简易无线光通信系统设计详述分解.docx

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简易无线光通信系统设计详述分解

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，FreeSpaceOpticalcommunication）。

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。

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。

图17-2红外发光二极管与硅光敏二极管

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。

图17-3切割LED的方法

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。

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。

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

图17-5半导体光源的P-I特性

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IMAX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Ith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IMAX。

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。

（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IDS一般在0.15mA～0.5mA之间。

驻极体话筒的工作电压UDS可以在1.5V～6V之间选择。

如果UDS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。

UDS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RS对输出电流采样，因负反馈深度很深，故RS上的电压等于输入电压为uA，驱动LED的输出电流

（1-1）

图1-7电流输出电路

为了给LED提供合适的静态工作点电流IO，需要为电路输入一个合适的直流电压UA。

同时，为了使语音信号控制驱动LED的电流iO在其静态值IO的基础上变化，语音信号就应该控制uA在其静态值UA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。

图1-8光源调制器的完整电路

R1和R2对正电源电压V+分压，通过电压跟随器使uA的直流分量

（1-2）

流过LED的静态偏置电流

（1-3）

电容C1起隔直流作用，输入信号为ui时，uA的直流分量UA与静态值相同，而uA的交流分量ua受输入信号ui控制（即，由ui放大得到ua）。

（1-4）

所以，驱动LED的电流iO受输入信号ui控制在静态值IO的基础上线性变化，变化量

（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。

（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umic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Rmic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）。

图1-10使用反相放大器的话筒放大器

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。

（a）电路一（b）电路二

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。

因为电路一中的Re会分走一部分直流电压，如果使用的电源电压较低，可以采用电路二。

电路二中的Rf是反馈电阻，目的是稳定工作点。

Rf既引入了直流负反馈又引入了交流负反馈，所以Rf和Rc对工作点和增益都有影响。

实践中常通过Rf调节工作点，通过Rc调节增益。

6、简单光发射端机的参考设计

图1-12是光发射端机的完整电路，通过三芯插座J3接入±12V电源，两芯插座J1、J2分别接驻极体话筒和红外发射LED。

图1-12直接光强调制的发射端机电路图

驱动LED的三极管选用江苏长江电子的8050SS，其β值一般在200左右（在集电极电流IC=800mA时，β最小为40），极限参数PCM=1W，ICM=1.5A，V（BR）CEO=40V。

运算放大器选用德州仪器（TI）的TL082双运放。

在电路中，运放U1A的同相输入端通过R8接地（这一点与图1-8中R1、R2对V+分压不同），静态时TP1点的直流电压等于0V，故Q2发射极的直流电压为0V，即：

静态时输出电流的取样电阻R9两端的直流电压为12V。

为了使静态时驱动LED的直流电流大约等于20mA，R9的阻值被选择为620Ω，这样，流过LED的直流电流

在输入信号的作用下，TP1点的电压就会在静态值的基础上变化，如果TP1点的电压从0V变化到−10V，流过LED的电流

TP1点的电压变化到+10V，则流过LED的电流

取样电阻R9同时也是限流电阻，即使Q2完全饱和，流过LED的电流最大也不会超过40mA。

如果要使LED的静态电流为10mA，最大电流不超过20mA，可以把R9改为1.2kΩ。

正电源电压为12V。

如果驻极体话筒的工作电流是0.5mA，为了使话筒的工作电压在1V以上，则话筒的直流偏置电阻不能大于22kΩ。

如果话筒的工作电流是0.15mA，为了使话筒的工作电压小于10V，则话筒的直流偏置电阻不能小于13.3kΩ。

话筒直流偏置电阻的实际取值约为18kΩ，包括R1和R13，其中R1既是话筒直流偏置的一部分也是交流负载的一部分，而R13与C7起退耦作用，目的是防止后级的信号通过电源串回前级。

话筒放大器分为两级，第一级是晶体管Q1构成的单管放大器，第二级是U1A构成的反相比例电路。

对于第一级的小信号放大器，晶体管静态工作点电流ICQ可以选1～2mA。

如果ICQ取为1.8mA，晶体管发射极电阻R4取为2.2kΩ，则发射极的静态电压VEQ约4V，基极的静态电压VBQ就应该是4.7V左右，为此，R2和R3分别选为30kΩ和47kΩ。

为了使静态工作点位于直流负载线的中点附近，晶体管的工作点电压VCEQ和集电极直流负载电阻上的直流电压应接近（即都为4V左右），故集电极的直流负载电阻R5取为2kΩ。

R5是微调电位器，可以调节输出给下一级的信号大小。

R5与R6共同构成了晶体管集电极的交流负载，由于R6比R5大了很多，即使R5的中心抽头调到最下端，交流负载也接近于直流负载，所以静态工作点也在交流负载线的中点附近。

晶体管放大器的电压放大倍数（忽略rbb’的影响）

U1A构成的反相比例电路的电压放大倍数

所以整个话筒放大器的总电压放大倍数为1250，符合设计要求。

电路中加强了退耦。

R10和C4、R11和C5防止Q2的输出（输出电流较大）通过电源耦合到运放。

R12和C6、R13和C7起类似的作用，其目的都是防止后级的信号通过电源耦合回前级。

C8和C9对电源退耦。

二、光接收端机

对于采用直接强度调制的简单无线光通信系统，接收端机的任务是：

通过作为光探测器的光敏二极管接收来自发射端的光信号，根据光强的变化尽可能不失真的恢复出原始的语音信号，然后放大到一定的功率去推动喇叭发声。

要设计的接收端机如图1-13所示。

图1-13简单的光接收端机框图

1、光敏二极管及电流-电压变换电路

光敏二极管也叫光电二极管（PhotoDiode，PD），由半导体PN结构成（分为平面型、PIN型和雪崩型），是利用光电效应中的光生伏特效应工作的光传感器。

当光敏二极管受到光照时，由于光量子的作用，半导体内部会激发产生大量的自由电子-空穴对。

这时，如果结两端是开路的，会产生电压，此电压叫做开路电压；如果结两端是短路的，会产生电流，此电流叫做短路电流。

光敏二极管不只输出光电流，在光通量为零时反偏的光敏二极管任然有很小的电流流过，这个电流叫做光敏二极管的暗电流。

反偏越大暗电流越大。

光敏二极管的特点是：

•入射光的能量与输出电流之间的线性良好；

•响应速度快；

•输出的分散性小；

•输出电流的大小随温度的变化小。

虽然光敏二极管在光照下既可以输出电压又可以输出电流，但是其开路电压的线性和温度特性都较差，所以光敏二极管一般使用的是零偏或反偏条件下的输出电流。

图1-14是在不同强度光照时光敏二极管的电压电流关系以及负载特性。

图1-14光敏二极管的负载特性

为了将光敏二极管输出的电流转换为电压，需要电流-电压变换电路。

最简单的情况是使用电阻作为负载把光敏二极管输出的电流IS转换为电压，如图1-15（a）所示。

（a）仅使用负载电阻（b）使用电阻并增加反偏

图1-15使用电阻的电流-电压变换电路

在负载电阻为RL时，输出电压

（1-6）

这种电路的优点是简单，缺点是动态范围小。

这是因为在光电流IS的作用下，光敏二极管的偏置会变为正偏，其输出电流与输出电压线性变差，当正偏到一定程度时其输出电压就不能正确反映光照的情况了。

如果需要大的输出电压与宽的动态范围，可以采用对光敏二极管施加反向偏置的办法来解决，如图1-15（b）所示。

施加反向偏置的另一个好处是可以减小PN结的电容，从而可以提高光敏二极管的响应速度。

图1-16给出的是使用运算放大器的电流-电压变换电路，这种电路采用了反馈深度很深的电压并联负反馈，也称为互阻放大器。

因负反馈深度很深，故输入电阻为零（运算放大器反相输入端的电压为零），流过反馈电阻Rf电流等于输入电流IS，输出电压

（1-7）

这种电路中反馈电阻Rf的阻值一般都选取得很大，所以如果运算放大器和光敏二极管的分布电容也比较大，电路就容易自激振荡。

为避免这种情况的发生，在Rf上并联一个消振电容Cf。

（a）互阻放大器（b）光伏模式（c）光导模式

图1-16使用运算放大器的电流-电压变换电路

根据偏置的不同，光敏二极管的工作模式分为光伏模式和光导模式。

如果光敏二极管在零偏状态下工作，其输出电流IS是通过光伏效应产生的，故这种工作模式称为光伏模式。

光伏模式工作的光敏二极管电路如图1-16（b）所示，因为电路中运放的输入电压为零，所以光敏二极管处于零偏状态。

在光伏模式下，光敏二极管的输出电流与光通量的关系呈现非常好的线性。

对于反偏的光敏二极管，它的输出电流IS可以看作是在反偏电压作用下产生的，是因为光照改变了光敏二极管的导电情况，从而改变了其输出电流，所以光敏二极管的反偏工作模式称为光导模式。

光导模式工作的光敏二极管电路如图1-16（c）所示，因为电路中运放的输入电压为零，所以光敏二极管处于反偏状态，且其反偏电压始终等于V+。

在光导模式下，光敏二极管响应速度更高，但线性较光伏模式略差。

2、输出放大器

对放大电路输出级的基本要求是：

输出电阻低，最大不失真输出电压大。

采用双向跟随的互补输出电路就能满足上述两个要求。

互补输出级的基本电路如图1-1（a）所示。

电路采用双电源供电，T1和T2分别为NPN管和PNP管且其参数相同、特性对称。

在输入电压为零的静态时，其输出电压为零。

当输入电压vI>0时，T1导通T2截止，正电源通过T1在vI控制下向负载RL提供输出电压，电路为射随形式，输出电压vO≈vI；当输入电压vI<0时，T2导通T1截止，负电源供电，电路还是射随形式，输出电压vO≈vI。

可见，电路中T1、T2交替工作，正、负电源交替供电，实现了输出对输入的双向跟随。

不同类型的两只晶体管互补地以射极输出器的形式交替工作（这种工作方式称为“互补”工作方式或“推挽”工作方式），所以这种电路称为互补输出级。

但是，图1-1（a）所示的基本互补输出电路存在一个问题：

即输入电压小于晶体管B、E间的开启电压Uon时，T1和T2均处于截止状态；只有输入电压满足∣vI∣>Uon时，输出电压vO才会随输入电压vI变化。

因此，在vI过零附近输出电压将产生失真，这种失真称为交越失真。

（a）基本电路（b）用二极管消除交越失真的电路

图1-1互补输出级

可以利用二极管正向导通时的压降来克服交越失真，电路如图1-1（b）所示。

正电源V+经过Rb1、D1、D2和Rb2到负电源V−形成了电流通路，所以，D1和D2正向导通，导通压降为UD，晶体管T1和T2的基极电压分别为vB1=vI+UD和vB1=vI−UD。

如果二极管和晶体管采用相同的材料，在静态时T1和T2就处于微导通状态；在vI变化时，由于二极管的动态电阻很小，T1和T2发射极的输出就跟随vI变化。

当互补输出级作为功率放大电路时，应根据晶体管承受的最大管压降、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。

图1-18由运算放大器和互补输出级构成的功率放大器

互补输出级可以用来扩展运算放大器的输出电流。

由运算放大器和互补输出级构成的功率放大器如图1-18所示，运放用来放大电压，互补输出级用来放大电流。

电路中采用了大环负反馈，即反馈没有从运放的输出端引到运放的反相输入端，而是从整个电路的输出端通过Rf引到运放的反相输入端。

电路的电压放大倍数

（1-8）

3、简单光接收端机的参考设计

图1-19是光接收端机的完整电路，±5V的电源通过三芯插座J3接入，两芯插座J1接光敏二极管，两芯插座J2接小喇叭。

图1-19简单的光接收端机

红外接收光敏二极管选用NEC的PH302B或亿光电子的PD333-3B，采用线性最好的光伏模式工作。

运放采用TL082。

U1A和R1构成了电流-电压变换电路。

应根据所需的通信距离以及环境光的强弱选择R1的阻值大小：

要求通信距离大时，R1应选择高阻值，以使光电流转换成电压时增益大；当环境光较强时，为防止电路的输出饱和，应限制R1的阻值不能太高。

电路的负载是8Ω的小喇叭，Rw用于调节喇叭音量。

因为要求的最大输出功率为0.5W，故电源选择为±5V，按输出电压的最大振幅等于VCC=5V计算，晶体管集电极最大电流

（1-9）

输出电压的最大有效值

（1-10）

最大输出功率

（1-11）

最大管耗

（1-12）

输出管Q1和Q2可以选江苏长江电子的8050SS（NPN）和8550SS（PNP）。

8050SS和8550SS的参数都是β值一般在200左右（在集电极电流IC=800mA时，β最小为40），PCM=1W，ICM=1.5A，V（BR）CEO=40V。

因为受运放输出幅度的限制、以及受晶体管的管压降限制，电路实际的最大输出电压、电流和功率都小于前面计算的值。

如果运放U1B的输出电压振幅最大为3V时，则电路输出电压振幅最大约为3V，输出电流振幅最大为375mA，实际的输出功率最大为0.56W。

当输出电压的瞬时值为3V时，若晶体管发射结压降为0.75V，则要求Q1基极的瞬时电位为3.75V，即R4两端的电压为1.25V。

此时，输出电流的瞬时值为375mA，若晶体管的β为60，则要求通过R4提供给Q1基极的电流为6.25mA。

所以，R4的阻值不能大于200Ω。

电阻R4和R5的实际取值为180Ω。

因为电路中输出级的电流较大，为防止后级的信号通过电源耦合回前级，R6和C2、R7和C3对电源进行退耦。

三、测试与调整

1、直流测试

发射端机焊接制作完毕后，先不接话筒，将±12V电源和LED分别连接到J3和J2（请注意极性），用万用表测量电路中各点的直流工作点电压。

Q1基极直流电压VB1大约为4.7V，发射极直流电压VE1大约为4V，集电极直流电压VC1大约为8V。

运放Q1A的输出TP1点的直流电压为0V，Q2基极直流电压（即U1B输出的直流电压）VB2大约为0.7V，Q2发射极直流电压VE2为0V，Q2集电极直流电压VC2大约为10.6V。

接收端机焊接制作完毕后，先不接光敏二极管和小喇叭，将±5V电源连接J3（请注意极性），用万用表测量电路中各点的直流工作点电压。

U1A输出的直流电压为0V，U1B输出的直流电压大约为0V，Q1和Q2的基极直流电压分别大约为+0.7V和−0.7V，Q1和Q2发射极输出的直流电压为0V。

如果将光敏二极管用屏蔽线或双绞线连接到J1，这时U1A输出的直流电压会随环境光强弱的变化而变化，如果在环境光的作用下U1A输出的直流电压低于−2.5V或高于+2.5V时，就应该减小R1的阻值。

2、收发联调

发射端机的直流测试如果如果没有问题，将话筒用屏蔽线或双绞线连接到J1。

嘴巴距离话筒大约10～15cm，大声说话，用示波器观测TP1点的波形，调节微调电位器R5，使波形的峰峰值为几伏到十几伏。

若波形幅度太小，可加大R7的阻值；若波形的峰峰值接近20V并出现了削底或削顶的失真时，则需要减小R7的阻值。

如果没有示波器，可以利用接收端机通过有线的方式对发射端机进行调整。

按图1-20的方式用屏蔽线