一種無線激光通信實驗教學演示裝置的設計

摘 要:為了解決現成無線激光通信設備價格昂貴的問題，介紹一種無線激光通信實驗裝置的設計和制作。該裝置包含一個電源慢啟動電路和LD保護電路，并采用直接調制方式發射使得整個裝置電路簡單、造價低廉。實驗證明該裝置演示直觀、效果良好，能滿足教學實驗演示的要求，室內無強光照射時通信距離可以達20 m。這一裝置對學生直觀地理解發射、接收、調制、解調原理的有關概念，激發學生學習興趣有一定幫助。

關鍵詞:無線激光通信;半導體激光二極管; 激光調制;激光解調

中圖分類號:TN929 文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)13-0083-03

Design of Laser Wireless Communication Device for Experiment Guide

XIANG Yan1， YU Bing-xiong2

(1.Guandong Institute of Science and Technology， Zhuhai 519090，China;

2. School of Phiysics Telecommunication Engineering， South China Normal University， Guangzhou 510006， China)

Abstract: The design and fabrication process of a laser wireless communication device for experiment guide are introduced to solve the problem of the cost of the available laser wireless communication devices. This device contains a time-delay starting LD protected circuit and adopts a direct modulation mode， which makes the whole circuit simple and the device cheap. The experiment results show that the apparatus has visual presentation and good effect， and its communication distance can be up to 20 m under the condition of no strong light. It meets the experiment requirements of students， and can help users to understand the concepts of emission， receive， modulation and demodulation.

Keywords: laser wireless communication; semiconductor LD; laser modulation; laser demodulation

0 引 言

無線激光通信技術是一種既具有高速通信能力，又具有機動靈活性的新興通信技術，是一種很有發展前途的無線傳輸手段，運用相當廣泛[1-2]。但是現成的設備價格昂貴，不適宜于課堂直觀教學和學生課外實踐活動。本文介紹了一種結構簡單、效果良好、成本較低的無線激光通信教學實驗裝置的設計和制作方案，它采用了商品化小功率半導體激光二極管作為光源，能夠實現激光的調制、發射、接收和解調。

1 裝置的設計與制作

無線激光通信系統主要包括發送與接收兩部分。發送機的任務是將電信號轉變為光信號并發射出去，接收機的任務是把經過傳輸后的微弱光信號檢測出來，經過放大，再生成原來的電信號，并通過揚聲器輸出。

無線激光通訊原理框圖如圖1所示，其工作原理如下:利用激光束作為載波來傳輸信息，輸入的信號(語音/數據)經過放大，被調制到光載波上，以光調制信號的方式通過發射器發送出去。另一端的光接收機通過接收器檢測和收集光信號，并進行低噪聲放大。然后將光信號轉換成電信號，經功率放大后，輸出恢復后的原始信號[3-5]。

圖1 無線激光通信發送/接收機的原理框圖

發送機由光源器件、光源保護電路、前置放大和驅動電路組成。在電路中直接調制激光二極管的偏置電流，使激光二極管發出的光功率隨信號而變化[6]。

采用直接調制方式時，偏置電流的選擇直接影響激光器的高速調制性質。應考慮使直流偏置電流其逼近閾值，可以大大減小電光延遲時間，同時使張弛振蕩得到一定程度的抑制[5]。

如圖2所示，由于圖2(b)中激光二極管加了足夠的預偏置電流，調制電流脈沖幅度較小，預偏置后張弛振蕩大大減弱，譜線減少，光譜寬度變窄;另外，電光延遲的減小，也大大提高了調制速率。當激光器偏置在閾值附近時，較小的調制脈沖電流即能得到足夠功率的輸出光脈沖[7-8]。

圖3是激光信號發送機的完整電路圖。信號從輸入端輸入后，經由NE5532組成的放大器放大，然后單管集電極驅動電路把輸入的基極電壓變換成集電極電流，直接調制激光二極管發出的連續激光束，最后把光調制信號發送出去[9]。

圖2 激光二極管無偏置和有偏置時脈沖嚼態波形和光譜

激光二極管是光發送機中重要的器件，但是很容易損壞，因此有必要加上如圖4所示保護電路，該電路主要由慢啟動電路;反向沖擊電流保護;過電保護三部分組成。

圖3 激光信號發送機電路圖

圖4 激光二極管的保護電路

接收機電路主要由光電檢測、前置放大、功率放大和音頻輸出電路組成。光檢測器電路采用光電池把接收的光信號轉換為電信號。由于光電池產生的光電流非常微弱(nA～μA)，必須先經前置放大器進行低噪聲放大。功率放大電路主要用來提供高增益，將前置放大器的輸出信號放大到所需的電平，產生足夠的不失真的輸出功率，以推動揚聲器發音[10]。

光接收機的完整電路圖如圖5所示。

2 實驗調試和演示

以圖6~圖9信號為例(圖中示波器窗口中上邊的波形為輸入的信號，下邊的波形為輸出信號波形):要根據輸入信號頻率的不同，調節偏置電流(一般情況下，頻率越高，所需的偏置電流越小)，使輸出效果最好。當頻率超過一定值時，輸出波形開始出現失真。

圖5 接收機電路

(1) 輸入同一峰-峰值(100 mV)不同頻率的信號，波形圖如圖6所示。

(2) 輸入同一頻率(10 kHz)不同峰-峰值的信號:工作點一定時，輸入信號過小時，輸出信號底部出現失真;信號過大時，輸出信號頂部出現失真，如圖7所示。

(3) 不同工作點對信號調制的影響:輸入一個正弦波信號Vp_p=100 mV，f=100 kHz。

輸入信號一定，工作點過低時，輸出信號底部出現截止失真;工作點過高時，輸出信號頂部出現飽和失真，如圖8所示。

圖6 輸入不同頻率的正弦波信號的波形圖

圖7 輸入同一頻率不同峰-峰值的信號的波形圖

圖8 不同工作點對信號調制的影響對比圖

(4) 輸入收音機信號，如圖9所示。上邊的波形是從收音機輸入的信號波形，下邊的波形是接收端輸出信號的波形。

圖9 輸入收音機信號時的波形圖

3 結 語

介紹了無線激光通信實驗裝置，采用半導體激光二極管作為光源，能夠實現激光的調制、發射、接收和解調。輸入收音機或CD機信號，適當調節輸入信號和偏置電流的大小后，能聽到較清晰的話音和音樂聲(存在一些噪聲和失真);從話筒輸入話音信號，適當調節偏置電流后，從揚聲器處可以聽到清楚的講話聲。本裝置在室內無強光照射時通信距離可以達20 m。

參考文獻

[1]王強.無線激光通信技術與應用[J].通信世界，2002(2):36-39.

[2]周萀聲，黃冠夏，熊建文，等.光纖通信[M].廣州: 廣東高等教育出版社，1999.

[3]孫番典，劉俊刁，熊建文，等.一組高精度的半導體激光二極管伺服控制電路[J].惠州大學學報，2001，21(4):33-36.

[4]任致程.半導體敏感元件及其典型應用實例[M].北京:機械工業出版社，1989.

[5]劉敬海，徐榮甫.激光器件與技術[M].北京:北京理工大學出版社，1995.

[6]蔣煒.激光通信調制方式的研究[J].空間電子技術，2009(3):1-5.

[7]劉方楠，高錦岳.光調制解調器的設計與實現[J].激光與紅外，2007，37(9):874-878.

[8]李維鈞.激光調制和激光通信原理的演示[J].物理實驗，2001，21(2):39-40.

[9]孫番典，楊世琪，劉瓊發.小功率半導體激光二極管的穩定控制及其在原子實驗中的應用[J].激光雜志，2003，24(5):10-12.

[10]王曉鳳.激光通信[J].邢臺學院學報，2009，24(2):115-117.