專利名稱：自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，用于教學(xué) 實驗中自由空間光通信原理及通信系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，屬于教學(xué)儀器。
背景技術(shù)：
自由空間激光通信系統(tǒng)FS0 (Free Space Optical)也被稱作激 光大氣通信或激光無線傳輸系統(tǒng)。上世紀中期以來，伴隨著通信業(yè)務(wù) 從語音業(yè)務(wù)向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)變，以及電信網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，對數(shù)據(jù) 的傳輸及接入技術(shù)提出了越來越高的要求?，F(xiàn)有的寬帶接入技術(shù)，如 微波、光纖通信等顯示了各自特有的優(yōu)勢。自由空間光通信技術(shù)，作 為解決"最后一公里"問題瓶頸的有效途徑，成為當前寬帶接入技術(shù) 的有效補充。
FSO技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用領(lǐng)域主要被作為"最后一公里"的解決 方案、局域網(wǎng)橋接、光纖備份、臨時連接以及蜂窩網(wǎng)的基站互連和用 于比較特殊的商業(yè)服務(wù)。目前FS0自由空間光通信商用設(shè)備居多，整 個通信系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較復(fù)雜，光發(fā)收系統(tǒng)大多采用自動跟蹤和準瞄 技術(shù)，對準要求比較高，價格較昂貴，師資力量單薄的學(xué)校無法讓學(xué) 生通過實驗來更好地掌握FS0設(shè)備工作原理，給教學(xué)帶來了極大的不 便。'
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀， 可以完成模擬信號、視頻信號和數(shù)字信號的自由空間光通信演示。
本實用新型的方案是本實用新型的自由空間光通信原理教學(xué)實 驗儀包括箱體、光路組件及其電路部分，其光路組件包括激光器發(fā)射 機、探測器接收機，激光器發(fā)射機和探測器接收機上均有與其對應(yīng)電 路連接的標準接口；電路部分將激光器驅(qū)動電路和探測器接收電路集
成在箱體內(nèi)的電路模塊中，與各光路組件對應(yīng)的電路的輸入輸出接口 在箱體的面板上有對應(yīng)的標準接口。
所述的各光路組件相互獨立，下部有可調(diào)支座，箱體的面板上有 實驗中各光路組件支座的安放凹穴，凹穴的形狀和大小與光路組件的 支座匹配。
所述的激光器發(fā)射機的光源采用半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器通 過電路板固定在激光器固定圓筒中，在半導(dǎo)體激光器的激光出射孔處安裝一個前后位置可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的透鏡固定件，透鏡固定件里面放置聚 光透鏡，并使用鎖緊螺環(huán)將透鏡固定；在光源的背光方向激光器固定 圓筒的后蓋上有與箱體面板對應(yīng)電路連接的標準接口；激光器固定圓 筒固定在支桿上，支桿)安裝在可調(diào)支座中。所述的探測器接收機采用PIN光電二極管接收光信號，PIN光電 二極管安裝在電路板上，電路板固定在探測器圓筒上，PIN光電二極 管對準探測器圓筒上的接收光孔，探測器圓筒的后蓋上有與箱體面板 對應(yīng)電路連接的標準接口；探測器圓筒固定在支桿上，支桿安裝在可 調(diào)支座中。所述的光路組件還包括起偏器和檢偏器，起偏器和檢偏器同樣包 括偏振片，偏振片固定在旋轉(zhuǎn)小圓盤上，旋轉(zhuǎn)小圓盤安裝在大圓盤上， 大圓盤固定在支桿上，支桿安裝在可調(diào)支座)中。起偏器和檢偏器在光 路中起到衰減光強度的作用。實驗中組建光路系統(tǒng)時，由支桿支撐各器件，同時可以手動調(diào)節(jié) 各器件高度和方向角度，以完成光路的對準，使用完畢時拆卸方便。所述的激光器驅(qū)動電路包括模擬信號輸入電路和數(shù)字信號輸入電 路，數(shù)字信號輸入電路直接與信號選擇電路K1連接，模擬信號則先經(jīng) 過電平調(diào)整電路再與選擇電路K1連接；選擇電路與調(diào)制電路連接，輸 入信號反饋電路與調(diào)制電路連接；調(diào)制電路輸出與半導(dǎo)體激光器的驅(qū) 動輸入連接。所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，探測器接收電路包括依 次連接的前置放大電路、信號選擇電路，信號選擇電路的輸出分別連 接模擬信號處理電路和數(shù)字信號處理電路。本實用新型的優(yōu)點可以方便地通過實驗儀上的各種裝置來完成 信號的空間光傳輸，明確自由空間光通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理。采用 650nm半導(dǎo)體激光器作為光源，其所發(fā)激光可見，便于手動對準光發(fā) 收系統(tǒng)，降低技術(shù)難度和制造成本；將激光器驅(qū)動電路、探測器接收 電路各分兩部分，對不同信號進行不同處理，減小信號的失真或降低 誤碼率；光路中加入起偏器和檢偏器，可以完成光信號強度衰減的測 量及馬呂斯定理的驗證。


圖1是激光器發(fā)射機結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是起偏器或檢偏器結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是探測器接收機結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本實用新型的激光器驅(qū)動電路部分示意圖；.圖5是本實用新型的探測器接收電路部分示意圖； 圖6是本實用新型的總體示意圖； 圖7是本實用新型的使用狀態(tài)。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖詳細說明本實用新型的具體實施方式
自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀包括光路組件和電路部分，光路組件由激光器發(fā)射機1、起偏器2a和檢偏器2b、探測器接收機3組成；電路部分包括激光器驅(qū)動電路、探測器接收電路。圖1是本實用新型的激光器發(fā)射機結(jié)構(gòu)示意圖激光器發(fā)射機1光源采用650nm半導(dǎo)體激光器，其發(fā)光可見，光路調(diào)節(jié)比較方便。半導(dǎo)體激光器1-2焊接在小型固定電路板1-3上，電路板1-3固 定在激光器固定圓筒1-1中。在半導(dǎo)體激光器卜2的激光出射孔處安 裝一個前后位置可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的透鏡固定件1-5，透鏡固定件1-5里面 放置透鏡1-4，并使用鎖緊螺環(huán)l-6將透鏡固定，調(diào)節(jié)透鏡固定件1-5 可以使激光聚焦，從而獲得聚光效果較好的激光束。在光源的背光方 向激光器固定圓筒1-1后蓋1-7上有與箱體面板上對應(yīng)電路連接的標 準接口 1-8，該標準接口在激光器固定圓筒1-1內(nèi)分別與激光器l-2 的三個管腳用導(dǎo)線連接；激光器固定圓筒1-1固定在支桿1-9上，支 桿1-9安裝在可調(diào)支座1-10中，由鎖緊旋鈕1-11鎖定。在通信時首先要將激光器固定件1-1固定在支桿1-9上，然后將 支桿1-8放置于支座1-10中，調(diào)節(jié)透鏡固定件1-5使得激光器卜2 的光束聚焦，然后調(diào)節(jié)支桿1-9使得激光器1-2高度及發(fā)光角度合適 時，用鎖緊旋鈕1-11鎖緊支桿1-9。圖2是起偏器2a和檢偏器2b結(jié)構(gòu)示意圖起偏器2a和檢偏器 2b的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)一樣，都是由偏振片和固定裝置組成。偏振片2-3固 定在可旋轉(zhuǎn)的小圓盤2-2中，小圓盤2-2放置于大圓盤2-l中，且可 相對于大圓盤2-l旋轉(zhuǎn)，在小圓盤2-2上標有標定線，大圓盤2-l上 標有角度線，以便于指示小圓盤的旋轉(zhuǎn)角度。2-4為支桿，2-5為支座， 2-6為鎖緊旋鈕。通信系統(tǒng)中不需要起偏器和檢偏器，只有在完成光信號強度衰減 的測量及馬呂斯定理的驗證中需要在光路中加入該裝置。使用時，將 大圓盤2-l固定在支桿2-4上，將支桿2-4放于支座2-5中，調(diào)節(jié)支桿使得偏振片2-3所在平面與光線垂直且偏振片2-3的中心與光線在 一條直線上，用鎖緊旋鈕2-6鎖定支桿，然后旋轉(zhuǎn)小圓盤2-2便可實 現(xiàn)光強度的衰減。圖3是探測器接收機結(jié)構(gòu)示意圖探測器接收機3采用PIN光電二極管接收光信號，PIN光電二極管3-2安裝在電路板3-3上，電路板3-3固定在探測器圓筒3-1內(nèi)， PIN光電二極管3-2對準探測器圓筒3-1上的接收光孔3-9，探測器圓 筒的后蓋3-4上有與箱體面板對應(yīng)電路連接的標準接口 3-5，該接口 在探測器圓筒3-1內(nèi)分別與PIN光電二極管3-2的兩個管腳用導(dǎo)線連 接；探測器圓筒固定在支桿3-6上，支桿3-6安裝在支座3-7中，3_8 為鎖緊旋鈕。探測器固定套筒后蓋3-4用于裝載與電路對應(yīng)的標準接口 3-5， 以及封閉探測器，避免探測器被人為損壞。在通信時首先要將探測器固定套筒3-1固定在支桿3-6上，然后 將支桿3-6放置于支座3-7中，調(diào)節(jié)支桿3-6使得探測器3-2與激光 器1-2對準之后，用鎖緊旋鈕3-8鎖緊支桿3-6。圖4是激光器驅(qū)動電路部分示意圖激光器驅(qū)動電路包括模擬信號驅(qū)動和數(shù)字信號驅(qū)動兩種驅(qū)動方 式，可以完成模擬信號，視頻信號和2M高速率數(shù)字信號的電光調(diào)制。圖中DIN為數(shù)字信號輸入端，AIN為模擬信號輸入端，LD+、 LD-、 PD為與激光器發(fā)射機匹配的標準接口，分別對應(yīng)連接激光器的LD+極、 LD-極、PD+極。Kl是選擇電路，數(shù)字信號和模擬信號調(diào)制原理主體一 致，但在對輸入信號的處理上稍有差異，數(shù)字信號可直接通過選擇電 路Kl進入后續(xù)調(diào)制電路，模擬信號則先要進行電平調(diào)整再通過選擇電 路K1進入后續(xù)調(diào)制電路；R9、 R8、 R7、 R6、 W1和U9組成模擬信號電 平調(diào)整電路。調(diào)制電路包括Rl、 R2、 R3、 R5、 D6、 D7、 D8及三極管 Ql、 Q2、 Q3，調(diào)制信號首先加載至三極管Q1上，控制其導(dǎo)通與截止， 從而控制激光器的驅(qū)動電源。三極管Q2、 Q3起調(diào)制和自動光功率控制 作用，電位器W2、電阻R4、三極管Q2引進反饋，使得調(diào)制后激光器 的光信號隨調(diào)制信號進行變化，并且激光器在外界環(huán)境變化時輸出的 光功率穩(wěn)定。'圖5是本實用新型的探測器接收電路部分示意圖 圖中PD+、 PD-為探測器電信號輸入端，PD-端接電源正電壓使得PIN光電二極管工作在反偏狀態(tài)下，它們都是與探測器接收機匹配的標準接口， AOUT為模擬信號輸出端，DOUT為數(shù)字信號輸出端。探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后通過U4等組成的前置運放進行放大，之后針對不同的信號作不同的處理，由信號電路K2來選擇信號的處理方式。對于數(shù)字信號而言，由U6A等組成的比較器進行電平判決，以消 除碼元之間的干擾和信號的失真，信號的判決主要采用電壓比較器來 實現(xiàn)，再經(jīng)反向器U5A、 U5B輸出。對于模擬信號而言，再進行一次放大，以便滿足模擬信號及視頻 信號傳輸?shù)囊螅从蒛8等組成的放大器放大后輸出。探測器接收電路可以實現(xiàn)模擬信號的無失真解調(diào)和數(shù)字信號的無 誤碼接收。電路部分將激光器驅(qū)動電路和探測器接收電路集成在電路模塊6中。圖6是本實用新型的總體結(jié)構(gòu)示意圖實驗箱體4中分為兩部分，上半部分放置電路模塊6，上面是實 驗面板5，在實驗面板5上有安放四個光路組件支座的凹穴5-l，凹穴 的大小和形狀與光路組件的支座匹配。實驗面板5上還有激光器驅(qū)動 電路的DIN (數(shù)字信號輸入端)、AIN (模擬信號輸入端)、LD+、 LD-、 PD的標準插孔和探測器接收電路的電信號輸入端PD+、 PD-、 A0UT (模 擬信號輸出端)、D0UT (數(shù)字信號輸出端)的標準插孔。實驗箱體4下半部分4-1是非電路模塊區(qū)，用于各光路組件的保存。圖7是本實用新型的使用狀態(tài)圖在進行數(shù)字信號或者模擬信號的自由空間光通信實驗時，首先使 用光路組件搭建光路系統(tǒng)將激光器發(fā)射機1、探測器接收機3分別 裝好支桿，然后將支桿安放在各自對應(yīng)的支座中，再調(diào)好激光器發(fā)射 機和探測器接收機高度及方向角，實現(xiàn)它們之間的對準。數(shù)字信號和 模擬信號由外部信號源提供，通過標準接口DIN、 AIN、 LD+、 LD-、 PD 和探測器接收電路的電信號輸入端PD+、 PD-、 A0UT、 D0UT接入電路， 打開電源開關(guān)后激光器驅(qū)動電路將輸入信號進行調(diào)制，驅(qū)動激光器發(fā) 射機l的激光器發(fā)光；激光在聚光透鏡作用下平行射出，通過在大氣 空間傳輸后到達探測器接收機3的光電探測器的光敏面，光電探測器 將接收到的光信號進行光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娦盘枺?jīng)過標準接口傳輸至探 測器接收電路，通過該電路的處理后便可在相應(yīng)的標準接口處得到所 要傳輸?shù)男盘?，從而實現(xiàn)自由空間光通信。此過程中，光路中是不需要加入起偏器2a和檢偏器2b,起偏器 2a和檢偏器2b在"光信號強度衰減的測量"、"馬呂斯定理的驗證" 這兩個實驗中才被加入到光路中。
權(quán)利要求1.一種自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，包括箱體、光路組件及其電路部分，其特征在于光路組件包括激光器發(fā)射機(1)、探測器接收機(3)，激光器發(fā)射機(1)和探測器接收機(3)上均有與其對應(yīng)電路連接的標準接口；電路部分將激光器驅(qū)動電路和探測器接收電路集成在箱體內(nèi)的電路模塊(6)中，與各光路組件對應(yīng)的電路的輸入輸出接口在箱體(4)的面板(5)上有對應(yīng)的標準接口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，其 特征在于各光路組件相互獨立，下部有可調(diào)支座，箱體的面板(5) 上有實驗中各光路組件支座的安放凹穴(5-1)，凹穴(5-1)的形狀 和大小與光路組件的支座匹配。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀， 其特征在于激光器發(fā)射機(1)的光源采用半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激 光器(1-2)通過電路板(1-3)固定在激光器固定圓筒(1-1)中，在 半導(dǎo)體激光器(1-2)的激光出射孔處安裝一個前后位置可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)的 透鏡固定件(1-5)，透鏡固定件(1-5)里面放置聚光透鏡(1-4)， 并使用鎖緊螺環(huán)(1-6)將透鏡固定；在光源的背光方向激光器固定圓 筒(1-1)的后蓋(1-7)上有與箱體面板對應(yīng)電路連接的標準接口(1-8); 激光器固定圓筒(1-1)固定在支桿(l-9)上，支桿(l-9)安裝在可調(diào)支 座(1-10)中。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀， 其特征在于探測器接收機采用PIN光電二極管接收光信號，PIN光 電二極管(3-2)安裝在電路板(3-3)上，電路板(3-3)固定在探測 器圓筒(3-1).上，PIN光電二極管(3-2)對準探測器圓筒(3-l)上的 接收光孔(3-9)，探測器圓筒的后蓋(3-4)上有與箱體面板對應(yīng)電路連 接的標準接口 (3-5);探測器圓筒固定在支桿(3-6)上，支桿(3-6) 安裝在可調(diào)支座(3-7)中。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀， 其特征在于激光器驅(qū)動電路包括模擬信號輸入電路和數(shù)字信號輸入 電路，數(shù)字信號輸入電路直接與信號選擇電路K1連接，模擬信號則先 經(jīng)過電平調(diào)整電路再與選擇電路Kl連接；選擇電路與調(diào)制電路連接， 輸入信號反饋電路與調(diào)制電路連接；調(diào)制電路輸出與半導(dǎo)體激光器的 驅(qū)動輸入連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀， 其特征在于探測器接收電路包括依次連接的前置放大電路、信號選擇電路K2，信號選擇電路K2的輸出分別連接模擬信號處理電路和數(shù) 字信號處理電路。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，其特征在于光路組件還包括起偏器和檢偏器，起偏器和檢偏器同樣包括偏振片(2-3)，偏振片(2-3)固定在旋轉(zhuǎn)小圓盤(2-2)上，旋轉(zhuǎn)小 圓盤(2-2)安裝在大圓盤(2-1)上，大圓盤(2-1)固定在支桿(2-4) 上，支桿(2-4)安裝在可調(diào)支座(2-5)中。
專利摘要本實用新型提供一種自由空間光通信原理教學(xué)實驗儀，包括箱體、光路組件及其電路部分，光路組件包括激光器發(fā)射機(1)、探測器接收機(3)，激光器發(fā)射機(1)和探測器接收機(3)上均有與其對應(yīng)電路連接的標準接口；電路部分將激光器驅(qū)動電路和探測器接收電路集成在箱體內(nèi)的電路模塊(6)中，與各光路組件對應(yīng)的電路的輸入輸出接口在箱體(4)的面板(5)上有對應(yīng)的標準接口。各光路組件相互獨立，下部有可調(diào)支座，箱體的面板(5)上有實驗中各光路組件支座的安放凹穴(5-1)，凹穴的大小與光路組件的支座匹配。通過光路組件和電路部分的有效配合，可以實現(xiàn)模擬信號、視頻信號和2M高速率數(shù)字信號的自由空間光通信。
文檔編號G09B19/00GK201417519SQ20092008455
公開日2010年3月3日 申請日期2009年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月27日
發(fā)明者劉艷飛, 良 徐, 王曉玲 申請人:湖北眾友科技實業(yè)股份有限公司