单元的电路图；

图3是具体实施方式中信号处理单元的电路图；

图4是实施例中样机性能测试示意图。

图中，1-中心站，2-声音接收单元，3-信号处理单元，301-滤波去噪子单元，301a-低通滤波器，301b-高通滤波器，302-驱动调制子单元，302a-第一运放稳压子单元，302b-第二运放稳压子单元，303c-加法器，4-电光转换单元，5-光电转换单元，6-交直流分离单元，7-声音还原单元，8-基站，9-光纤，10-信号源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。此外，下面所描述的具体实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参见图1，所示为本发明系统的结构示意图，本发明声音传输系统包括布设于中心站1的声音接收单元2、信号处理单元3和电光转换单元4，布设于基站8的光电转换单元5、交直流分离单元6和声音还原单元7，以及光纤9；中心站1和基站8之间通过光纤9通信。声音接收单元2用来接收信号源10发出的音频信号，并将接收的音频信号转换为模拟连续的交流电信号，声音接收单元2可选择麦克风或咪头，但不限于此。

声音接收单元2转换的交流电信号传输至信号处理单元3。本具体实施方式中，信号处理单元3进一步包括滤波去噪子单元301和驱动调制子单元302，滤波去噪子单元301用来对交流电信号进行滤波降噪；驱动调制子单元302用来将降噪后的交流电信号调制到由直流源产生的直流电信号上，叠加成交直流混叠电信号，并将交直流混叠电信号加载到电光转换单元4上。电光转换单元4在交直流混叠电信号中交流电信号作用下产生信号光，在直流电信号下产生能量光。能量光用来通过光形式传输能量，而信号光则用来通过光形式传输音频信息。能量光与信号光统称为光信号。本具体实施方式中直流源为用来给电光转换单元4供能的直流电压源；电光转换单元采用激光器，激光器用来将加载的电信号转换成固定波长的激光束。

光信号通过光纤9传输至布设于基站8的光电转换单元5，光电转换单元5用来将光信号转换成交直流混叠信号，其中，能量光被转换成为直流电信号，信号光被转换成交流电信号。本具体实施方式中，光电转换单元5采用光伏电池，光伏电池是一种对特定波长响应度更优、转换效率更高、且可直接发电的光电半导体薄片，在低照度条件下也可瞬间输出电压信号。

交直流混叠电信号输出至交直流电分离单元6，交直流电分离单元6从交直流混叠电信号中分离出交流电信号和直流电信号，直流电信号用来给布设于基站8的有源设备供能；声音还原单元7用来将分离出的交流电信号还原成音频信号并进行播放。本具体实施方式中声音还原单元7采用扬声器。

参见图2，所示为交直流分离单元的电路图，图中箭头所指代表电流方向。本具体实施方式中，交直流分离单元用来分离出直流电信号和交流电信号。交直流分离单元6包括两条并联支路，第一条支路为串联的电感器L和上限10kΩ的第一可变电阻器R，第二条支路为串联的电容器C和第二可变电阻器R_c。交直流混叠信号输入到交直流分离单元，在第一可变电阻器R两端得到直流电压V，即分离出的直流电信号，直流电压V用来对基站的有源设备供能。在第二可变电阻器R_c两端得到交流电压V(t)，即分离出的交流电信号，交流电信号携带音频信息，经声音还原单元7还原出音频信息。

参见图3，所示为具体实施方式中信号处理单元的电路图，经声音接收单元B1转换后的交流电信号接入信号处理单元，本具体实施方式中交流电信号为交流电压信号，记为ADDIO IN信号。信号处理单元3进一步包括滤波去噪子单元301和驱动调制子单元302。滤波去噪子单元301进一步包括串联的低通滤波器301a、高通滤波器301b，低通滤波器用来过滤掉交流电信号中的低频噪声，高通滤波器用来过滤掉交流电信号中的高频噪声。本具体实施方式中，低通滤波器采用第一运算放大器AD1和第二运算放大器AD2构建，高通滤波器采用第三运算放大器AD3和第四运算放大器AD4构建。ADDIO IN信号依次经低通滤波器、高通滤波器进行滤波降噪，得到LD MDO信号。

驱动调制子单元302进一步包括第一运放稳压子单元302a、第二运放稳压子单元302b、加法器303c，第一运放稳压子单元302a用来对交流电信号进行运放稳压，本具体实施方式中用来对LD MDO信号进行放大和稳压；第二运放稳压子单元302b用来对直流电信号进行运放稳压，本具体实施方式中用来对直流电压源产生的直流电压信号LD SET进行放大和稳压，直流电压源为给激光器供能的电压源。第一运放稳压子单元302a、第二运放稳压子单元302b输出的交流电信号、直流电压信号LD SET输入加法器303c进行混叠，得到包含直流电信号和交流电信号的交直流混叠信号，交直流混叠信号给电光转换单元4进行供电。本具体实施方式中，第一运放稳压子单元302a为采用第五运算放大器AD5构建的同相放大电路，第二运放稳压子单元302b为采用第六运算放大器AD6构建的同相放大电路，加法器303c采用第七运算放大器AD7构建。

采用上述声音传输系统进行声音传输的方法，包括步骤：

步骤1：声音接收单元接收音频信号，并将音频信号转换为交流电信号。

步骤2：信号处理单元中的滤波去噪子单元对转换的交流电信号进行滤波、去噪、运放，获得稳定无噪声的交流电信号。

步骤3：信号处理单元中的驱动调制子单元，将交流电信号调制到直流源输出的直流电信号上，叠加成交直流混叠电信号，将交直流混叠电信号加载到电光转换单元上。

步骤4：电光转换单元将加载的交直流混叠电信号转换为光信号，光信号包括信号光和能量光，并通过光纤将光信号发送给光电转换单元。

步骤5：光电转换单元将光信号转换成交直流混叠电信号。

步骤6：交直流分离单元将交直流混叠电信号中的直流电信号和交流电信号进行分离，分离出来的直流电用来给基站进行供能，分离出来的交流电发送给声音还原单元，声音还原单元还原出音频信号。

实施例

本实施例将对具体实施方式中的声音传输系统性能进行测试评估。

参见图4，样机即搭建的声音传输系统，对样机输入预设频率和振幅的正弦波信号，测试样机输出端音频信号的质量。具体的测试方法为：通过音频分析仪控制音响播放正弦波信号，在样机的声音接收单元(本实施例中声音接收单元为麦克风)附近放置一标准麦克风，样机中声音输出端口连接耳机，可调光衰减器用来对光纤中光信号进行衰减，从而模拟光信号在长距离传输中的光损耗。衰减后的光信号通过光纤传输给基站，采用人工耳捕获基站中耳机端的音频信号。对人工耳捕获的音频信号，采用音频分析仪分析声学过载点AOP、耳机声压等音频指标，标准麦克风的声压值则作为样机的输入音源声压参考值。在光功率为1mW时，改变音响输出音频的音量，从而改变样机的输入声压。由测试结果可知，在低光功率照射时，总谐波失真THD为10％时，最佳可实现声学过载点AOP指标为105.4dB、耳机声压为112dB的音频传输效果。

上述实施例所述是用以具体说明本发明，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本发明的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本发明的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims

1.一种基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

包括布设于中心站的声音接收单元、信号处理单元和电光转换单元，布设于基站的光电转换单元、交直流分离单元和声音还原单元，以及光纤；

2.如权利要求1所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述交直流分离单元包括两条并联支路，第一条支路为串联的电感器和第一可变电阻器，第二条支路为串联的电容器和第二可变电阻器；交直流混叠电信号输入到交直流分离单元，在第一可变电阻器两端得到分离出的直流电信号，在第二可变电阻器两端得到分离出的交流电信号。

3.如权利要求1所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述滤波去噪子单元进一步包括串联的低通滤波器和高通滤波器，低通滤波器用来过滤掉交流电信号中的低频噪声，高通滤波器用来过滤掉交流电信号中的高频噪声。

4.如权利要求3所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述低通滤波器采用两个运算放大器构建。

5.如权利要求3所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述高通滤波器采用两个运算放大器构建。

6.如权利要求1所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述驱动调制子单元包括第一运放稳压子单元、第二运放稳压子单元和加法器；第一运放稳压子单元用来对交流电信号进行放大稳压，第二运放稳压子单元用来对直流源产生的直流电信号进行放大稳压，加法器用来将第一运放稳压子单元输出的交流电信号调制到第二运放稳压子单元输出的直流电信号上，获得交直流混叠电信号。

7.如权利要求6所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述第一运放稳压子单元和第二运放稳压子单元均为采用运算放大器构建的同相放大电路。

8.如权利要求6所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述加法器采用运算放大器构建。

9.如权利要求1所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述电光转换单元为激光器，且所述光电转换单元为光伏电池。

10.如权利要求1所述的基于光纤信能传输的声音传输系统，其特征是：

所述直流源为用来给电光转换单元供能的直流源。