密立根油滴實驗的無線激光通信傳輸演示

楊 虹，黃文奇，趙 暉，尹 耀，王振飛

（北京信息科技大學，北京 100101）

密立根油滴實驗的無線激光通信傳輸演示

楊 虹，黃文奇，趙 暉，尹 耀，王振飛

（北京信息科技大學，北京 100101）

闡述了無線激光通信的基本原理，將無線激光通信技術與密立根油滴實驗儀結合，實現(xiàn)油滴視頻信號的的無線傳輸。研究表明原始信號和解調(diào)信號的波形和顯示圖像非常一致，用無線激光傳輸油滴的視頻圖像信號質(zhì)量可靠。該實驗系統(tǒng)可推廣到其他微觀測量實驗中，用于物理實驗演示，增強實驗演示效果。

激光通信；密立根油滴實驗；視頻信號

無線激光通信是以激光為載體，在真空或大氣中傳遞信息的通信技術。具有保密性好、抗電磁干擾，傳輸容量大等優(yōu)點。是最近20年來發(fā)展的一種新型通信手段，尤其適用于星見通信和深空探測等領域［1－3］。

無線激光通信作為光通信系統(tǒng)的一個重要分支，是現(xiàn)代科學尤其是光學和固體物理學應用發(fā)展的結晶，也是大學物理實驗中光學、電學和傳感器等實驗的典型綜合應用實例。在密立根油滴實驗中，將CCD采集的信號調(diào)制到激光上，無線發(fā)射到接收器，再通過解調(diào)電路將信號還原到顯示器上。整個過程既可以用來演示無線光通信的基本技術原理，又能幫助同學們加深物理理論和實驗知識的理解，豐富實驗教學內(nèi)容，激發(fā)同學們的興趣和求知欲。

1 系統(tǒng)原理

在現(xiàn)有的屏顯密立根油滴實驗儀中，油滴的運動狀態(tài)是通過測量顯微鏡和CCD元件［4］采集得到，并通過視頻電纜將圖像信號顯示在監(jiān)視器上的。在此過程中，信號的傳輸方式為“有線”。而通過激光通信的方式，可以將信號的傳輸方式變成“無線”，其具體的系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)構成

整個系統(tǒng)主要由觀測顯微鏡、CCD元件、光發(fā)射模塊、光接收模塊和顯示設備組成。

2.1 光發(fā)射模塊

在光發(fā)射模塊中，采集到的模擬視頻信號經(jīng)過隔離放大和抗混疊濾波后，進行A/D轉(zhuǎn)換，再通過視頻壓縮編碼單元壓縮成標準的數(shù)字視頻流［5］。經(jīng)過調(diào)制電路對激光器進行電流直接調(diào)制，接著傳輸?shù)郊す忸^，實現(xiàn)激光發(fā)射。圖2為光發(fā)射模塊流程圖。

圖2 光發(fā)射模塊

2.2 光接收模塊

在光接收模塊中，激光信號經(jīng)過光學濾波到達光電二極管。由光電二極管輸出的微弱電信號經(jīng)過前置放大和整形電路后輸出差分信號傳送給解碼器，輸出的解碼信號經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號，再經(jīng)過濾波和放大后輸出到顯示設備［6］。圖3是光接收模塊流程圖。

圖3 光接收模塊

3 實驗與結果分析

實驗中，選用波長為635nm，功率為1mW的紅光激光器作為載波，將測量顯微鏡和CCD元件采集到的油滴運動狀態(tài)信號作為信號源加載到激光調(diào)制發(fā)射器上，激光以光束的形式經(jīng)大氣信道傳輸?shù)郊す饨邮战庹{(diào)器上，經(jīng)過一系列信號處理后由顯示器將原始信號顯示出來。圖4（A）是調(diào)制器的輸入信號，也即原始信號，圖4（B）經(jīng)過無線傳輸后解調(diào)器的輸出信號。從圖4可見，輸入輸出信號波形整體上相吻合，只是在細節(jié)上有些失真，如圖中圓圈描繪處。

圖4 信號波形對比

圖5（a）是原始信號直接輸入到顯示設備的圖像，圖5（b）是經(jīng)無線傳輸后輸入到顯示設備的圖像。從圖5可以看出，經(jīng)無線傳輸后的信號圖像與原始信號圖像在對比度，亮度等方面都非常吻合，只是在局部有一些橫紋出現(xiàn)，并不影響圖像觀測，并且顯示設備能夠連續(xù)、清晰和穩(wěn)定的顯示動態(tài)圖像。在控制油滴的運動狀態(tài)時，無線光通信經(jīng)過大氣信道產(chǎn)生的延時基本可以忽略不計。

圖5 顯示器圖像對比

4 結 論

本實驗系統(tǒng)將無線激光通信技術與密立根油滴實驗儀結合，實現(xiàn)油滴視頻信號的無線傳輸。通過比較原始信號和解調(diào)信號的波形和顯示圖像，發(fā)現(xiàn)無線激光傳輸油滴的視頻圖像信號質(zhì)量可靠，局部存在一些失真但并不影響圖像觀測，且顯示設備能夠連續(xù)、清晰和穩(wěn)定的顯示動態(tài)圖像。該演示裝置還可以用于其他需要微觀測量的物理實驗中，如牛頓環(huán)，楊氏模量測量等等，不僅可以用來演示無線光通信的基本技術原理，又能幫助同學們加深物理理論和實驗知識的理解，豐富實驗教學內(nèi)容，激發(fā)同學們的興趣和求知欲。

［1］劉杰，陳濤，王建立，等.無線激光通信在高速視頻傳輸中的應用［J］.中國光學與應用光學，2010，3（3）：290-294.

［2］彭小娟，陳曉天，劉世安.數(shù)字圖像無線光通信系統(tǒng)原理與設計［J］.廣東工業(yè)大學學報，2003，20（4）：68-72.

［3］王海軍.基于自由空間激光通信技術的視頻傳輸系統(tǒng)［D］.南京：南京大學碩士學位論文，2004.

［4］朱宏娜，常相輝，吳曉立，等.CCD技術在大學物理實驗教學中的應用［J］.實驗科學與技術，2010，8（4）：6-7.

［5］李國軍，敬守釗，黃自力，等.無線激光通信光發(fā)射模塊的研究［J］.電子設計工程，2010，19（5）：169-173.

［6］田佳峻，姚勇，趙新輝，等.自由空間光通信的抗干擾接收系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2009，38（1）：96-100.

Demonstration of Wireless Laser Transmission of Millkan Oil Drop Experiment

YANG Hong，HUANG Wen-qi，ZHAOHui，YIN Yao，WANG Zhen-fei

（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101）

The basic principle of laser communication is presented in the paper，the videOsignal of oil is wirelessly transmitted by the milikan oil drop instrument combination with laser communication technology.The study show that the waveforms and videOimages of demodulated signals are consistent with that of original signal，the transmission quality of laser communication is reliable.This system alsOcan be used in other micro-scale measuremental experiments tOenhance their demonstrating effect.

laser communication；millikan oil drop experiment；videOsignal

O4-33

A

1007-2934（2011）06-0043-03

2011-09-09