基于红外光谱技术光纤通信的实验设计

郭 宏， 朱 昊， 尉昊赟， 杨怀栋

(清华大学 精密仪器系，北京 100084)

0 引 言

光电技术系统课是光学工程专业学生的必修课，综合了模、数电路、电路系统设计和电工原理等课程的知识，与光学工程实际联系非常紧密。实施光纤与蓝牙的教学实验设计，有助于提高学生对通讯概念的感性认识及研究兴趣。大容量、高速率、远距离传输的通信是光纤通信的优点，以光纤为主要传输介质的互联网已经遍布全球各地。相对于光纤通信这一有线通信方式，蓝牙则是一种应用十分广泛的无线通信方式。当今时代，人们需要经常地进行无线通信与网络交流，蓝牙与光纤通信的结合日趋重要。因此,创建手机蓝牙与光纤的链接技术，不仅有助于提高学生对实验课的兴趣，也为光学工程专业的学生创新实验应用提供借鉴和参考。

1 实验系统结构

光纤通信是一种有线通信方式，它传输信息的载体是光波，传输介质是光纤。光纤通信系统(单向传输)由基本光纤传输系统以及发射部分、接收3部分组成，其结构如图1所示。这3部分代替了电缆传输，而其余部分所用的技术和设备则仍然与电缆通信相同，光发射机之前的电信号输入部分则为蓝牙模块。

图1 整体结构图

光发射机由调制器、驱动器和光源3部分组成，它将电信号转换成光信号，并尽可能多地把光信号耦合进光纤中传输。通过电信号对光的调制，光发射机实现从电信号向光信号转换的过程。在实验中，用电信号对光源的驱动电流进行直接调制，电信号变化，输出光也会随之而变化，从而实现信号转换。

在光纤的末端，光接收机将实现从光信号向电信号转换的过程，然后经过放大、整形处理，还原得到原来的电信号。光检测器、放大电路和相关的其他电路组成了光接收机。通过光探测器的检测，实现光接收机从光信号向电信号的转换过程。本实验中采用的是直接检测的方案，直接用检测器完成从光信号向电信号转换的过程。

2 工作原理

光纤通信的实现过程如下：将模拟信号输入至脉冲调频电路，调频电路采样、调制后输出一连串脉冲信号，输出的脉冲信号幅度一定，其频率随模拟信号幅度而变。经过放大电路驱动红外发光二极管发出调频光脉冲信号。光脉冲通过透镜耦合进入光纤，传输至接收端。接收端用高灵敏度的PIN光电接收器接收放大，再经频率解调器解调还原成模拟信号，最后由功率放大电路驱动扬声器发声。模拟信号、驱动电路、透镜、光纤、光接收放大、解调功放电路。实验装置框图如图2所示。

图2 实验装置框图

3 整体设计

3.1 发射电路

发射电路由调频电路、驱动电路和光源组成，其功能是将输入的电信号转换为光信号。为了较为方便地进行调频，实验装置中采用锁相环集成电路芯片CD4046进行频率的调制及之后接收电路的解调。如图3所示。输入的电信号经过隔直电容C1，提供交流信号，电源通过电阻分压，提供适当的直流信号，共同输入控制端9脚。CD4046起到方波振荡器的作用，其中心频率由C2、R3决定。从4脚输出随9脚的控制电压变化的方波，再经过后面的三极管T1进行放大后驱动红外发光二极管发光。

图3 发射电路

3.2 调频电路

调频部分利用了CD4046内部的压控振荡器，所谓的压控振荡器是指振荡频率受输入电压的控制，输出频率正比于压控端的电压，所以只要将调制用的模拟信号加至压控振荡器的电压控制端，就能使振荡器的输出方波的频率随模拟控制电压的变化而变化。因此，锁相技术使得电路频率的输出有着较宽的频偏，还有极高的稳定性。

CD4046是低功耗CMOS型、多功能数字环，由一个线性的压控振荡器(VCO)，一个源极跟随器，一个稳压二极管和两个相位比较器组成。锁相的意义是相位同步的自动控制。图4是CD4046锁相环的结构框图。两个相位比较器有一个共同的信号输入和一个共同的比较器输入。信号输入可以直接耦合到大电压信号，或者在信号输入处电容耦合到自偏置放大器，用于小电压信号。

图4 CD4046结构框图

在实验装置中，发射电路的调频部分利用了CD4046内部的压控振荡器，使用时，5脚接低电平(接地)，以允许压控振荡器工作。由于CD4046采用的是RC型压控振荡器，所以需要接入充放电元件，即电容C1和电阻R1是必要的。由于调频时要求VCO有一定的频率范围，所以不需要R2收缩频带，故将12脚空置。实验中，发射电路的锁相环9脚作为信号输入端，并不接地，无需考虑C2。

3.3 光 源

光源是光发射电路的关键器件，需要有足够大和稳定的输出功率，足够高的调频频率和稳定的输出波长，谱线宽度和光束发散角尽可能小，还要求温度特性好，可靠性高，寿命长。目前通常使用的光源是半导体激光二极管(LD)和半导体发光二极管(LED)。实验中使用的是红外发光二极管，其寿命长，可靠性高，调制电路简单，成本低，其输出特性，如图5所示。

红外发光二极管的输出特性就是输出光功率Po与正向工作电流IF之间的关系曲线,在工作电流较小时输出光功率Po与工作电流成线性关系，当工作电流IF较大时，曲线产生了弯曲，管子发生饱和。在红外光通信时，由于红外发光二极管长时间工作本身发热，会影响其输出功率，所以要保证红外发光二极管工作在幅度调制状态下，只要将工作电流限制在线性区内就可以。

图5 红外发光二极管的输出特性

3.4 光 纤

光纤是一种利用光学玻璃，熔融石英，塑料等透明材料拉制而成的细丝。从单根光纤看，分为里外层，里层是纤芯，外层是包层，呈圆柱形，纤芯的直径为5～75 μm，包层直径约100～150 μm，包层的外面是涂覆层，以提高光纤的抗拉弯曲强度。决定光传输特性的是纤芯和包层，它们均采用高纯度的材料拉制而成，纤芯的折射率比包层的折射率高，以形成一个光波导，把光限制在纤芯和包层的界面之间。光在光纤内传输是折射的，传输的线路呈正弦型。

3.5 接收电路

接收电路由光检测器件PIN、解调电路和其他相关电路组成，其功能是将传递过来的光信号放大、整形，并解调得到原来的电信号。当输入的信号是音频信号时，接上扬声器，即可还原音频。如图6所示。D2处采用高灵敏度的PIN器件接收光信号，其工作波段覆盖可见到近红外，响应速度快，是吸收光辐射而产生光电流的一种光探测器。由此得到的电信号经过放大、整形，再经过CD4046解调得到还原的信号。解调电路的C08、R16和发射电路的C02、R03对应值相同，使它的中心频率和发射电路相同。从10脚输出后，经过隔直、滤波，再经LM386进行功率放大，驱动扬声器发声。

图6 接收电路

3.6 调制与解调

在实际操作中连接好电路，用示波器观察压控振荡器工作是否正常，振荡频率约为400 kHz,用红外感光片观察发光二极管是否发光。将示波器探头接于放大整形电路晶体管的输出端，调整发光二极管和光纤的相对位置，使其输出的信号最大。用1 kHz的正弦波信号(幅度为100 mV左右)接至调制输入端，观察输出的调频情况，用示波器观察频率解调电路CD4046的第9脚的波形，改变输入正弦波频率，观察解调端的正弦频率是否跟着改变。接上蓝牙手机，用其音频信号代替正弦，这时扬声器应发出的手机所播放的声音。

3.7 蓝牙技术

蓝牙可以实现短距离无线连接，它没有方向性限制的特点，有效连接距离达10 m，一般的传输速率为1 MB/s，其体积小、功耗低，使用方便等在很多数字设备上都可以把它集成进去。实验中，采用了炬为BT2无线蓝牙音频接收器模块，其各接口功能如图7所示。需用3.5立体声输出口和Micro USB充电接口。将耳机线接头接入立体声输出口，接上电源，就可以用带有蓝牙的设备进行输入了。

图7 蓝牙音频接收器模块

4 结 语

本文实现了利用蓝牙模块接收信号的光纤通信实验装置，并能够在一定距离内传输音频到实验系统中，利用光纤传输，还原后信号输出到扬声器。通过此次实验的设计，学生能够发挥自己的主观能动性，培养以下能力：

(1) 经过一个完整的设计，安装，接线和调制与解调的全部过程，对今后承接小型科研课题和SRT项目具有很好的帮助。

(2) 发射电路可以用晶体管电路来实现，对每一级晶体管进行放大计算，代替CD4046。培养学生的设计思路，即设计要有严格的计算。

(3) 上电过程中，红外光与光纤的耦合可能会出现不同的问题，培养学生分析解决实际问题的能力。

(4) 培养学生的团队协作精神，共同完成一个综合实验，授人以鱼不如授人以渔。