CN1645772A - 全光纤单芯双向语音传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明为全光纤单芯双向语音信号传输系统，它能实现点对点语音信号的保密通信。现有的光纤通信系统多采用光强调制的原理，保密性仍有待于提高。本发明主要由激光器、全光纤干涉装置、全光纤受话器与语音信号播放设备组成。本系统利用光频率调制的方法，在全光纤受话器端面镀膜，实现单芯传输，保证了信号传输的保密性。激光经过耦合器分光，镀膜层的反射，进行语音信号的提取与解调，在全光纤干涉装置后端形成稳定的干涉条纹，通过光电转换与音频信号播放设备，将音频信号还原成声音，实现保密通信的功能，可用于点对点的野战音频通信。

Description

全光纤单芯双向语音传输系统

技术领域

本发明属于光纤技术领域，具体涉及一种全光纤单芯双向语音传输系统。

背景技术

现有的光纤通信系统多采用光强调制的原理，不利于消除电磁干扰和强辐射对系统的影响，保密性仍有待于提高。传统的光强调制的主线光纤通信，利用光纤微弯时产生的光强泄露或直接接入光强探测器，获得经声音调制后的光强信号，从而还原出语音信号，造成信号的失密。有待于开发一种利用光频率调制的方法，全光纤单芯双向语音传输系统，实现保密通信的功能。

发明内容

本发明的目的在于提出一种采取单芯双向传输结构、保密性强的用于语音信号双向传输的全光纤单芯双向语音传输系统。

本发明提出的一种全光纤单芯双向语音传输系统，由两组相对称的激光器、全光纤受话器、全光纤干涉装置、音频信号播放设备组成，其特征在于全光纤干涉装置由3×3单模耦合器12与2×2单模耦合器13、14联组成，且两耦合器的一臂均接入光纤延迟线圈15，激光器16发出的光经3×3单模耦合器12的端口1，进入耦合器13、14，通过主线传输光纤21，到达全光纤受话器19^*，经全光纤受话器19^*一端的反射，反射光依次经过主线传输光纤21的传输，并经过耦合器14、13、12，在耦合器12的端口2、3处输出干涉信号，干涉信号传输到光电探测器17、18，将光信号转换为电信号，光电探测器17、18后连接音频信号播放设备，即可还原出音频信号；反之，另一组传输过程依然，系统为单芯传输。

本发明中，传输光纤可以采用单模光纤。

本发明中，全光纤受话器的端面镀膜，可以实现单芯传输。

本发明中，激光器为工作波长1.31μm的SLD超辐射发光二极管或LD激光二极管。

本发明运用全光通信概念，利用全光纤话筒的弹光效应，实现语音信号的录入，而非传统的光强调制。

以为全光纤受话器19^*，全光纤音频信号解调系统20的传输过程为例，激光的传播路线可以为：

(1)端口1-耦合器12-端口4-光纤延迟器15-端口6-耦合器13-端口8-端口9-耦合器14-端口11-耦合器14^*-耦合器10^*-全光纤受话器19^*-耦合器10^*-耦合器10^*-耦合器14^*-端口11-耦合器14-端口9-端口8-耦合器13-端口6-光纤延迟器15-端口4-耦合器12-端口2。

(2)端口1-耦合器12-端口5-端口7-耦合器13-端口8-端口9-耦合器14-端口11-耦合器14^*-耦合器10^*-全光纤受话器19^*-耦合器10^*-耦合器14^*-端口11-耦合器14-耦合器9-端口8-耦合器13-端口7-端口5-耦合器12-端口3。

(3)端口1-耦合器12-端口4-15-端口6-耦合器-13-端口8-端口9-耦合器14-端口11-耦合器14^*-耦合器10^*-全光纤受话器19^*-耦合器10^*-耦合器14^*-端口11-耦合器14-耦合器9-端口8-耦合器13-端口7-端口5-12-端口3。

(4)端口1-耦合器12-端口5-端口7-耦合器13-端口8-端口9-耦合器14-端口11-耦合器14^*-耦合器10^*-全光纤受话器19^*-耦合器10^*-耦合器10^*-耦合器14^*-端口11-耦合器14-端口9-端口8-耦合器13-端口6-15-端口4-耦合器12-端口2。

在光的传输过程中，只有满足(1)式，才可形成稳定的干涉。

                      ΔL＜L₀                                      (1)

ΔL为光程差，L₀为激光的相干长度。四束光中，由于光纤延迟线的长度远远大于激光器的相干长度，所以，仅有(3)和(4)符合条件(1)。(1)(2)两束光不会发生干涉。

利用混频原理来解释此发明的解调原理。此系统利用光纤耦合器等无源器件实现光波的混频干涉功能，即光信号的差频原理。通过两束携带有音频信号的光信号混频干涉，完成音频信号的解调。

如图3所示，f₁，f₂可表示为两束相干光的频率，f₁可表示为，

                   f₁＝f₀+F(t)                                     (2)

式中的F(t)表示声波在时刻t时的频率，f₀为载波(光波)频率。

另一相干光的频率f₂可表示为：

                   f₂＝f₀+F(t-τ)                                  (3)

上式中，F(t-τ)表示声波在时刻t-τ时的频率。

利用式(2)(3)，将差频信号f可表示为：

                f＝f₁-f₂＝F(t)-F(t-τ)                             (4)

根据光波的多谱勒频移原理，光波的频移F(t)与其引起相位变化的外界扰动源速度V(t)成正比，即有

$F\left(t\right)=\frac{1}{\mathrm{\λ}}V\left(t\right)---\left(5\right)$

混频后信号的相位差φ(t)在时间上表现为频率的积分

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t\mathrm{fdt}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t[F\left(t\right)-F(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}=2\mathrm{\π}{\∫}_0^t\frac{1}{\mathrm{\λ}}[V\left(t\right)-V(t-\mathrm{\τ})]\mathrm{dt}$

                                                            (6)

利用数学变换关系，上式可表示为

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\∫}_{t-\mathrm{\τ}}^{t}V\left(t\right)\mathrm{dt}=\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})---\left(7\right)$

假设探测器所接收的一束光的幅度为E(t)，两束光初始相位差为φ₀，因混频产生的相位差为φ，则另一束光的幅度为：

$E^{\′}\left(t\right)=E\left(t\right)e^{-j(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)}---\left(8\right)$

于是探测器的信号强度为：

$P\left(t\right)={\left|E\right(t)+E^{\′}(t\left)\right|}^2={\left|E\left(t\right)\right|}^2{|1+e^{-j(\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)}|}^2={\left|E\right(t\left)\right|}^2[2+2\cos (\mathrm{\φ}+{\mathrm{\φ}}_0)]$

换成用V(t)表示，并作泰勒展开得：

$P\left(t\right)={\left|E\right(t\left)\right|}^2\{2+2\cos [\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})+{\mathrm{\φ}}_0\left]\right\}$

$={\left|E\right(t\left)\right|}^2[2+2\cos {\mathrm{\φ}}_0-2\sin {\mathrm{\φ}}_0\·\frac{2\mathrm{\π\τ}}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})]$

$=2{\left|E\right(t\left)\right|}^2[1+\cos {\mathrm{\φ}}_0-\frac{2\mathrm{\π\τ}\sin {\mathrm{\φ}}_0}{\mathrm{\λ}}V(t-\frac{\mathrm{\τ}}{2})]$

E(t)可以调制，使之恒定，这样实质上就完成了P-V的转换，即通过此装置将V(t)还原。V(t)代表声源的震动，与声压成正比，即可还原出声音。

本发明的突出优点是具有很强的保密性。传统的光强调制的主线光纤通信，可利用光纤微弯时产生的光强泄露或直接接入光强探测器，获得经声音调制后的光强信号，从而还原出语音信号，造成信号的失密。本发明是一种全光纤单芯双向语音传输系统，其全光纤干涉装置20、20^*及全光纤受话器19、19^*均处于通信线路的终端，不易失密。对于主线传输光纤21，由于系统采用单芯、受话器端面镀膜的新型结构，传输光纤内已调制信息与未调制信息揉和在一起，即使提取，也不能对此两路信号进行分离，所以对主线光纤21长度较短，使得在主线传输线21中窃取的信号进行还原时所需构造的相同干涉系统无法实现，进一步增加了系统的保密性。

全光纤语音传输系统在野战通讯、军事保密、网络安全等领域都具有广泛的应用前景。本系统完整的再现了全光通信原理，利用光弹效应原理实现音频信号的录入，省去了传统光纤语音传输系统中光电转换的步骤，有利于消除电磁干扰和强辐射对系统的影响；最重要的是由于本系统采用了单芯传输以及全光纤话筒端面镀膜的结构，使其具有很强的保密性。因此，本发明可用于野战音频的点对点通信及相关保密通信领域。

附图说明

图1是本发明结构框图。

图2是单芯双向语音传输系统装置图。

图3是端面镀膜的全光纤受话器示意图。

图4是混频原理框图。

图5是原始声音信号曲线与经过单芯双向语音传输系统后所还原出的语音信号曲线的对比图。图中标号：12、12^*为3×3单模耦合器，13、13^*为2×2单模耦合器，14、14^*为2×2单模耦合器，1-5、1^*-5^*分别为耦合器12、12^*的输入、输出端口，6-8、6^*-8^*为耦合器13、13^*的输入、输出端口，9-11、9^*-11^*为耦合器14、14^*的输入、输出端口，15、15^*为光纤延迟线圈，16、16^*为激光器，17、17^*为光电探测器，18、18^*为光电探测器，19、19^*为全光纤受话器，20、20^*为全光纤干涉装置，21为主传输光纤，22、22^*为音频信号输出子结构，23为话筒镀膜端示意。24为通过系统传输还原后的语音信号曲线，25为原始语音信号曲线。

具体实施方式

实施例

下面通过实施例进一步描述本发明。

在本实施例中，采用光源是四十四所生产的SLD超辐射发光二极管稳定光源(16)，用跳线(FC/APC)连接进入武汉邮电研究院生产的3^*3单模耦合器(12)，光纤耦合器(12)与延迟线圈(15)之间，(15)与2^*2单模耦合器(13)之间也采用跳线连接，5与7、8与9均用日本古河生产的光纤融接机融接，2^*2单模耦合器(14)与全光纤受话器(19)之间也用跳线连接。其中光电探测器为电子部44所生产的型号为GT322C500的InGaAs光电探测器，探测器(17)、(18)与耦合器(12)之间也为跳线连接。下端20^*，22^*，16^*，19^*模块的连接如上述相同。所用的光纤为美国生产的“康宁”G652型单模光纤。传输信号为语音信号。

系统中，(20)构成了语音信号的解调模块，即全光纤干涉模块，19为语音信号的调制模块，两套对称的调制与解调模块组合在一起，并利用上面所列的器件与构成方式，构造出图2所示的全光纤单芯双向语音传输系统。原始语音信号与通过此系统还原后的信号曲线对比如图3所示。

Claims (4)

1、一种全光纤单芯双向语音传输系统，由两组相对称的激光器、全光纤受话器、全光纤干涉装置、音频信号播放设备组成，其特征在于全光纤干涉装置由3×3单模耦合器(12)与2×2单模耦合器串联(13)、(14)组成，且两耦合器的一臂均接入光纤延迟线圈(15)；激光器(16)发出的光经3×3单模耦合器(12)的端口(1)，进入耦合器(13)、(14)，通过主线传输光纤(21)，到达全光纤受话器(19^*)，经过全光纤受话器(19^*)一端的反射，反射光依次经过主线传输光纤(21)的传输，并经过耦合器(14)、(13)、(12)，在耦合器(12)的端口(2)、(3)处输出干涉信号，干涉信号传输到光电探测器(17)、(18)，将光信号转换为电信号，光电探测器后连接音频信号播放设备，即可还原出音频信号；反之，另一组传输过程依然，系统为单芯传输。

2、根据权利要求1所述的单芯双向语音传输系统，其特征在于传输光纤为单模光纤。

3、根据权利要求1所述的单芯双向语音传输系统，其特征在于全光纤受话器的端面镀膜。

4、根据权利要求1所述的单芯双向语音传输系统，其特征是采用的激光器为工作波长1.31μm的SLD超辐射发光二极管或LD激光二极管。

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