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2 输出D S G驻极体场效应管RC 话筒底视图接地端D 端（a ）话筒照片 （b ）使用方法图1-6 驻极体话筒使用驻极体话筒时，接线方法参见图1-6（b ），要注意其引脚的极性。

驻极体话筒的工作电流I DS 一般在0.15mA ～0.5mA 之间。

驻极体话筒的工作电压U DS 可以在1.5V ～6V 之间选择。

如果U DS 小于1V ，其内部FET 可能进入电阻区，不能对信号进行有效放大，从而使话筒灵敏度降低。

U DS 也不要大于10V ，以防损坏话筒。

3、确定电路参数红外发射LED 选用日本电气公司（NEC ）的SE303A 或者台湾亿光电子（Everlight ）的IR333C 。

由图1-5可以看出，在LED 的P-I 特性B 段光功率的增量与驱动电流的增量成正比，只要为LED 选择一个合适的静态工作点电流，就可以在一定范围内通过电流的变化线性地控制光源器件输出光功率的变化。

为了使语音信号尽可能不失真地通过光进行传输，就要求信号线性地控制光源器件输出的光功率。

所以，光源调制器的功能是将信号电压转换成适合驱动LED 的电流并用来驱动LED 。

光源调制器的参数确定为：静态输出电流大约20mA ，在振幅为10V 的信号电压控制下输出电流交流分量的振幅大约16mA 。

驻极体话筒的输出信号的幅度一般为数mV ，为了使光源调制器的输入信号幅度为数V ，话筒放大器的总增益应大于60dB 。

4、光源调制器电路通过运算放大器可以设计出把电压转换成电流的电路，参考电路如图1-7所示，这是一个反馈深度很深的电流串联负反馈电路。

采样电阻R S 对输出电流采样，因负反馈深度很深，故R S 上的电压等于输入电压为u A ，驱动LED 的输出电流A O E S u i i R ≈= （1-1）第 3 页 共 20 页为了给LED 提供合适的静态工作点电流I O ，需要为电路输入一个合适的直流电压U A 。

同时，为了使语音信号控制驱动LED 的电流i O 在其静态值I O 的基础上变化，语音信号就应该控制u A 在其静态值U A 的基础上变化线性地变化。

为此，进一步改变电路如图1-8所示，就得到了光源调制器的完整电路。

u iR 1和R 2对正电源电压V+分压，通过电压跟随器使u A 的直流分量2A 12R U V R R +=⋅+ （1-2）流过LED 的静态偏置电流()A 2O S S 12U R I V R R R R +≈=⋅+ （1-3）电容C 1起隔直流作用，输入信号为u i 时，u A 的直流分量U A 与静态值相同，而u A 的交流分量u a 受输入信号u i 控制（即，由u i 放大得到u a ）。

f a i i R u u R =-⋅ （1-4）所以，驱动LED 的电流i O 受输入信号u i 控制在静态值I O 的基础上线性变化，变化量a f o i S i S u R i u R R R ≈=-⋅ （1-5）5、话筒放大器电路两脚驻极体话筒的使用方法如图1-6（b）所示，其电路如图1-9所示。

图中的电容C 是话筒输出信号的耦合电容（隔直流电容）。

电阻R是话筒的直流偏置电阻，即话筒内部场效应管的外部负载电阻。

R的大小不但决定话筒的静态工作点，也影响话筒的灵敏度。

+umic−（a）电路（b）交流等效（戴维南）图1-9 驻极体话筒电路根据灵敏度的不同，驻极体话筒的输出信号u mic的幅度为数mV到数十mV，需要放大。

从放大器的角度看，话筒可以被等效成戴维南等效电路或诺顿等效电路，如图1-9（b）所示，图中的R mic是话筒的输出电阻，厂家一般标定为2.2kΩ，但实际上与偏置有关。

可以使用运放构成同相放大器或反相放大器作为话筒放大器，参见第X章。

由反相比例放大器构成的话筒放大器如图1-10所示（请与图1-8中的电路比较）。

也可以由晶体管构成话筒放大器，常见的电路如图1-11所示。

图1-11 晶体管话筒放大器电路一是最常用的单管放大器，参见第X章。