激光通信演示實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史志勇,張 康,何玲利,楊 鋒,劉沖沖,劉 秀,馬國(guó)利

(濱州學(xué)院,山東濱州 256603)

激光通信演示實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

史志勇,張 康,何玲利,楊 鋒,劉沖沖,劉 秀,馬國(guó)利?

(濱州學(xué)院,山東濱州 256603)

為了直觀的演示激光通信技術(shù)的原理,設(shè)計(jì)制造了一款簡(jiǎn)易的激光通信演示實(shí)驗(yàn)儀,能夠?qū)⑤斎胄盘?hào)調(diào)制為激光信號(hào)進(jìn)行無(wú)線傳輸,接收端通過(guò)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,再經(jīng)濾波、解調(diào)放大,最終還原輸入信號(hào)的電路,該儀器性能穩(wěn)定、操作方便、成本低廉,演示實(shí)驗(yàn)效果良好。

激光通信;激光調(diào)制;光電轉(zhuǎn)換

目前比較成熟的激光通信形式是光導(dǎo)纖維通信,光纖通信帶寬極高,光纖通信已經(jīng)基本普及,但是光纖通信還是屬于有線通信。無(wú)線激光通信是指利用激光束作為信道在空間[1](陸地或外太空)直接進(jìn)行語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、圖像信息雙向傳送的一種技術(shù)。無(wú)線激光通信以激光作為信息載體,不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì),屬于新型應(yīng)用技術(shù),激光的直線定向傳播方式使它的發(fā)射光束窄[2],方向性好,激光光束的發(fā)散角通常都在毫弧度,甚至微弧度量級(jí),因此具有數(shù)據(jù)傳遞的保密性,除非其通信鏈路被截?cái)?否則數(shù)據(jù)不易外泄。早期的研究應(yīng)用主要是在軍用和航天上,隨著技術(shù)的發(fā)展,近年來(lái)逐漸應(yīng)用于商用的地面通信,技術(shù)也在逐步完善。不過(guò)無(wú)線激光通信技術(shù)目前還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。激光通信正處于快速發(fā)展階段,無(wú)線激光通信[3]由于應(yīng)用成本高,目前還沒(méi)得到廣泛應(yīng)用。此項(xiàng)目研制了一個(gè)簡(jiǎn)易廉價(jià)的激光通信演示儀器,市場(chǎng)前景非常廣闊。

本儀器能夠利用激光無(wú)線傳輸音頻信號(hào)以及簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào),與光纖通信演示儀器相比,此實(shí)驗(yàn)儀器采用激光無(wú)線傳輸,可以形象觀察到激光傳輸路徑,可以接入信號(hào)源和示波器,直觀地看到輸入輸出信號(hào)波形;另外可以接入話筒和音響,用來(lái)演示自己聲音的無(wú)線傳輸。

1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

激光通信系統(tǒng)組成設(shè)備包括發(fā)送和接收兩個(gè)部分。發(fā)送部分主要有激光調(diào)制器、激光器發(fā)射器。接收部分主要包括光學(xué)濾波器、太陽(yáng)能電池板、解調(diào)放大器。要傳送的信息送到與激光器相連的光調(diào)制器中,光調(diào)制器將信息調(diào)制在激光上,通過(guò)激光發(fā)射器發(fā)送出去。在接收端,太陽(yáng)能電池板將激光信號(hào)接收下來(lái),并轉(zhuǎn)換為電信號(hào),經(jīng)解調(diào)、放大后還原為原來(lái)的信息。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

輸入的電信號(hào)經(jīng)激光調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)發(fā)出,在接收端,光信號(hào)經(jīng)太陽(yáng)能電池板裝變?yōu)殡娦盘?hào),再經(jīng)解調(diào)放大,最終還原為輸入的電信號(hào),并且信號(hào)強(qiáng)度可調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖見圖1。裝置實(shí)物圖見圖2。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖

圖2 裝置實(shí)物圖

1.2 激光調(diào)制電路

信號(hào)輸入端輸入的電信號(hào),經(jīng)過(guò)該部分電路調(diào)制為光信號(hào),由激光發(fā)射器發(fā)出,實(shí)現(xiàn)空間無(wú)線傳輸。激光調(diào)制部分電路見圖3。

圖3 激光調(diào)制部分電路

1.3 解調(diào)放大電路

接收端接收到的光信號(hào)經(jīng)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)此部分解調(diào)放大電路對(duì)其進(jìn)行還原放大,最終轉(zhuǎn)換為原來(lái)的輸入信號(hào),并且可調(diào)節(jié)其信號(hào)強(qiáng)度。解調(diào)放大部分電路見圖4。

圖4 解調(diào)放大部分電路圖

2 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析

2.1 使用方法方法

實(shí)驗(yàn)室已有函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和示波器,可以直接利用實(shí)驗(yàn)室的現(xiàn)有儀器,將函數(shù)信號(hào)發(fā)生器接入發(fā)射調(diào)制模塊中,將示波器接入接收模塊中,用來(lái)演示模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)的激光傳輸效果;另外可以接入移動(dòng)設(shè)備的音響,或者接入話筒用來(lái)演示自己聲音的無(wú)線傳輸。

2.2 激光接收方位和光路的調(diào)試

本實(shí)驗(yàn)儀器的激光調(diào)制模式為內(nèi)調(diào)制模式,在內(nèi)調(diào)制模式下,改變?nèi)肷湓谔?yáng)能電池板表面的激光束的角度,檢測(cè)[4]激光通信的調(diào)制[5]效果其相對(duì)靈敏度與光束入射[6]角的關(guān)系如圖 5所示。

圖5 相對(duì)靈敏度與光束入射角的關(guān)系

2.3 實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)激光束接收方位和光路的調(diào)試、接收的最佳參數(shù)[7]調(diào)試、散光的影響等實(shí)驗(yàn)的研究,經(jīng)過(guò)分析可知,雜光會(huì)影響所傳輸信號(hào)的接收轉(zhuǎn)換[8],所以,為了避免受到散光的影響,我們的實(shí)驗(yàn)裝置在接收的太陽(yáng)能電池板前放置了濾光片,可較好地解決雜光的干擾,使通信音質(zhì)[10]更好。

3 結(jié) 論

本儀器能夠利用激光無(wú)線傳輸音頻信號(hào)[10]以及簡(jiǎn)單的數(shù)字信號(hào),與光纖通信演示儀器相比,可以形象觀察到激光傳輸路徑,可以接入信號(hào)源和示波器,直觀地看到輸入輸出信號(hào)波形。激光通信演示實(shí)驗(yàn)儀可傳輸聲音信息及低頻的數(shù)字信息,信號(hào)失真率極低[11]。儀器制作成本低,可形象地演示出激光通信的原理,并且可用于民用中低端激光通信,大大降低了激光通信的成本門檻。該儀器設(shè)備獲得第11屆全國(guó)高校物理演示實(shí)驗(yàn)評(píng)比三等獎(jiǎng)。

[1] 劉宏展,孫建鋒,劉立人.空間激光通信技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析[J].光通信技術(shù),2010(8):39-42.

[2] 悶愛(ài)民,周煜,孫建鋒,等.衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄技術(shù)及發(fā)展[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2010 (47):5.

[3] 王弟男.激光通信系統(tǒng)中光源調(diào)制技術(shù)研究[J].光機(jī)電信息,201128(9):59-63.

[4] 趙遠(yuǎn),張宇.光電信號(hào)檢測(cè)原理與技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

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

[6] 韓成,白寶興,趙馨.自由空間激光通信捕獲控制系統(tǒng)[J].紅外與激光T程,2009,38(1):91-95.

[7] 鐘曉春,韓佳佳.大氣激光通信中幾種調(diào)制方式的性能比較[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,42(5): 600-603.

[8] 馬慧萍.移動(dòng)大氣激光通信中的光調(diào)制解調(diào)技術(shù)研究[D].長(zhǎng)沙;國(guó)防科技大學(xué)研究生院,2003.

[9] 王曉穎,趙振明.無(wú)線激光通信音頻傳輸實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(7):5-8.

[10]甯青松,楊振.激光竊聽實(shí)驗(yàn)探究[J].物理實(shí)驗(yàn), 2009,29(12):38-41.

[11]張超凡.激光竊聽技術(shù)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[J].激光與紅外,2008,38(2):145-148.

[12]楊萍萍,等.基于Matlab平臺(tái)的電阻特性實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2014,4(31):103-105.

Design and Im plementation of Laser Communication Demonstration Experiment Instrument

SHIZhi-yong,ZHANG Kang,HE Ling-li,YANG Feng, LIU Chong-chong,LIU Xiu,MA Guo-li
(Binzhou University,Shandong Binzhou 256603)

To intuitive demonstrates the principle of laser communication technology,the design and manufacture a simple demonstration experiment instrument,laser communication to the input signalmodulation of the laser signalwireless transmission,the receiver by photovoltaic cell,then through filtering,demodulation amplification,eventually restore input signal circuit,the equipment is stable performance,convenient operation,low cost,experimental demonstration effect is good.

laser communication;lasermediation;photoelectric conversion

TN 929

A

10.14139/j.cnki.cn22-1228.2015.005.027

1007-2934(2015)05-0094-03

2015-03-02

校級(jí)自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備立項(xiàng)項(xiàng)目(BZXYZZSBXM201301);校級(jí)重點(diǎn)課程建設(shè)項(xiàng)目(BZXYZDKC201005);校級(jí)優(yōu)質(zhì)公共選修課程建設(shè)項(xiàng)目(BZXYYZGX201325);校級(jí)教材出版立項(xiàng)項(xiàng)目

?通訊聯(lián)系人