一种无线激光通信实验教学演示装置的设计

摘 要:为了解决现成无线激光通信设备价格昂贵的问题,介绍一种无线激光通信实验装置的设计和制作。该装置包含一个电源慢启动电路和LD保护电路,并采用直接调制方式发射使得整个装置电路简单、造价低廉。实验证明该装置演示直观、效果良好,能满足教学实验演示的要求,室内无强光照射时通信距离可以达20 m。这一装置对学生直观地理解发射、接收、调制、解调原理的有关概念,激发学生学习兴趣有一定帮助。

关键词:无线激光通信;半导体激光二极管; 激光调制;激光解调

中图分类号:TN929 文献标识码:A

文章编号: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

无线激光通信技术是一种既具有高速通信能力,又具有机动灵活性的新兴通信技术,是一种很有发展前途的无线传输手段,运用相当广泛[1-2]。但是现成的设备价格昂贵,不适宜于课堂直观教学和学生课外实践活动。本文介绍了一种结构简单、效果良好、成本较低的无线激光通信教学实验装置的设计和制作方案,它采用了商品化小功率半导体激光二极管作为光源,能够实现激光的调制、发射、接收和解调。

1 装置的设计与制作

无线激光通信系统主要包括发送与接收两部分。发送机的任务是将电信号转变为光信号并发射出去,接收机的任务是把经过传输后的微弱光信号检测出来,经过放大,再生成原来的电信号,并通过扬声器输出。

无线激光通讯原理框图如图1所示,其工作原理如下:利用激光束作为载波来传输信息,输入的信号(语音/数据)经过放大,被调制到光载波上,以光调制信号的方式通过发射器发送出去。另一端的光接收机通过接收器检测和收集光信号,并进行低噪声放大。然后将光信号转换成电信号,经功率放大后,输出恢复后的原始信号[3-5]。

图1 无线激光通信发送/接收机的原理框图

发送机由光源器件、光源保护电路、前置放大和驱动电路组成。在电路中直接调制激光二极管的偏置电流,使激光二极管发出的光功率随信号而变化[6]。

采用直接调制方式时,偏置电流的选择直接影响激光器的高速调制性质。应考虑使直流偏置电流其逼近阈值,可以大大减小电光延迟时间,同时使张弛振荡得到一定程度的抑制[5]。

如图2所示,由于图2(b)中激光二极管加了足够的预偏置电流,调制电流脉冲幅度较小,预偏置后张弛振荡大大减弱,谱线减少,光谱宽度变窄;另外,电光延迟的减小,也大大提高了调制速率。当激光器偏置在阈值附近时,较小的调制脉冲电流即能得到足够功率的输出光脉冲[7-8]。

图3是激光信号发送机的完整电路图。信号从输入端输入后,经由NE5532组成的放大器放大,然后单管集电极驱动电路把输入的基极电压变换成集电极电流,直接调制激光二极管发出的连续激光束,最后把光调制信号发送出去[9]。

图2 激光二极管无偏置和有偏置时脉冲嚼态波形和光谱

激光二极管是光发送机中重要的器件,但是很容易损坏,因此有必要加上如图4所示保护电路,该电路主要由慢启动电路;反向冲击电流保护;过电保护三部分组成。

图3 激光信号发送机电路图

图4 激光二极管的保护电路

接收机电路主要由光电检测、前置放大、功率放大和音频输出电路组成。光检测器电路采用光电池把接收的光信号转换为电信号。由于光电池产生的光电流非常微弱(nA～μA),必须先经前置放大器进行低噪声放大。功率放大电路主要用来提供高增益,将前置放大器的输出信号放大到所需的电平,产生足够的不失真的输出功率,以推动扬声器发音[10]。

光接收机的完整电路图如图5所示。

2 实验调试和演示

以图6~图9信号为例(图中示波器窗口中上边的波形为输入的信号,下边的波形为输出信号波形):要根据输入信号频率的不同,调节偏置电流(一般情况下,频率越高,所需的偏置电流越小),使输出效果最好。当频率超过一定值时,输出波形开始出现失真。

图5 接收机电路

(1) 输入同一峰-峰值(100 mV)不同频率的信号,波形图如图6所示。

(2) 输入同一频率(10 kHz)不同峰-峰值的信号:工作点一定时,输入信号过小时,输出信号底部出现失真;信号过大时,输出信号顶部出现失真,如图7所示。

(3) 不同工作点对信号调制的影响:输入一个正弦波信号Vp_p=100 mV,f=100 kHz。

输入信号一定,工作点过低时,输出信号底部出现截止失真;工作点过高时,输出信号顶部出现饱和失真,如图8所示。

图6 输入不同频率的正弦波信号的波形图

图7 输入同一频率不同峰-峰值的信号的波形图

图8 不同工作点对信号调制的影响对比图

(4) 输入收音机信号,如图9所示。上边的波形是从收音机输入的信号波形,下边的波形是接收端输出信号的波形。

图9 输入收音机信号时的波形图

3 结 语

介绍了无线激光通信实验装置,采用半导体激光二极管作为光源,能够实现激光的调制、发射、接收和解调。输入收音机或CD机信号,适当调节输入信号和偏置电流的大小后,能听到较清晰的话音和音乐声(存在一些噪声和失真);从话筒输入话音信号,适当调节偏置电流后,从扬声器处可以听到清楚的讲话声。本装置在室内无强光照射时通信距离可以达20 m。

参考文献

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