基于太阳能电池的光通信演示仪

(华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006)

1 引言

近年来，光通信技术在各种通信手段中脱颖而出，成为现代通信广泛使用的技术，并在军事、社会生产、生活中起着越来越重要的作用.光通信作为一项现代高端领域的科学技术，在物理学教学中，使学生对光通信的基本原理和过程有一个基本的了解，是十分重要和有必要的.

历年来都有光通信的产品涌现，但光通信实现效果一直存在失真的问题，而且发射的激光头容易烧坏.因此，本文创新性地利用LED灯发射光信号、太阳能电池进行接收的光通信演示仪，实现了失真率低、信号传输效率高等效果.

2 实验原理

2.1 传统的光通信原理[1]

将要传送的信息(如音频信息)变成电信号，然后调制到激光器发出的激光束上，使光的强度随电信号的幅度(频率)变化而变化，在接收端，应用光电效应原理，光电池收到光信号后把它转换成电信号，经解调后恢复原信息，这就是光通信的原理.

图1

光通信流程如图1所示，把音频信号输入功放中，被放大的音频信号属于电压变化，输入到激光头中，激光的亮度会随输入电压的变化而改变，光强变化的频率、幅度包含了关于音频的信息，即是将音频信号调制成光强的模拟信号，以电压调变光信号.

在接受的一端，由于光电效应，即光子照射在器件上，使电路产生电流或电导特性发生变化的效应，光电池接收到随时间改变的亮度，即在输出电压上也表现出同样的变化，将此电压变化再次放大传至喇叭，最后播出与输入信号相同的音频信号.

2.2 创新实验——基于太阳能电池的光通信装置[2][3]

本文创新的光通信装置，主要利用LED灯能随输入电压不同而在亮度上迅速做出反应，而太阳能电池输出的电压会随着接收到的光强度而变化.利用音频输入与直流电源串联，两者电压相加再串联LED灯，LED灯亮度会随输入电压而改变，发出的光包含有输入信号的信息，即以电压调光信号.在接受端，太阳能电池输出的电压随着接收到的光亮度变化而变化，输出电压经过功率放大器进行功率放大，然后再输入到喇叭，喇叭就可以播出与输入信号相同的音频了.

图2

如图2所示，在光通信装置中的光源，需具备电压与亮度有敏锐变化，并且有极短的反应时间，其(亮灭)反应频率高达约100MHz[4]，已远高于声音频率(20Hz～20000Hz).由于输入电压不同而需LED对应亮度的时间变化，显然其他光源无法达成此极快反应时间的要求.并且由于光源输出信号是声音信号，电压变化频率也对应于声波频率，因此人眼无法辨别.

3 装置的制作与使用

3.1 制作材料

1个铝盒，3个旋钮，1个按钮开关，大量LED灯，1块太阳能电池，1个12V电源，2根音频线，1个功率放大集成电路板，2个转换接口，1个喇叭，2个3.5mm音频插头，2个3×1排针，1个变压器，1个可调电位器，6个香蕉插座，1个复位开关，1个拨动开关，1块线路板，不同阻值的电阻，电容，粗细不同的线材等.

使用40mm×70mm的亚克力有机玻璃板作为底板，用于固定部分元件.或者使用木板作为底板，可分为发射装置与接收装置两个部分.

3.2 制作过程

(1)焊接可调直流电源电路板，接入开关，固定在底板上.

(2)焊接转换接头的音频插座与排针.

(3)将LED灯并联焊接，作为发射端，并接入两个开关控制LED灯接入的数量.

(4)串联电源、LED灯发射端与音频输入端，完成发射装置.

(5)将铝盒钻孔，放入功率放大集成电路，安装好旋钮与开关，用螺丝固定在底板上.

(6)将太阳能电池的输出电压通过转换接头、音频线输入到功率放大器.

(7)焊接香蕉插头与线材，插头固定在底板上.

(8)固定喇叭位置.将功率放大器音频输出，通过转换接头输入到喇叭.

3.3 实验装置

实验装置如图3所示，输入转换接头、输出转换接头分别为音频输入与音频输出的音频线插座，焊接时将音频插座的正负极接到两个排针上，用排线分别接到两个香蕉插头，成为一个可拆卸的电路元件.

1.LED灯发射端 2.太阳能电池 3.喇叭4.输出转换接头 5.音频线 6.功率放大器7.输入转换接头 8.可拆卸电线插座9.MP3音频播放器 10.可调电源

3.4 使用方法

(1)按照实验原理图，将音源输入、LED灯、电源输入串联接好，将太阳能电池与功放输入端、功放输出端与喇叭分别接好，功放使用12V电源.

(2)开启电源前，把功放的音量和高低音向左旋到最小.调节音频输入信号，开启发射装置电源和功放电源.

(3)调节发射装置的输入音频与接收功放的音量旋钮，以及发射和接收信号端的位置.

(4)调节太阳能电池与LED灯发射端之间的距离，距离越远，喇叭发出的声音越小，说明太阳能电池接收的光信号变弱了，也就是说，距离是影响光通信效果的一个因素.

(5)在太阳能电池与LED灯之间放一块不透光的纸板(或木板)遮挡

LED灯的光，遮住的光越多，喇叭的声音就越小.使用LED灯排的开关，控制LED灯的数量变化，分别减少一半和减少四分之三的灯，听喇叭声音的变化情况.

3.5 实验结果分析与讨论

(1)发射端发射距离远、失真率低

利用LED灯作为发射端光源，具有方向性好，强度大等优势，能够实现较大距离传输，而且有利于观察LED灯亮度的变化，解决了以往教具的激光头容易烧坏的缺点.经过反复测试与实验，选择LED灯以及调试出适合LED灯发射音频信号的电压，成为发射音频信号失真率的决定性因素.

(2)接收端面积增大、音质提高、可操作性提高

LED灯的频率高，太阳能电池接收到LED灯随音频变化的亮度，在输出电压上发生相应的变化，反应同样很灵敏，使音质得到了提高.与面积只有1平方厘米的硅光电池比较，太阳能电池的面积大大增大，接收效率得到提高，操作起来更加方便，便于学生观察该实验，演示效果更好.

4 结束语

光电传声装置利用太阳能电池作为接收端来演示光通信原理，通过设计、制作，不仅使我们加深了对光通信原理的认识，而且只要充分利用身边材料，设计更新颖、直观的装置，一定能达到事半功倍的演示效果.

参考文献：

[1]李玉权，朱勇，王江平.光通信原理与技术[M].北京：科学出版社，2006：4-15.

[2]黄显吞.光通信演示实验装置的改进[J].物理通报,2009,(10).

[3]韩长明.光通信演示实验装置的设计与制作[J].物理实验，2000，20(12).

[4]任霞.LED灯与节能[J].企业技术与发展，2010，29(5).