基于可見光通信的“水流傳聲”實驗

唐忠敏，王太軍

(1.西北民族大學 預科教育學院 理科教研室，甘肅 蘭州 730030；2.西北師范大學 教育學院 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行通信的技術，始于1966年華裔物理學家高錕提出的用光導纖維有效傳輸光信號構想，成功實現了利用光進行遠距離通信. 現今廣泛用于光纖通信的光纜連通世界的各個角落，成為當今信息互聯的“高速公路”. 作為現代通信技術領域的佼佼者，光通信影響到人們生活的方方面面，同時，它是國外STEM課程中最具價值的教育內容之一，能促進中學生科學核心素養的提升和發展.

但是,無論中學還是大學的物理課程中，光通信部分的教學內容僅僅是描述介紹性的，缺少能真正讓學生深入理解光通信實質的實驗. 例如，文獻[1]中第21章第4節中有專題介紹光纖通信，其中安排了演示實驗：把大塑料瓶用不透光的紙包上，瓶的側壁開個小孔. 塑料瓶內盛水，水面上方放發光小燈泡. 當水從小孔流出時，你會看到光隨著彎彎的水流照到地面，在地面產生一個光斑[1]. 教科書用該實驗演示光在彎曲的水流柱中的傳導，用以形象類比光在光導纖維中的傳導過程. 但遺憾的是，該實驗并不能展示光通信中“光能攜帶信息”的特征. 為此，筆者設計了基于LED可見光通信的“水流傳聲”實驗系統，該實驗以彎曲水流柱為導光載體，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和光能攜帶聲音信息傳輸的雙重過程.

1 實驗系統設計原理

最簡的可見光通信系統需要至少由2部分構成，用于調制信號光源的發射端和解調信號光波的接收端[2-4]. 因此，根據實驗需要，“水流傳聲”實驗系統結構設計成發射模塊、傳導媒介和接收模塊3個組成部分(如圖1所示). 發射模塊是將媒體放音設備(麥克風信號、mp3、手機音樂等)產生的音頻信號經調制后送入LED調制驅動電路，產生攜帶音頻信號的白色載波可見光；傳導媒介用于傳導LED發出的可見光，實驗系統所用的傳導媒介主要為彎曲的導光水流柱. 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電路和功率放大電路，將LED發出的白色載波可見光中音頻信號分離，并解調后放大驅動揚聲器發聲，實現聲音還原的目的.

圖1 光通信“水流傳聲”實驗系統結構框圖

1.1 發射模塊

常見LED發光機理是由PN結半導體晶片受激發光，它較之白熾燈鎢絲熾熱狀態發光具有不可替代的優勢：響應靈敏度高，調制性能好，功耗極低[4-5]. 為實現LED光源所發出的光能夠攜帶聲電信號，實驗系統發射模塊設計為先通過前置放大電路將聲音信號調制到電路中形成電信號，再經過后置放大電路后驅動LED發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換過程.

圖2 “水流傳聲”光通信實驗系統發射模塊電路圖

1.2 接收模塊

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

1.3 導光水流柱

實驗中光的傳導介質為水流柱. 將透明塑料瓶側底端開一小圓孔(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. 實驗中水流柱的應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，計算得臨界角C=48.6°

實驗中LED(其外罩近似凸透鏡)發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°，遠比臨界角48.6°大，光可以在水流柱內發生全反射(見圖4所示)，可沿水流柱傳播很遠(具體傳播距離與水流柱未散碎之前彎弧長度有關).

圖3 “水流傳聲”光通信實驗系統接收模塊電路圖

圖4 可見光在水流柱中傳播示意圖

2 實驗系統的制作與安裝調試

2.1 制作材料

“水流傳聲”可見光通信實驗系統的發射模塊、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，可在萬用線路實驗板上連接，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 安裝與調試要點

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，檢測發射模塊和接收模塊能否正常工作；輸入音頻信號后檢測發射模塊輸出端LED能否正常發光，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”實驗系統所需電子元件

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

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，可以取適當大小的玻璃杯倒置在水平桌面罩住整個接收模塊，注意預留好空隙，在外界能清晰聽到罩內接收模塊揚聲器發出的聲音. 方案二：將硅光敏三極管用較長導線連接至電路，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)調整好接收模塊硅光敏三極管的探頭的位置. 調整好位置后，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，接收模塊揚聲器發出mp3正在播放的音樂聲音，同時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，如果用手擋住水流，光斑會顯示到手上，但是接收模塊揚聲器的聲音就會消失；恢復水流柱后聲音繼續出現.

3 實用效果及反思

以彎曲的水流柱為導光載體，借助LED發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和利用光攜帶聲音信息傳輸的雙重過程，彌補了當前物理教學中的不足. 若將水流柱體替換為光導纖維，實驗效果會更加明顯. 因為光在光導纖維中的傳導效果及能量損耗比水流柱內要小. 但根據學生學習特點，建議在低學齡段(如初中)學生中先用水流柱體進行實驗，原因為水流是學生生活中常見的事物，易于理解. 在此基礎上，可選擇適當時機，引入光導纖維進行實驗，以便學生更形象深入地研究光纖通信的實質. 同時，實驗系統取材簡便，成本低廉，學生可以在教師指導下完成STEM實踐課題，激發學生物理學習興趣，有效地培養學生科學創新精神和實踐能力.

[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中心. 義務教育教科書·物理九年級(全一冊)[M]. 北京：人民教育出版社,2013.

[2] 王云,藍天,倪國強. 室內可見光通信復合光學接收端設計與分析[J]. 物理學報,2017，66(8)：125-133.

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

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

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

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