简易无线光通信系统设计详述(DOC)

1.1 简易无线光通信系统

光通信分为有线光通信和无线光通信两种。光通信的主要方式是有线光通信即光纤通信，它已成为广域网、城域网的主要传输方式之一。

无线光通信又被称为自由空间光通信(FSO，Free Space Optical communication)。近年来，随着“最后一公里”对高带宽、低成本接入技术的迫切需求，FSO在视距传输、宽带接入中有了新的发展机遇，同时由于光通信器件制造技术的飞速发展，无线光通信设备的制造成本大幅下降，FSO得到越来越多的应用。

本小节介绍用红外光进行语音信号无线传输的简单系统，这种简单的、实验性的无线光通信系统是真实无线光通信系统的简化，其组成如图1-1所示。

图1-1 简易的光无线语音传输系统

在一个系统项目开始设计时，要确定实现系统功能的方法原理，并根据项目要求确定系统的需求并发展出一个针对这些需求的计划，即确定系统包括的组成部分、各部分的性能指标以及它们与系统性能之间的关系。然后根据各个组成部分的指标进行单元电路设计。

通过对简易的光无线语音传输系统设计、制作与调试，目的是：1）了解分析设计的系统需求并发展出解决方案的过程，2）学习单元电路的设计、测试与调整的方法，特别是模拟电路的设计与调试。

1.1.1 系统功能要求及基本解决思路

一、系统功能要求

1、基本要求

（1）设计制作一个可以传送语音信号的无线光通信设备；

（2）语音信号频率范围：300Hz～3400Hz；

（3）通信距离不小于10m；

（4）发送端用驻极体话筒拾取语音；

（5）接收端输出到喇叭的最大功率0.5W。

2、扩展要求

（1）减小环境光对通信的影响；

（2）拓展通信距离（不小于100m）；

（3）收发两端均采用单电源供电。

第 3 页共20 页

2 二、 系统组成及基本解决思路

1、系统组成

简易的光无线语音传输系统包括发射机系统与接收机系统两个部分组成，如图1-1所示。系统所用的基本技术是光电转换。光发射机中的光源受到电信号的调制，通过作为天线的发射光学系统，将光信号通过大气信道传送到接收机的望远镜；接收机望远镜收集接收到光信号并将它聚焦在光电检测器上，光电检测器将光信号转换成电信号。

发射机部分由光发射端机、光源器件和发射端光学天线组成。光发射端机通过调制器将输入信号转换成适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件，对光源器件进行强度调制，完成电/光变换的功能，光源器件发出的光由光学装置汇聚后经一定长度的空间传输送达接收端。

接收机部分由接收端光学天线、光探测器件和光接收端机组成。光信号经光学系统汇聚后，由光电检测器对输入的光信号进行检波，将光信号转换成相应的电信号，再经过放大恢复等电处理过程，以弥补传输过程中带来的信号损伤（如损耗、波形畸变），最后输出和原始输入信号相一致的电信号，从而完成整个接收过程。

2、基本解决思路

在进行系统设计时，解决思路是与系统设计要求相适应的。对于所要设计的简易光无线语音传输系统各个组成部分的考虑如下。

光源器件与光探测器的选择：由于要求的通信距离较短，所传送的信号频率范围也很窄，

所以可以选择用于普通电视遥控器的940nm

红外LED 作为光源器件，同时也选择普通的

硅光敏二极管作为光探测器。图1-2是红外LED 和硅光敏二极管的照片。

光学系统：对于近距离通信的基本要求，收发两端都不需要

光学透镜。但是对于扩展要求，由于通信距离较远，在发端的

LED 和收端的光敏二极管前都应该加上凸透镜。特别是发端，用于遥控器的红外LED 指向性很宽，射出光的强度随距离增加

衰减得极快。为了提高透镜的聚光效果，按图1-3所示的方法，

把LED 的前端去掉并用磨石仔细磨平磨光。

光发射端机：光发射端机电路的任务是对要传送的信号进行处理，通过调制器产生适合驱动光源器件的电流信号并用来驱动光源器件。对于基本要求，可以将放大了的语音信号直接转换成驱动LED 的电流，对LED 发出的光进行直接光强度调制。然而采用这种方式，难以去除环境光以及其它干扰的影响。所以，对于扩展要求，为了获得更大的通信距离，把要传送的语音信号通过FM 的方式调制在50kHZ 信号上，再用调频信号去调制光的强度。

光接收端机：如果发端采用放大了的语音信号对LED 直接进行光强度控制，在接收端就可以直接将光敏二极管输出的光电流转换为电压，放大以后去推动喇叭发声。如果采用了调频方式，那么接收机应该对光敏二极管的输出信号放大后进行FM 解调，然后对解调以后的信号滤波和放大。为了更好地滤除干扰，在FM 解调以前需要对信号进行滤波处理。 图17-3 切割LED 的方法 图17-2 红外发光二极管与硅光敏二极管

通过上述讨论，对于简易的光无线语音传输系统的基本要求和扩展要求，就有两种不同的实现方案：第一种采用很简单的直接光强调制方式进行通信，另一种采用相对简单的调频无线光通信方式。

有了解决方案，接下来必须确定系统需求的各个组成部分及其性能指标，然后再进行单元电路设计。下面分别讨论这两种实现方案的设计过程，在讨论中尽可能采用本书前面介绍过的基本电路完成设计。

1.1.2 简单的语音无线光通信系统

一、光发射端机

对于所要设计的这种简单的语音无线光通信系统，发射端机的任务是将驻极体话筒拾取的语音信号进行放大，然后直接通过调制器驱动光源器件发光。所以，要根据选定的光源器件和驻极体话筒的要求进行发射端机设计。要设计的发射端机如图1-4所示。

光源

器件

图1-4采用直接强度调制的光发射端机框图

1、半导体光源器件

常用的半导体光源器件是半导体激光器，即激光二极管（LD）。半导体激光器非常适合于作高速、长距离光纤通信系统的光源；在真实的自由空间光通信系统中，也采用半导体激光器作光源。对于要设计的简单的、实验性的语音无线光通Array信系统，因为要求的传输速率低、通信距离也较短，所以选

择了用于遥控器的红外LED作为光源器件，其发出的红外光

波长一般为940nm，正向压降约1.4V，允许的最大连续正向

电流I MAX一般为50mA，有些管子要更大些。用于遥控器的

红外LED指向性很宽，所以不需要特别对准。

用于光通信中的半导体光源器件，其最重要的特性是输

出光的功率与电流的关系，即所谓的P-I特性。LD和LED

的P-I特性如图1-5所示，曲线分为A、B两段，在驱动电流

I大于阈值电流I th的B段直线性较好。驱动光源器件的平均电流不可超过允许的最大连续正向电流I MAX。

2、驻极体话筒

驻极体电容式话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低廉的特点，广泛用于盒式录音机、无线话筒及声控等电路中。因其壳内设置有一个作为阻抗转换器的场效应管，故驻极体话筒在工作时需要直流工作电压。驻极体话筒的引出端以两个脚的居多，也有三个脚的。图1-6是两脚驻极体话筒的照片和使用方法。

第 3 页共20 页