郭 宏， 朱 昊， 尉昊赟， 楊懷棟

(清華大學 精密儀器系，北京 100084)

0 引 言

光電技術(shù)系統(tǒng)課是光學工程專業(yè)學生的必修課，綜合了模、數(shù)電路、電路系統(tǒng)設(shè)計和電工原理等課程的知識，與光學工程實際聯(lián)系非常緊密。實施光纖與藍牙的教學實驗設(shè)計，有助于提高學生對通訊概念的感性認識及研究興趣。大容量、高速率、遠距離傳輸?shù)耐ㄐ攀枪饫w通信的優(yōu)點，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。相對于光纖通信這一有線通信方式，藍牙則是一種應(yīng)用十分廣泛的無線通信方式。當今時代，人們需要經(jīng)常地進行無線通信與網(wǎng)絡(luò)交流，藍牙與光纖通信的結(jié)合日趨重要。因此,創(chuàng)建手機藍牙與光纖的鏈接技術(shù)，不僅有助于提高學生對實驗課的興趣，也為光學工程專業(yè)的學生創(chuàng)新實驗應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 實驗系統(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)射機之前的電信號輸入部分則為藍牙模塊。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖

光發(fā)射機由調(diào)制器、驅(qū)動器和光源3部分組成，它將電信號轉(zhuǎn)換成光信號，并盡可能多地把光信號耦合進光纖中傳輸。通過電信號對光的調(diào)制，光發(fā)射機實現(xiàn)從電信號向光信號轉(zhuǎn)換的過程。在實驗中，用電信號對光源的驅(qū)動電流進行直接調(diào)制，電信號變化，輸出光也會隨之而變化，從而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。

在光纖的末端，光接收機將實現(xiàn)從光信號向電信號轉(zhuǎn)換的過程，然后經(jīng)過放大、整形處理，還原得到原來的電信號。光檢測器、放大電路和相關(guān)的其他電路組成了光接收機。通過光探測器的檢測，實現(xiàn)光接收機從光信號向電信號的轉(zhuǎn)換過程。本實驗中采用的是直接檢測的方案，直接用檢測器完成從光信號向電信號轉(zhuǎn)換的過程。

2 工作原理

光纖通信的實現(xiàn)過程如下：將模擬信號輸入至脈沖調(diào)頻電路，調(diào)頻電路采樣、調(diào)制后輸出一連串脈沖信號，輸出的脈沖信號幅度一定，其頻率隨模擬信號幅度而變。經(jīng)過放大電路驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)出調(diào)頻光脈沖信號。光脈沖通過透鏡耦合進入光纖，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，最后由功率放大電路驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。模擬信號、驅(qū)動電路、透鏡、光纖、光接收放大、解調(diào)功放電路。實驗裝置框圖如圖2所示。

圖2 實驗裝置框圖

3 整體設(shè)計

3.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路由調(diào)頻電路、驅(qū)動電路和光源組成，其功能是將輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號。為了較為方便地進行調(diào)頻，實驗裝置中采用鎖相環(huán)集成電路芯片CD4046進行頻率的調(diào)制及之后接收電路的解調(diào)。如圖3所示。輸入的電信號經(jīng)過隔直電容C1，提供交流信號，電源通過電阻分壓，提供適當?shù)闹绷餍盘?，共同輸入控制?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)過后面的三極管T1進行放大后驅(qū)動紅外發(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)，由一個線性的壓控振蕩器(VCO)，一個源極跟隨器，一個穩(wěn)壓二極管和兩個相位比較器組成。鎖相的意義是相位同步的自動控制。圖4是CD4046鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖。兩個相位比較器有一個共同的信號輸入和一個共同的比較器輸入。信號輸入可以直接耦合到大電壓信號，或者在信號輸入處電容耦合到自偏置放大器，用于小電壓信號。

圖4 CD4046結(jié)構(gòu)框圖

在實驗裝置中，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，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。實驗中，發(fā)射電路的鎖相環(huán)9腳作為信號輸入端，并不接地，無需考慮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，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。目前通常使用的光源是半導體激光二極管(LD)和半導體發(fā)光二極管(LED)。實驗中使用的是紅外發(fā)光二極管，其壽命長，可靠性高，調(diào)制電路簡單，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,在工作電流較小時輸出光功率Po與工作電流成線性關(guān)系，當工作電流IF較大時，曲線產(chǎn)生了彎曲，管子發(fā)生飽和。在紅外光通信時，由于紅外發(fā)光二極管長時間工作本身發(fā)熱，會影響其輸出功率，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玻璃，熔融石英，塑料等透明材料拉制而成的細絲。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，以形成一個光波導，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，其功能是將傳遞過來的光信號放大、整形，并解調(diào)得到原來的電信號。當輸入的信號是音頻信號時，接上揚聲器，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，其工作波段覆蓋可見到近紅外，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器。由此得到的電信號經(jīng)過放大、整形，再經(jīng)過CD4046解調(diào)得到還原的信號。解調(diào)電路的C08、R16和發(fā)射電路的C02、R03對應(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)過隔直、濾波，再經(jīng)LM386進行功率放大，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲。

圖6 接收電路

3.6 調(diào)制與解調(diào)

在實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位置，使其輸出的信號最大。用1 kHz的正弦波信號(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。接上藍牙手機，用其音頻信號代替正弦，這時揚聲器應(yīng)發(fā)出的手機所播放的聲音。

3.7 藍牙技術(shù)

藍牙可以實現(xiàn)短距離無線連接，它沒有方向性限制的特點，有效連接距離達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去。實驗中，采用了炬為BT2無線藍牙音頻接收器模塊，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。將耳機線接頭接入立體聲輸出口，接上電源，就可以用帶有藍牙的設(shè)備進行輸入了。

圖7 藍牙音頻接收器模塊

4 結(jié) 語

本文實現(xiàn)了利用藍牙模塊接收信號的光纖通信實驗裝置，并能夠在一定距離內(nèi)傳輸音頻到實驗系統(tǒng)中，利用光纖傳輸，還原后信號輸出到揚聲器。通過此次實驗的設(shè)計，學生能夠發(fā)揮自己的主觀能動性，培養(yǎng)以下能力：

(1) 經(jīng)過一個完整的設(shè)計，安裝，接線和調(diào)制與解調(diào)的全部過程，對今后承接小型科研課題和SRT項目具有很好的幫助。

(2) 發(fā)射電路可以用晶體管電路來實現(xiàn)，對每一級晶體管進行放大計算，代替CD4046。培養(yǎng)學生的設(shè)計思路，即設(shè)計要有嚴格的計算。

(3) 上電過程中，紅外光與光纖的耦合可能會出現(xiàn)不同的問題，培養(yǎng)學生分析解決實際問題的能力。

(4) 培養(yǎng)學生的團隊協(xié)作精神，共同完成一個綜合實驗，授人以魚不如授人以漁。