基于PSD的激光語音還原系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王彥強(qiáng) 李登輝 錢惠國 沈建國

【摘要】設(shè)計(jì)了一種基于一維PSD位置傳感器的激光語音還原系統(tǒng)，通過硬件處理，降低了系統(tǒng)的噪聲，獲得了高品質(zhì)的語音信號(hào)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可清晰地還原出距聲源10m外強(qiáng)度為60dB的原始語音信號(hào)。

【關(guān)鍵詞】一維PSD傳感器;激光語音還原;降噪

1.引言

激光具有方向性好、相干性好及亮度高等特點(diǎn)[1]，很適宜作為攜帶信息的載體。較傳統(tǒng)的電子偵聽手段，激光監(jiān)聽具有隱密性好、不留痕跡、無需靠近目標(biāo)、不易受電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，將在未來國家安防等領(lǐng)域起重大作用[2]。另外，PSD位置傳感器具有分辨率高、響應(yīng)速度快、對(duì)光源及光學(xué)系統(tǒng)的要求比較低、光譜響應(yīng)比較寬等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于激光的監(jiān)控（對(duì)準(zhǔn)、位移、振動(dòng)）、平面度檢測(cè)、傾斜度的檢測(cè)和二維位置的檢測(cè)等[3]。本文采用一維PSD傳感器作為光接收器設(shè)計(jì)了激光語音還原系統(tǒng)，降低系統(tǒng)噪聲，清晰地還原出原始語音。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，在屋外較遠(yuǎn)處用紅外激光器發(fā)出準(zhǔn)直性好、發(fā)散角小的一束激光，打在屋子窗戶或其他易受聲壓作用產(chǎn)生振動(dòng)的物體上。當(dāng)聲源發(fā)聲時(shí)，物體受聲壓作用振動(dòng)，引起反射回來的激光束振動(dòng)，于是屋內(nèi)聲源信息便托載在反射激光束上。

圖1 激光語音還原系統(tǒng)框圖 ? ?圖2 PSD位置信號(hào)獲取框圖

因此，只要對(duì)該微弱的振動(dòng)信號(hào)（對(duì)應(yīng)PSD傳感器的位置）做一處理，便可得到我們所需的語音信息。由于該信號(hào)比較微弱，噪聲影響大，需要設(shè)計(jì)硬件電路降低噪聲。同時(shí)也可利用計(jì)算機(jī)自帶的聲卡將之采集進(jìn)計(jì)算機(jī)，通過編寫基于MATLAB的程序，方便進(jìn)一步處降噪、存儲(chǔ)、回放等。

3.一維PSD原理及處理電路

PSD是一種基于橫向光電效應(yīng)的非分割型位置傳感器件，它可將光敏面上的光點(diǎn)位置信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。將PSD兩個(gè)信號(hào)電極的輸出電流作如下處理：

（1）

則得到的結(jié)果只與入射光點(diǎn)的位置坐標(biāo)有關(guān)，而與入射光強(qiáng)度無關(guān)，此時(shí)PSD就成為僅對(duì)入射光點(diǎn)位置敏感的器件。稱為一維PSD的位置輸出信號(hào)，檢測(cè)原理如圖2所示。

4.硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 I-V轉(zhuǎn)換、求和電路設(shè)計(jì)

由于PSD輸出光電流很微弱，因此要選用低輸入失調(diào)電流、低溫票的運(yùn)放，且?guī)捿^寬。綜合考慮，選用美國AD公司的OP271EZ運(yùn)放。相對(duì)PSD輸出的幾微安的電流，OP271EZ的4nA的輸入失調(diào)電流僅，引起千分之幾的誤差，其溫漂為0.4μV/℃，帶寬增益積為5MHz，均滿足要求。設(shè)計(jì)的前置放大電路設(shè)計(jì)如圖3所示，反饋電阻R1為 47KHz，輸出關(guān)系為：

（2）

其中表示PSD一只引腳的輸出光電流，同理。為消除高頻噪聲及防止高頻自激，在反饋電阻R1兩端并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容C1，大小為50pf，截止頻率：

（3）

求和電路采用目前比較常用的反相求和運(yùn)算電路來實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。其輸出關(guān)系：

（4）

圖3 前置放大電路（I/V轉(zhuǎn)換） ? ? ? ?圖4 反相求和運(yùn)算電路

4.2 求差、除法電路設(shè)計(jì)

減法、除法電路選用AD公司的數(shù)據(jù)處理器AD734芯片來完成。AD734是一種高性能的模擬乘法/除法器，滿量程帶寬為10MHz，其內(nèi)部已包含減法單元、加法單元、除法單元，因此不需要另外設(shè)置求差電路，這給電路設(shè)計(jì)帶來了方便?；诖?，設(shè)計(jì)了如圖5所示的電路，電路輸出為：

（5）

其中，代表的是和信號(hào)，在實(shí)驗(yàn)過程中其符號(hào)不會(huì)改變。

圖5 AD734構(gòu)成的減除法電路圖 ? ? ? ? ?圖7 雙T型陷波器

圖6 二階巴特沃斯帶通濾波電路

4.3 濾波電路設(shè)計(jì)

本文關(guān)注的音頻信號(hào)主要集中在300Hz～3400Hz之間，因此可設(shè)計(jì)帶通濾波器降低系統(tǒng)帶外噪聲。如圖6，采用優(yōu)化的濾波器設(shè)計(jì)方法，電阻電容參數(shù)容易確定[5]，并可以方便地按需調(diào)整。上、下限截至頻率分別為：

（6）

此外，為了抑制抑制50Hz工頻干擾信號(hào)，設(shè)計(jì)了雙T型陷波器如圖7，其電壓放大倍數(shù)和品質(zhì)因素分別為：

（7）

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將音箱放在貼有反射鏡的盒子內(nèi)，激光束打在發(fā)射鏡上反射回來后照射在一維PSD傳感器光敏面上。當(dāng)距離約10m時(shí)，通過示波器觀察到還原后的語音信號(hào)波形如圖8所示，其中圖8（a）表示800Hz的單頻率音頻信號(hào)波形，圖8（b）表示還原出的一串英文字母的波形。經(jīng)測(cè)定，聲音強(qiáng)度均為60dB左右。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的“基于PSD的激光語音還原系統(tǒng)”方案切實(shí)可行。此外，采用鎖相放大技術(shù)或調(diào)制解調(diào)的方法處理PSD信號(hào)以及采用DSP數(shù)字信號(hào)處理芯片處理語音信號(hào)，將大大提高系統(tǒng)信噪比，這將是筆者后續(xù)改進(jìn)的方向。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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浙江師范大學(xué)國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動(dòng)計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號(hào)：201310345008）。