簡易反射式無線光通訊的設計

林 紅，甘文勝，曾 騰

(海南師范大學物理與電子工程學院，海南海口 571158）

1 光纖通訊存在的問題

1.1 光纖衰減

由于光纖通訊中光信號的在傳輸過程中其功率會有一定的損失，稱為光纖衰減，它在很大程度上決定了在沒有放大和再生的條件、光發射機和接收機之間所允許的最大距離。同時放大器、光中繼器的制造、安裝和維修費用較高，這些都是衡量光纖衰減的整個系統的成本的關鍵因素。

1.2 色散

色散是由于不同的光波在傳輸過程中以不同的頻率分量和速度而產生了不同的時間延遲的一種物理效果。光信號在光纖色散的情況下，傳輸距離造成的失真隨著傳播途徑不斷增加失真的程度也越來越嚴重。［3］

1.3 非線性效應

在一般光纖系統中，光纖通常表現為線性傳輸的特性，但當入射到光纖中的光功率較大時，光纖對光的響應將表現為非線性，導致光纖的參數不再恒定不變，而是依賴其光強的大小。［4］

2 無線光通信的優勢

2.1 基本結構

與光纖通信系統相似，均包括光發送、光傳輸、光接收三個部分。如果是實現長距離無線光通訊則需要添加中繼器，兩者之間本質的區別就是傳輸介質的不同，無線光通訊系統只需要大氣作為傳輸介質。

2.2 頻帶更寬、容量更大

地面上的無線光通信是以光作為信息載體，以大氣作為傳輸介質，因而在傳輸過程中不會像光纖通信那樣受到光纖傳輸特性的約束，其工作頻段僅僅依賴于大氣本身的傳輸特性。由于大氣充當了全透明的光通信窗口，因此其擁有很寬的工作頻段。使用的信息載體和傳輸信道都具有寬闊的頻帶，可滿足大容量、高速率的通信需求。

2.3 無需頻譜使用許可證

無線光通信不需要RF頻譜許可。如今，微波及其他無線通信方式所使用的頻段幾乎被瓜分一空，發展空間已所剩無幾。隨著通信事業的迅猛發展，微波頻段資源變得越來越緊缺，世界各地無線電管理委員會對用戶通信網絡的建設，特別是使用頻段都要進行嚴格的審批。同時也促成無線光通信擁有一個了美好的發展前景。［6］

2.4 架設簡單靈活，部署方便快捷

由于無線光通信系統不需要埋線或架設光纜，也不受各種審批手續的約束，系統架設簡單靈活，可翻山越嶺、跨越江河湖海實現通信，同時還可以完成地對空、空對空等多種光纖通信束手無策的通信任務。

2.5 更強的抗干擾性能

無線光通信系統其中的光能量集中在一定的光束載體區域，抗電磁干擾的能力很強，一般的無線電波不會對其造成影響，同時也不會對其他通信系統產生干擾，在同一地域內可容納大量的無線通信系統，且彼此不相干，即就是相交了也不會對各自的通信質量造成影響。

2.6 安全可靠，有良好的傳輸保密性能

無線光通信是最安全的網絡傳輸方式，不要求安裝高級的安全軟件，這是因為所載信息是在一個非常狹窄的可見光束錐形體形成的通道中傳輸;波束很窄且在空中傳輸，很難發現其業務鏈路，更不存在被竊聽的可能。與此同時，波束是定向發射的，僅對準目的接收器，如果想截獲信息，就需要外接一部接收器在視距內對準發射機，還要知道的是如何接收信號，而要同時滿足以上條件是很難辦到的。為了截獲信息，就必須要獲得直接接入的光束。光束的直徑非常狹窄，因此，僅在安裝系統的用戶前端才可完成光束的攔截。此外，在截獲散射光的時候，由于散射光的功率非常低，想要準確截獲也是困難的。［6］

2.7 系統投資少，經濟實用

無線光通信需要投資的方面主要包括購買的設備材料、工程施工等起始投資和運營維護等，性價比也優于采用其他有線和無線的通信系統。這是由于無線光通信是以大氣作為傳輸媒介，避免了像光纖通信系統那樣需要大量資金用來購買光纜設備的成本投入，這就使得系統購買的設備材料所需要的費用很有限。無線光通信系統的設計，工程施工及其維護管理都很簡單。一般不需要預估線路成本，也免去了昂貴的光纜敷設和維護工作的資金投入。系統在使用時既不需要申請頻2.8設備體積小，便于攜帶

無線通信系統可安裝工作在各種地理和氣候條件下，部署到無法設置光纜通信系統的惡劣環境中，因此無線光通信系統成為在遇到了難于逾越的布線障礙的地理環境或通信系統需經常變動等特殊需要時的優先考慮的通信系統解決辦法，同時，無線光通信系統的發送端和接受端的儀器設備輕便小巧，方便前期安裝攜帶及后期管理維護。

3 反射式無線光通訊的設計

3.1 原理概述

以太陽光為傳播介質，太陽光被引導透過凸透鏡形成會聚光束，聲音信號源配合調制器對光束進行調制形成光載波;光載波接著又射向硅光電池板，硅光電池板在受到光載波持續照射后產生相應的電信號;電信號通過解調放大電路被解調并放大后得到放大的聲音信號。

3.2 結構組件及其功能

太陽光:用來做光載波的光源，是低成本同時也是天然綠色環保的能源。

平面鏡:當太陽光不能直接沿設計的路徑照射時，可以借助平面鏡來改變光路前進的方向。

凸透鏡:凸透鏡將平行的太陽光會聚了起來，這也使得在它射到反射式調制器時，光路更加集中且精確。

反射式調制器:在音響的鼓紙上貼一小片很薄的平面鏡，在音響發聲的時候平面鏡隨著音響的頻率震動，反射到它上面的太陽光也就被這個頻率調制了。

硅光電池板:其結構是在一塊P型硅片上擴散一層極薄的N型層，構成PN結，在硅片的上下兩面各有一個電極。在光照射到電池板上時，如果入射光的能量大于硅的能隙，光子能量將被硅吸收，并產生電子—空穴對。他們在運動中一部分重新復合，其他部分在到達PN結附近時受到PN結內電場的作用，空穴向P區遷移，使得P區顯正電性，電子向N區遷移，使得N區帶負電，即在PN結上產生了電動勢。而這個電動勢是隨著入射光光強的變化而變化的，這一步使得光載波中的聲音信號脫離了光波改由電信號承載繼而進入下面的解調放大環節。

解調放大電路:首先對電信號的解調，過濾出聲音信號剔除干擾信號，由于從電池板過濾的電信號比較微弱，因此還需要將過濾后的電信號再次放大，最后再通過揚聲器放大便可得到良好的聲音信號。

［1］穆道生.現代光纖通信系統［M］.北京:科學出版社，2005 －9.18 －23.

［2］王輝等.光纖通信第二版［M］.北京:電子工業出版社，2009－1.26－45.

［3］胡先志，少華.光纖通信基本理論與技術［M］.武漢:華中科技大學出版社2008－10.89－95.

［4］榮健，魯輝，強世錦.室內無線光通信信道分析［J］.光通信研究，2007(01）:15－19.

［5］吳重慶.光通信導論［M］.北京:清華大學出版社，2008 －1.32 －37.

［6］王廷堯.無線光接入技術進展和應用［M］.北京:科學出版社，2009－4.58－92.