基于紅外光譜技術(shù)光纖通信的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

郭 宏， 朱 昊， 尉昊赟， 楊懷棟

(清華大學(xué) 精密儀器系，北京 100084)

0 引 言

光電技術(shù)系統(tǒng)課是光學(xué)工程專業(yè)學(xué)生的必修課，綜合了模、數(shù)電路、電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電工原理等課程的知識(shí)，與光學(xué)工程實(shí)際聯(lián)系非常緊密。實(shí)施光纖與藍(lán)牙的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有助于提高學(xué)生對(duì)通訊概念的感性認(rèn)識(shí)及研究興趣。大容量、高速率、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐ㄐ攀枪饫w通信的優(yōu)點(diǎn)，以光纖為主要傳輸介質(zhì)的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)遍布全球各地。相對(duì)于光纖通信這一有線通信方式，藍(lán)牙則是一種應(yīng)用十分廣泛的無(wú)線通信方式。當(dāng)今時(shí)代，人們需要經(jīng)常地進(jìn)行無(wú)線通信與網(wǎng)絡(luò)交流，藍(lán)牙與光纖通信的結(jié)合日趨重要。因此,創(chuàng)建手機(jī)藍(lán)牙與光纖的鏈接技術(shù)，不僅有助于提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的興趣，也為光學(xué)工程專業(yè)的學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光纖通信是一種有線通信方式，它傳輸信息的載體是光波，傳輸介質(zhì)是光纖。光纖通信系統(tǒng)(單向傳輸)由基本光纖傳輸系統(tǒng)以及發(fā)射部分、接收3部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這3部分代替了電纜傳輸，而其余部分所用的技術(shù)和設(shè)備則仍然與電纜通信相同，光發(fā)射機(jī)之前的電信號(hào)輸入部分則為藍(lán)牙模塊。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

光發(fā)射機(jī)由調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器和光源3部分組成，它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，并盡可能多地把光信號(hào)耦合進(jìn)光纖中傳輸。通過(guò)電信號(hào)對(duì)光的調(diào)制，光發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)向光信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。在實(shí)驗(yàn)中，用電信號(hào)對(duì)光源的驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行直接調(diào)制，電信號(hào)變化，輸出光也會(huì)隨之而變化，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)換。

在光纖的末端，光接收機(jī)將實(shí)現(xiàn)從光信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程，然后經(jīng)過(guò)放大、整形處理，還原得到原來(lái)的電信號(hào)。光檢測(cè)器、放大電路和相關(guān)的其他電路組成了光接收機(jī)。通過(guò)光探測(cè)器的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)光接收機(jī)從光信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程。本實(shí)驗(yàn)中采用的是直接檢測(cè)的方案，直接用檢測(cè)器完成從光信號(hào)向電信號(hào)轉(zhuǎn)換的過(guò)程。

2 工作原理

光纖通信的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：將模擬信號(hào)輸入至脈沖調(diào)頻電路，調(diào)頻電路采樣、調(diào)制后輸出一連串脈沖信號(hào)，輸出的脈沖信號(hào)幅度一定，其頻率隨模擬信號(hào)幅度而變。經(jīng)過(guò)放大電路驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)出調(diào)頻光脈沖信號(hào)。光脈沖通過(guò)透鏡耦合進(jìn)入光纖，傳輸至接收端。接收端用高靈敏度的PIN光電接收器接收放大，再經(jīng)頻率解調(diào)器解調(diào)還原成模擬信號(hào)，最后由功率放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。模擬信號(hào)、驅(qū)動(dòng)電路、透鏡、光纖、光接收放大、解調(diào)功放電路。實(shí)驗(yàn)裝置框圖如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置框圖

3 整體設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路由調(diào)頻電路、驅(qū)動(dòng)電路和光源組成，其功能是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。為了較為方便地進(jìn)行調(diào)頻，實(shí)驗(yàn)裝置中采用鎖相環(huán)集成電路芯片CD4046進(jìn)行頻率的調(diào)制及之后接收電路的解調(diào)。如圖3所示。輸入的電信號(hào)經(jīng)過(guò)隔直電容C1，提供交流信號(hào)，電源通過(guò)電阻分壓，提供適當(dāng)?shù)闹绷餍盘?hào)，共同輸入控制端9腳。CD4046起到方波振蕩器的作用，其中心頻率由C2、R3決定。從4腳輸出隨9腳的控制電壓變化的方波，再經(jīng)過(guò)后面的三極管T1進(jìn)行放大后驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)光。

圖3 發(fā)射電路

3.2 調(diào)頻電路

調(diào)頻部分利用了CD4046內(nèi)部的壓控振蕩器，所謂的壓控振蕩器是指振蕩頻率受輸入電壓的控制，輸出頻率正比于壓控端的電壓，所以只要將調(diào)制用的模擬信號(hào)加至壓控振蕩器的電壓控制端，就能使振蕩器的輸出方波的頻率隨模擬控制電壓的變化而變化。因此，鎖相技術(shù)使得電路頻率的輸出有著較寬的頻偏，還有極高的穩(wěn)定性。

CD4046是低功耗CMOS型、多功能數(shù)字環(huán)，由一個(gè)線性的壓控振蕩器(VCO)，一個(gè)源極跟隨器，一個(gè)穩(wěn)壓二極管和兩個(gè)相位比較器組成。鎖相的意義是相位同步的自動(dòng)控制。圖4是CD4046鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖。兩個(gè)相位比較器有一個(gè)共同的信號(hào)輸入和一個(gè)共同的比較器輸入。信號(hào)輸入可以直接耦合到大電壓信號(hào)，或者在信號(hào)輸入處電容耦合到自偏置放大器，用于小電壓信號(hào)。

圖4 CD4046結(jié)構(gòu)框圖

在實(shí)驗(yàn)裝置中，發(fā)射電路的調(diào)頻部分利用了CD4046內(nèi)部的壓控振蕩器，使用時(shí)，5腳接低電平(接地)，以允許壓控振蕩器工作。由于CD4046采用的是RC型壓控振蕩器，所以需要接入充放電元件，即電容C1和電阻R1是必要的。由于調(diào)頻時(shí)要求VCO有一定的頻率范圍，所以不需要R2收縮頻帶，故將12腳空置。實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射電路的鎖相環(huán)9腳作為信號(hào)輸入端，并不接地，無(wú)需考慮C2。

3.3 光 源

光源是光發(fā)射電路的關(guān)鍵器件，需要有足夠大和穩(wěn)定的輸出功率，足夠高的調(diào)頻頻率和穩(wěn)定的輸出波長(zhǎng)，譜線寬度和光束發(fā)散角盡可能小，還要求溫度特性好，可靠性高，壽命長(zhǎng)。目前通常使用的光源是半導(dǎo)體激光二極管(LD)和半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)。實(shí)驗(yàn)中使用的是紅外發(fā)光二極管，其壽命長(zhǎng)，可靠性高，調(diào)制電路簡(jiǎn)單，成本低，其輸出特性，如圖5所示。

紅外發(fā)光二極管的輸出特性就是輸出光功率Po與正向工作電流IF之間的關(guān)系曲線,在工作電流較小時(shí)輸出光功率Po與工作電流成線性關(guān)系，當(dāng)工作電流IF較大時(shí)，曲線產(chǎn)生了彎曲，管子發(fā)生飽和。在紅外光通信時(shí)，由于紅外發(fā)光二極管長(zhǎng)時(shí)間工作本身發(fā)熱，會(huì)影響其輸出功率，所以要保證紅外發(fā)光二極管工作在幅度調(diào)制狀態(tài)下，只要將工作電流限制在線性區(qū)內(nèi)就可以。

圖5 紅外發(fā)光二極管的輸出特性

3.4 光 纖

光纖是一種利用光學(xué)玻璃，熔融石英，塑料等透明材料拉制而成的細(xì)絲。從單根光纖看，分為里外層，里層是纖芯，外層是包層，呈圓柱形，纖芯的直徑為5～75 μm，包層直徑約100～150 μm，包層的外面是涂覆層，以提高光纖的抗拉彎曲強(qiáng)度。決定光傳輸特性的是纖芯和包層，它們均采用高純度的材料拉制而成，纖芯的折射率比包層的折射率高，以形成一個(gè)光波導(dǎo)，把光限制在纖芯和包層的界面之間。光在光纖內(nèi)傳輸是折射的，傳輸?shù)木€路呈正弦型。

3.5 接收電路

接收電路由光檢測(cè)器件PIN、解調(diào)電路和其他相關(guān)電路組成，其功能是將傳遞過(guò)來(lái)的光信號(hào)放大、整形，并解調(diào)得到原來(lái)的電信號(hào)。當(dāng)輸入的信號(hào)是音頻信號(hào)時(shí)，接上揚(yáng)聲器，即可還原音頻。如圖6所示。D2處采用高靈敏度的PIN器件接收光信號(hào)，其工作波段覆蓋可見(jiàn)到近紅外，響應(yīng)速度快，是吸收光輻射而產(chǎn)生光電流的一種光探測(cè)器。由此得到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形，再經(jīng)過(guò)CD4046解調(diào)得到還原的信號(hào)。解調(diào)電路的C08、R16和發(fā)射電路的C02、R03對(duì)應(yīng)值相同，使它的中心頻率和發(fā)射電路相同。從10腳輸出后，經(jīng)過(guò)隔直、濾波，再經(jīng)LM386進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。

圖6 接收電路

3.6 調(diào)制與解調(diào)

在實(shí)際操作中連接好電路，用示波器觀察壓控振蕩器工作是否正常，振蕩頻率約為400 kHz,用紅外感光片觀察發(fā)光二極管是否發(fā)光。將示波器探頭接于放大整形電路晶體管的輸出端，調(diào)整發(fā)光二極管和光纖的相對(duì)位置，使其輸出的信號(hào)最大。用1 kHz的正弦波信號(hào)(幅度為100 mV左右)接至調(diào)制輸入端，觀察輸出的調(diào)頻情況，用示波器觀察頻率解調(diào)電路CD4046的第9腳的波形，改變輸入正弦波頻率，觀察解調(diào)端的正弦頻率是否跟著改變。接上藍(lán)牙手機(jī)，用其音頻信號(hào)代替正弦，這時(shí)揚(yáng)聲器應(yīng)發(fā)出的手機(jī)所播放的聲音。

3.7 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙可以實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線連接，它沒(méi)有方向性限制的特點(diǎn)，有效連接距離達(dá)10 m，一般的傳輸速率為1 MB/s，其體積小、功耗低，使用方便等在很多數(shù)字設(shè)備上都可以把它集成進(jìn)去。實(shí)驗(yàn)中，采用了炬為BT2無(wú)線藍(lán)牙音頻接收器模塊，其各接口功能如圖7所示。需用3.5立體聲輸出口和Micro USB充電接口。將耳機(jī)線接頭接入立體聲輸出口，接上電源，就可以用帶有藍(lán)牙的設(shè)備進(jìn)行輸入了。

圖7 藍(lán)牙音頻接收器模塊

4 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了利用藍(lán)牙模塊接收信號(hào)的光纖通信實(shí)驗(yàn)裝置，并能夠在一定距離內(nèi)傳輸音頻到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，利用光纖傳輸，還原后信號(hào)輸出到揚(yáng)聲器。通過(guò)此次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，學(xué)生能夠發(fā)揮自己的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)以下能力：

(1) 經(jīng)過(guò)一個(gè)完整的設(shè)計(jì)，安裝，接線和調(diào)制與解調(diào)的全部過(guò)程，對(duì)今后承接小型科研課題和SRT項(xiàng)目具有很好的幫助。

(2) 發(fā)射電路可以用晶體管電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)每一級(jí)晶體管進(jìn)行放大計(jì)算，代替CD4046。培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，即設(shè)計(jì)要有嚴(yán)格的計(jì)算。

(3) 上電過(guò)程中，紅外光與光纖的耦合可能會(huì)出現(xiàn)不同的問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生分析解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

(4) 培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，共同完成一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，授人以魚(yú)不如授人以漁。