基于LabVIEW的远程激光通讯系统

基于LabVIEW 的远程激光通讯系统
李冬冬，唐志鸿，朱镇藩，黄锦杰，庞土荣
(华南理工大学广州学院，广州510800)
摘要:激光通讯是一种新型的通讯方式。

随着激光技术的发展，激光通讯技术被应用在越来越多的高新科技领域中，特
别是卫星通讯等前沿技术领域。

文中提出了一种基于LabVIEW 的加密实时语音的激光通讯方式。

通过LabVIEW 程序采集 音频信号，加密后储存到指定文件夹，播放出加密后的音频信号。

音频信号经过激光调制电路转变为激光信号，接收端电路 解调激光信号，把激光信号转换为音频信号。

由NI 采集卡MY DAQ 采集经过解调的音频信号，将采集到的音频信号经过接 收端的上位机解密还原后得到原始信号。

以此达到语音信号加密传输的目的。

关键词:激光通讯;LabVIEW ;信号调制与解调;音频信号加密解密中图分类号:TP 391.7 文献标志码:A
文章编号：1002-2333( 2016) 12-0005-03
Remote Laser Communication System Based on LabVIEW
LI Dongdong, TANG Zhihong, ZHU Zhenfan, HUANG Jinjie, PANG Shirong
(Guangzhou College, South China University of Technology, Guangzhou 510800, China)
Abstract ： Laser communication is a new means of communication. With the development of laser techniques, laser
communication technologies are applied in an increasing number of high-tech fields, especially in frontal technologies such as satellite communications. This paper proposes a laser communication method of encryption real-time voices based on LabVIEW program. LabVIEW program is used to collect audio signals, encrypts and stores them into the specified folder, eventually plays the encrypted audio signals. Through the modulation circuit system of laser, the audio signals are converted into the laser signals. The receiver demodulates the laser signals, and converts them to the audio signals. MY DAQ, a NI capture card, collects the demodulated audio signals, and restores them to their origin through the decryption of the LabVIEW program in the receiving end. Then the encrypted transmission of voice signals is achieved.Keywords ： laser communications; LabVIEW; signal modulation and demodulation; audio signal encryption and decryption
引言
本设计旨在开发基于LabVIEW 的远程语音激光通讯 系统，利用LabVffiW 和底层电路来建立一个集录音、播 放、加密、解密功能于一体的语音通讯系统。

激光具有亮 度高、方向性强等特征。

激光通讯是一种利用激光传输信 息的通信方式，这种通讯方式容量大、传输距离远、方向 性强。

本次设计的基于LabVIEW 的远程语音激光通讯系 统，对于后期的激光通讯的研究有很好的铺垫作用。

1
总体设计
本次设计为使用LabVIEW 编写的上位机播放经过加密 的音频信号，经过发射端电路调制为PWM 激光信号，接收端 电路接收PWM 激光信号并解调为音频信号，NI 采集卡将解 调后的信号作为接收端上位机的信号源，信号经过软件的 解密后得到原始信号，同时保存到文件中。

系统总体功能如 图1所示。

2
上位机的开发
上位机采用虚拟仪器技术(Lab V IEW )来进行编程。

(41)：86-88.[9] CRAIG J J.机器人学导论[M].负超，译.北京：机械工业出版
社,2006 :48-59.[10] 蔡自兴，谢斌.机器人学[M].北京：清华大学出版社,2015: bVIEW
是
一种程序开 发环境，由美 国国家仪器
(NI)公司研制
开发，类似于
C 和BASIC 开
发环境，但是
LabVIEW
不
同于基于文 本的编程语
言，它是一种图形编程语言，俗称G 语言，其编程过程就是 通过图形符号来描述程序的行为，其产生的程序是框架 的形式，简单明了，是开发测量或者系统的理想选择。

Lab V IEW 开发环境集成了工程师和科学家快速构建各种
应用所需的工具，这将会大大加快工程师和科学家的开 发速度。

(编辑昊天）作者简介:杨亮亮(1978—)，男，博士，副教授，研究方向为高速高精运 动控制。

收稿日期：2016-06-06
图1系统总体功能图
网址: 电邮：hrbengineer@ 2016 年第 12 期
■
5
1 )LabVIEWi 吾音播放系统的搭建如下。

发射端的上位机分为3个模块，分别是实时语音、录 制声音信号和播放声音信号模块，在界面可以通过选项 卡来切换这3个模块。

其中，实时语音模块在录制信号的 基础上增加了波形加密和实时播放的功能。

实时语音模 块通过电脑的声卡或者外部的输入语音设备对声音信号 进行采集，将采集到的声音信号存储到指定的文件，与此 同时，将波形信号进行加密后播放。

采集之前可以定义每 通道采样数、采集设备、采样模式等参数。

每通道采样总 数=每通道采样数x 循环次数，采样时间=每通道采样总 数/采样率，然后再将得到的采样时间进行格式化，得到 录制声音信号的时长，如图2所示。

利用声音信号波形的特点，对声音信号进行加密。

实 时语音信号波形经过一套加密算法后将变得杂乱无章， 此时播放出来的声音信号已经不是原始信号了，而这套 加密算法就相当于给声音信号上了一把“锁”，只有拥有 相对应的“钥匙”才能得到原始声音信号，如图3所示。

在播放声音信号模块中，先判断所要播放的声音文 件路径是否为合法的非空路径，如果声音文件路径合法 并且非空，则可以获得声音波形文件(.wav )的数据。

声音 信号会按照设定的采样模式、每通道采样数、声音格式等 参数的设置进行播放。

播放过程中，可以实现增加、减小
读取声音文件前，先定义每通道采样总数、位置模式和 位置偏移量的参数，根据已播时长=已播采样数/采样率，文
件总时长=(每通道采样总麵通道采样数)x (每通道采样数 /采样率)，将得到的已播时长和文件总时长进行格式化，将 直观的时间数据呈现在软件界面上，如图4所示。

利用事件 结构来实现暂停、更换声音文件、停止功能，如图5所示。

本系统的播放模块具有暂停播放、停止播放、结束程 序、加密等功能，并且界面的波形图与声音信号同步。

基于LabVIEW 的语音接收端分为接收、播放并存储 和选择文件播放2个模块。

在接收、播放并存储模块中，接 收端利用NI 的采集卡采集经过解调后的信号，然后利用 接收端的上位机将信号进行解密并且将解密后的信号进
行存储，最后通过电脑的声卡或者外部设备将解密后的 信号进行播放。

在选择文件播放模块中，则可以播放已经 存在的波形文件。

基于本系统的加密算法，进行反算法得到原始信号。

只有得到加密算法，才能设置相应的反算法。

从而将加密 的波形还原成原始波形，所以这个激光系统具有很高的 保密性，如图6所示。

音频信号是一种连续变化的模拟信号，可用一条连 续的曲线来表示，扬声器直接由模拟音频信号驱动发声， 模拟音频信号的频率、峰值、波形分别控制声音的频率、 分贝和音色。

用于较远距离的信号传输一般采用数字信号，数字信应用L M 311数字信号调制电路
号传输对于
2
模拟信号传音频信号------►V >\ 7
P W M 输来说优点三角波------
^
主要在于抗干扰能力G N D
强。

因而数
图7 LM
311脉宽调制原理示意图
6 | 2016 年第 12 期网址: 电邮：
hrbengineer@
字传输适用于较远 距离的传输，也能 适用于性能较差的 线路。

要实现激光 对于声音的传输， 无论是直接采集还 是通过手机播放声
音文件，都是得到模拟信号，所以在传输之前必须先把信号 转化为数字信号。

这可以通过脉宽调制实现，脉冲宽度调制 (PWM )是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过 高分辨率比较器的使用，方波的占空比可以被调制并对一个 具体模拟信号进行编码。

LM 311电压比较器可用于模拟信号 转化数字信号(PWM )的调制，如图7所示。

信号波形转换示意图如图8,由此得到的PWM 信号经
过钳位电路升压
后将局电平稳定 在5 V ，高电平可用 于激光发射头的 驱动。

高电平时激 光点壳，低电平时 激光不亮。

由此音 频信息可通过激 光发射头发射出
去。

人耳所能听到的声音频率在20 Hz 〜20 kHz 之间，所 以有效的音频信号最高频率20 kHz 。

另一方面，应用电压 比较器LM 311调制信号时，输人的三角波采样频率必须 比音频信号最高频率高才能保证信号的完整性，为保证 采样质量，采样频率一般髙于原信号最髙频率的2倍。

三
角波发生器可以由 555定时器产生，原 理如图9所示。

接收数字量的 激光信号的元件采 用只对红光敏感的 光电二极管，可在 一定程度上减小环
境中光线对信号质 量的影响。

光电二极管接收并输出的信号依然是PWM 信 号，PWM 通过简单的积分电路可解码为模拟信号。

因为 PWM 占空比较髙，所以转化成的模拟信号电压为3〜4 V 。

另一方面，因为PWM 频率较高，所以尽量不使用多级积分 电路，可减小延迟，保证信号还原质量。

综上所述，积分电 路选用RC 串联积分电路，模拟信号从电容两端获得。

积分电路时间常数
实现积分效果时来源信号脉宽^应满足
电阻选用l o o m ，电容选用o.i j u l f 时可以满足条件， 同时0.1 j u l F 电容能充当滤波电容，滤掉积分时产生的小 波纹，使得积分得到的模拟信号平滑，消去部分噪声。

得
到音频信号后可由音频功率放大器放大，驱动扬声器发
声。

音频功率放大器由LM 386搭建电路，LM 386有万能功 放之称，增益倍数范围为20〜200倍。

图10所示是20倍增益 放大电路图。

实验 表1激光发射距离与光斑大小
使用3 W 扬声器。

激光头与投影面距离/m
光斑直径
/cm
音频放大效果良50
4.5好。

758
激光传输时
100
10
激光发射头与接收头必须对准，这在远距离通讯时对两 者的稳定性要求很高，特别是发射头微小的振动或者偏 移都会引起远距离处光斑的剧烈抖动，而接收头面积小， 在光斑抖动的情况下接收不到完整的信号。

另一方面，市 面上可调焦距的激光发射头发出的红色激光在十几米距 离内光斑大小变化不大，但随着距离的进一步加大，因为 空气的散射及空气中漂浮颗粒的反射，光斑会越来越大， 并且信噪比很大。

针对以上问题的解决方案分两步：第一步是通过增 加发射头固定支架的质量、减小迎风面积等方式以使激 光发射头振动减小；第二步是使用透镜聚焦等方式在激 光接收端聚焦从远处发来的激光，并调整位置以使用于
激光接收的光电二极管处于透镜焦点位置。

另一方面，在 透镜与激光接收头之间架设一个漏斗状不透光不反光的 黑色套筒，吸收环境中的光，使得激光接收头接收到的光 都是由垂直于镜面透过透镜的平行人射光线（激光），如 图11所示。

4
结语
基于LabVIEW 的远程激光通讯是一种新型的通讯方 式，可以快速地进行通讯，保密性强。

适用于一些保密性 较强的领域，例如军工业等。

符合未来通讯方式的趋势， 具有一定的发展潜力和市场价值。

[参考文献]
[1] 秦曾煌.电工学:下册[M].6版.北京:高等教育出版社，2014.
[2] 陈树学，刘萱.LabVffiW 宝典[M]•北京:电子工业出版社，2011.[3] TRAVIS E ,KRING J 丄abview 大学实用教程[M].乔瑞萍，译•北
京:电子工业出版社，2008.
[4 ]周鹏.精通LabVIEW 信号处理[M ].北京:清华大学出版社，2013.
(编辑立明）
作者简介:李冬冬（1970— )，男，硕士，讲师，研究方向为测控技术。

收稿日期:2016-06-20
+9Y +9V
RST V+
DIS
OUT
2/3
TH
TR OND 15k
7555
输出40 kHz 三角波
0.001|j l F
图9
三角波发生器
网址: 电邮：hrbengineer@ 2016 年第 12 期■
7。