基于可見光通信的“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)

唐忠敏，王太軍

(1.西北民族大學(xué) 預(yù)科教育學(xué)院 理科教研室，甘肅 蘭州 730030；2.西北師范大學(xué) 教育學(xué)院 物理教育研究所，甘肅 蘭州 730070)

光通信(又稱“光通訊”)是利用光攜帶信息進(jìn)行通信的技術(shù)，始于1966年華裔物理學(xué)家高錕提出的用光導(dǎo)纖維有效傳輸光信號構(gòu)想，成功實(shí)現(xiàn)了利用光進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信. 現(xiàn)今廣泛用于光纖通信的光纜連通世界的各個(gè)角落，成為當(dāng)今信息互聯(lián)的“高速公路”. 作為現(xiàn)代通信技術(shù)領(lǐng)域的佼佼者，光通信影響到人們生活的方方面面，同時(shí)，它是國外STEM課程中最具價(jià)值的教育內(nèi)容之一，能促進(jìn)中學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的提升和發(fā)展.

但是,無論中學(xué)還是大學(xué)的物理課程中，光通信部分的教學(xué)內(nèi)容僅僅是描述介紹性的，缺少能真正讓學(xué)生深入理解光通信實(shí)質(zhì)的實(shí)驗(yàn). 例如，文獻(xiàn)[1]中第21章第4節(jié)中有專題介紹光纖通信，其中安排了演示實(shí)驗(yàn)：把大塑料瓶用不透光的紙包上，瓶的側(cè)壁開個(gè)小孔. 塑料瓶內(nèi)盛水，水面上方放發(fā)光小燈泡. 當(dāng)水從小孔流出時(shí)，你會看到光隨著彎彎的水流照到地面，在地面產(chǎn)生一個(gè)光斑[1]. 教科書用該實(shí)驗(yàn)演示光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)，用以形象類比光在光導(dǎo)纖維中的傳導(dǎo)過程. 但遺憾的是，該實(shí)驗(yàn)并不能展示光通信中“光能攜帶信息”的特征. 為此，筆者設(shè)計(jì)了基于LED可見光通信的“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該實(shí)驗(yàn)以彎曲水流柱為導(dǎo)光載體，借助可見光傳遞電聲信號，可用于展示光通信中光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)和光能攜帶聲音信息傳輸?shù)碾p重過程.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

最簡的可見光通信系統(tǒng)需要至少由2部分構(gòu)成，用于調(diào)制信號光源的發(fā)射端和解調(diào)信號光波的接收端[2-4]. 因此，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成發(fā)射模塊、傳導(dǎo)媒介和接收模塊3個(gè)組成部分(如圖1所示). 發(fā)射模塊是將媒體放音設(shè)備(麥克風(fēng)信號、mp3、手機(jī)音樂等)產(chǎn)生的音頻信號經(jīng)調(diào)制后送入LED調(diào)制驅(qū)動電路，產(chǎn)生攜帶音頻信號的白色載波可見光；傳導(dǎo)媒介用于傳導(dǎo)LED發(fā)出的可見光，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用的傳導(dǎo)媒介主要為彎曲的導(dǎo)光水流柱. 接收模塊將攜帶音頻信號的白色可見光還原成聲音，其中包括光信號解調(diào)電路和功率放大電路，將LED發(fā)出的白色載波可見光中音頻信號分離，并解調(diào)后放大驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲，實(shí)現(xiàn)聲音還原的目的.

圖1 光通信“水流傳聲”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 發(fā)射模塊

常見LED發(fā)光機(jī)理是由PN結(jié)半導(dǎo)體晶片受激發(fā)光，它較之白熾燈鎢絲熾熱狀態(tài)發(fā)光具有不可替代的優(yōu)勢：響應(yīng)靈敏度高，調(diào)制性能好，功耗極低[4-5]. 為實(shí)現(xiàn)LED光源所發(fā)出的光能夠攜帶聲電信號，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計(jì)為先通過前置放大電路將聲音信號調(diào)制到電路中形成電信號，再經(jīng)過后置放大電路后驅(qū)動LED發(fā)出攜帶聲電信號的白光(如圖2 所示)，完成聲音信號向光信號的轉(zhuǎn)換過程.

圖2 “水流傳聲”光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)射模塊電路圖

1.2 接收模塊

為使接收模塊將光攜帶聲電信號解調(diào)、放大還原，且使還原的聲音具有較高保真性，實(shí)驗(yàn)接收模塊采用硅光敏三極管接收攜帶聲電信息的光信號，并將其轉(zhuǎn)化為聲電信號，通過功率放大集成模塊后驅(qū)動揚(yáng)聲器發(fā)聲(如圖3所示)，實(shí)現(xiàn)可見光中攜帶的聲音信號還原成聲音的過程.

1.3 導(dǎo)光水流柱

實(shí)驗(yàn)中光的傳導(dǎo)介質(zhì)為水流柱. 將透明塑料瓶側(cè)底端開一小圓孔(直徑約5～8 mm為宜)，將其盛滿清水后水流從瓶底孔流出形成水流柱. 實(shí)驗(yàn)中水流柱的應(yīng)用基于光的全反射原理，因空氣的折射率為1，水的折射率為1.333[6]，則sinC=1/1.333，計(jì)算得臨界角C=48.6°

實(shí)驗(yàn)中LED(其外罩近似凸透鏡)發(fā)出可見光的平行性特征較好，如果水流與可見光同方向，入射角θ幾乎為90°，遠(yuǎn)比臨界角48.6°大，光可以在水流柱內(nèi)發(fā)生全反射(見圖4所示)，可沿水流柱傳播很遠(yuǎn)(具體傳播距離與水流柱未散碎之前彎弧長度有關(guān)).

圖3 “水流傳聲”光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接收模塊電路圖

圖4 可見光在水流柱中傳播示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的制作與安裝調(diào)試

2.1 制作材料

“水流傳聲”可見光通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)射模塊、接收模塊所需要的主要電子元件材料及參量如表1所示. 將其各電子元件與圖2和圖3電路圖對應(yīng)，可在萬用線路實(shí)驗(yàn)板上連接，也可焊接在電路板上. 后者的不足之處在于對不熟練者，不便拆卸和檢查電路故障.

2．2 安裝與調(diào)試要點(diǎn)

1)按電路圖組裝后通電檢測. 在將各電子元件連接組裝后，先通9 V直流電壓，檢測發(fā)射模塊和接收模塊能否正常工作；輸入音頻信號后檢測發(fā)射模塊輸出端LED能否正常發(fā)光，排除在電子元件組裝過程存在的接觸不良、元件損壞等故障問題.

表1 “水流傳聲”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所需電子元件

2)將發(fā)射模塊的LED固定到水流柱根部. 安裝要點(diǎn)：a.用不透光牛皮紙將塑料瓶完全包裹并粘牢，在其側(cè)底流水孔處和流水孔正對面處的牛皮紙上剪開大小適當(dāng)孔位，這樣做的目的是減少外界光線對實(shí)驗(yàn)的影響；b.在預(yù)留好的牛皮紙孔位上固定好發(fā)射端的LED，可以加水調(diào)試角度，盡可能讓LED發(fā)出的光平行入射到水流柱內(nèi)部. 注意可以選擇較大的塑料瓶，這樣使得水流的時(shí)間較長，便于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.

3)為接收模塊裝透明防水罩. 由于接收模塊的硅光敏三極管要接收來自水流柱中的光信號，為防止接收模塊被水流淋濕造成短路，需要給接收模塊加裝透明防水罩. 方案一：在取材方面，可以取適當(dāng)大小的玻璃杯倒置在水平桌面罩住整個(gè)接收模塊，注意預(yù)留好空隙，在外界能清晰聽到罩內(nèi)接收模塊揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音. 方案二：將硅光敏三極管用較長導(dǎo)線連接至電路，用較小的玻璃瓶(如透明口服液瓶)只罩住光敏三極管，將接收模塊旁置.

4)調(diào)整好接收模塊硅光敏三極管的探頭的位置. 調(diào)整好位置后，讓水流柱在空中未散碎流下之前與接收模塊硅光敏三極管的探頭垂直接觸. 一切順利就緒以后，給各模塊通電，在發(fā)射模塊的音頻輸入端加入mp3播放的音頻信號，隨著塑料瓶中水流的流出，接收模塊揚(yáng)聲器發(fā)出mp3正在播放的音樂聲音，同時(shí)還可以在水流柱和接收模塊外罩接觸處清楚地觀察到圓形的光斑. 此時(shí)，如果用手擋住水流，光斑會顯示到手上，但是接收模塊揚(yáng)聲器的聲音就會消失；恢復(fù)水流柱后聲音繼續(xù)出現(xiàn).

3 實(shí)用效果及反思

以彎曲的水流柱為導(dǎo)光載體，借助LED發(fā)出的可見光傳遞電聲信號，清晰地展示了光通信中光在彎曲的水流柱中的傳導(dǎo)和利用光攜帶聲音信息傳輸?shù)碾p重過程，彌補(bǔ)了當(dāng)前物理教學(xué)中的不足. 若將水流柱體替換為光導(dǎo)纖維，實(shí)驗(yàn)效果會更加明顯. 因?yàn)楣庠诠鈱?dǎo)纖維中的傳導(dǎo)效果及能量損耗比水流柱內(nèi)要小. 但根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)特點(diǎn)，建議在低學(xué)齡段(如初中)學(xué)生中先用水流柱體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，原因?yàn)樗魇菍W(xué)生生活中常見的事物，易于理解. 在此基礎(chǔ)上，可選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)，引入光導(dǎo)纖維進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以便學(xué)生更形象深入地研究光纖通信的實(shí)質(zhì). 同時(shí)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)取材簡便，成本低廉，學(xué)生可以在教師指導(dǎo)下完成STEM實(shí)踐課題，激發(fā)學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣，有效地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力.

[1] 人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書·物理九年級(全一冊)[M]. 北京：人民教育出版社,2013.

[2] 王云,藍(lán)天,倪國強(qiáng). 室內(nèi)可見光通信復(fù)合光學(xué)接收端設(shè)計(jì)與分析[J]. 物理學(xué)報(bào),2017，66(8)：125-133.

[3] 薛家豪,李琪,徐勝男,等. 室內(nèi)LED可見光通信的分集接收系統(tǒng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2016，36(9):15-18,32.

[4] 駱宏圖,陳長纓,傅倩,等. 白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 光通信技術(shù),2011,35(2):56-59.

[5] 劉宏展,呂曉旭,王發(fā)強(qiáng), 等. 白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]. 光通信技術(shù),2009,33(7):56-59.

[6] 趙凱華. 新概念物理教程·光學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社,2004.