基于大气激光的无线通信装置设计

实验题目：基于大气激光的无线通信装置设计

课程简要信息

课程名称：电子技术实验

课程学时：20学时

项目学时：4+4（课内、课外）

适用专业：电子信息工程、电气工程及其自动化等

学生年级：大二，第四学期

实验内容与任务 {#实验内容与任务}

本案例为电子技术实验中的综合设计实验项目，要求利用常见元件设计一个基于大气激光的无线光通信装置，能够实现声音信号、数据信号的点对点通信，具有通信保密的特点，可作为军用无线光通信的初步探索，具有军事性、趣味性和实用性。实验分为基本要求、进阶要求和拓展要求。

1）**基本要求：**利用本装置发送语音信号，具体分为发射单元和接收单元两个部分。发射单元利用麦克风获取声音信号作为三极管的输入，利用工作在放大状态的三极管控制激光二极管的电流，从而实现声音对激光的光强度调制，生成所需要的激光信号。接收单元利用光电传感器感应接收激光的强弱，将激光功率的强弱信号转变为电信号，再利用放大电路对该信号进行小信号放大和功率放大，最终驱动扬声器发声。

2）**进阶要求：**利用本装置发送脉冲信号，在基本要求基础上，将输入信号更换为利用信号源产生的脉冲信号，信号源输出的脉冲信号频率设为9.6kHz，高电平5V，低电平0V。系统同样分为发射单元和接收单元两个部分，发射单元接收脉冲信号对应的高低电平信号并控制三极管基极电流的变化，利用三极管实现对激光二极管发光功率的控制从而实现调制，三极管工作在放大状态或开关状态。接收单元接收激光并转换为电信号，随后对其进行放大，对放大后的信号进行波形变换，还原出频率为9.6kHz的TTL电平脉冲信号。

3）**拓展要求：**在进阶要求的基础上，使用USB转TTL串口模块分别连接发射单元和接收单元，再利用安装在计算机上的串口调试助手实现8位二进制数据的光传输并在串口调试助手上实时显示。

实验过程及要求

1）完成课程线上教学平台“课前准备”模块的预习思考题；

2）完成语音信号的无线传输功能：

（1）学习了解利用大气激光实现无线光通信的原理，根据设计任务，分析功能要求，确定系统的设计框图；

（2）实现麦克风信号放大电路和激光光强度调制功能，掌握放大电路静态工作点参数的调整方法；

（3）利用Proteus仿真软件对电路进行仿真测试；

（4）利用面包板或万用板搭建实际电路实现语音信号的光传输，对电路进行制作调试，记录调试中的问题并展开讨论；

3）完成频率为9.6kHz，高电平5V，低电平0V的脉冲信号的无线传输功能：

（1）调整参数让三极管工作在放大状态或开关状态；

（2）利用Proteus仿真软件对电路进行仿真测试；

（3）利用面包板或万用板搭建实际电路实现数据信号的光传输，对电路进行制作调试，记录调试中的问题并展开讨论；

4）数据传输电路的设计：设计发射单元和接收单元并分别连接USB转TTL串口模块，调试电路的工作状态和参数，利用安装在计算机上的串口调试助手实现8位二进制数据光传输并实时显示。

（1）学习了解USB转TTL串口模块使用方法，根据其参数特点设计与其匹配的发射单元和接收单元电路；

（2）利用串口调试助手对电路进行测试；

5）记录实验过程和测试结果，完成线上教学平台上的“在线答题”环节；

6）教师检查实验结果，学生撰写实验报告，并选拔优秀作品进行展示。

相关知识及背景

这是一个运用常用元件和纯模拟电子技术解决无线激光通信的典型案例，具有一定的军事性、实用性和趣味性，解决了学生对《电子技术》理论课程所学内容缺乏感性认识及综合运用的问题。项目涉及声电转换、光电转换、激光调制、小信号放大电路、波形变换电路等知识点，同时包含软件仿真、硬件电路焊接与调试等。

实验环境条件

本实验项目所需仪表工具均为电子技术实验室常见设备，包括万用表、线性电源、函数信号发生器、数字示波器、电烙铁、面包板、万用板等，所需电子元器件包括麦克风、激光二极管、三极管、运算放大器、电阻器、电容器、光电传感器、USB转TTL串口模块等，所需软件为Proteus仿真软件和串口调试助手。

教学目标与目的

本案例是一个完整的模拟电路设计综合实验案例。通过此实验，引导学生综合运用模拟电子技术知识解决实际问题的能力。教学目标与目的如下：

1）**知识目标：**阐述三极管静态工作点调整、微弱信号放大、波形变换原理，掌握模拟电路的设计方法；

2）**能力目标：**①技术能力目标：培养学生虚拟仿真、元件选择、参数计算、实物制作与调试等综合设计、工程实践及知识的运用能力；②非技术能力目标：沟通能力、判断能力、系统思考能力、自学能力。

3）**素质目标：**提高工程实践素质、培养自我驱动素质、提升解决复杂问题素质。

教学设计与实施进程

本实验在教学设计和实施中结合学生已有知识储备，通过问题引导学生思考，在思考中实践，在实践中思考，逐步完成整个实验环节。教学过程中以学生动手实践为主，教师讲解指导为辅，主要包含课前自主学习、课中解决问题、课后归纳总结三个环节，如图1所示。具体阐述如下：

1）课前自主学习

教师线上发布实验内容，布置预习任务，通过短视频向学生显示最终效果，让学生明确实验目标、建立信心、激发兴趣，提高实验效率。学生课前应查阅资料，预习自学，理解利用大气激光实现无线通信的方法，形成初步思路，同时学习了解电阻、电容、激光二极管、三极管、电位器、运放、光电传感器等元器件的应用方法；给出初步方案并进行虚拟仿真，在此过程中，将遇到的难题及时反馈给教师，教师根据学生反馈的问题明确学生需求，确立课堂讲授的重难点。

2）课中解决问题

教师根据学生在课前自主学习过程中反馈的问题进行课堂讲授，介绍实验原理，给出原理框图，引导学生建立电子系统设计思路，包括：设计指标分析、方案论证、单元电路划分、电路设计、元件选择与参数计算、虚拟仿真、实物制作与调试等环节，本实验实现方案多种多样，引导学生以不同方案实现，鼓励学生发挥主观能动性，加强自主学习能力和创新思维的培养。学生根据电路仿真结果制作调试硬件作品，利用信号源、示波器、万用表等仪器测量电路参数并与仿真结果对比分析；实物完成后，通过演讲、答辩等形式进行经验交流，锻炼学生表达能力，拓展学生思维的广度和知识面。教师验收学生作品并根据完成程度、功能参数、组装质量、方案构思与创新性进行打分。

3）课后归纳总结

根据课堂表现，教师进行教学评价，针对存在的问题进行教学改进。学生根据实验过程和测试结果，完成线上教学平台上的“在线答题”环节，撰写实验设计报告并总结实验过程中的心得体会。

图1 教学实施过程框图

实验原理及方案

总体结构主要由声电转换、光电传感器、小信号放大电路、波形变换电路组成。不同单元均可采用多种方案实现，学生需要根据设计任务进行方案论证，如图2所示。

图2 系统总体结构图

其中音频功率放大电路不需要设计，可直接采用有源音箱，但学生需要知道其输入信号的电平范围。USB转TTL串口模块采用现成模块，不需要学生设计，但学生要知道其使用方法和接口电平范围。串口调试助手采用现有软件，只要求学生会操作。

1）基本要求部分

基本要求部分的结构原理为：麦克风拾取人声并由声电转换电路转换成微弱的电压信号，该信号控制工作在放大状态的三极管的基极电流，三极管的集电极连接激光二极管，流过激光二极管的电流为三极管的集电极电流，该电流受控制于声音信号，使激光二极管的发光强度跟随声音信号的强弱产生变化。光电传感器接收到激光信号后，产生微弱电压信号，该信号由电压放大电路放大成峰峰值约为1V的电压信号，音频功率放大电路放大该信号后驱动扬声器发声。基本要求部分原理框图如图3所示。

图3 基本要求部分原理框图

（1）声音拾取电路

该部分由麦克风拾取声音信号并将声音信号转换成电信号。根据距离声源的远近，实测信号峰峰值范围约为20~80 mV，如图4（b）所示。仿真时，此部分可用信号源代替。

（a） （b）

图4 声音拾取电路及测试波形

（2）放大电路原理

由于麦克风拾取的信号非常微弱，需要对其进行放大并实现对光强度的控制，电路如图5所示。电路的静态工作点对发射信号的失真影响非常明显，调试硬件电路时，学生需要调整RP1电位器，使D1两端电压调整到2.13V。仿真时，用普通发光二极管定性代替激光二极管，让学生掌握电路的仿真方法即可。

图5 输入信号放大电路

（3）接收部分：如果光电传感器采用硅光电池接收到激光信号，根据通信距离的远近，硅光电池产生约20~70毫伏的微弱电压信号，如图6所示，该信号由电压放大电路进行放大，仿真电路如图7(a)所示，硬件电路实测波形如图7(b)所示，音频功率放大电路放大该信号后驱动扬声器发声。此部分需要学生自行设计电路并计算元件参数，可采用基于三极管的放大电路，也可采用基于运算放大器的放大电路，要求对输入信号的电压放大倍数不小于20。

图6光电传感器接收信号波形

（a） （b）

图7光电传感器信号放大电路及输出波形

2）进阶要求部分

进阶要求部分的结构原理为：输入信号为脉冲信号，由信号源产生，高电平为+5V表示1，低电平为0V表示0。脉冲信号控制三极管工作在放大状态或开关状态，从而控制激光二极管的激光强度跟随输入信号的高低电平发生变化。光电传感器接收到激光信号后，产生微弱电压信号，该信号由电压放大电路放大成峰峰值约为1V的电压信号，该信号送给电压比较器进行波形变换，还原出脉冲信号。进阶要求部分原理框图如图8所示。

图8 进阶要求部分原理框图

（1）光调制电路原理

输入信号为高电平5V，低电平0V的脉冲信号，如图9（b）所示。仿真时，此部分可用虚拟信号源输入信号。利用三极管电路对输入信号进行光强度调制，让激光强度跟随输入信号的变化而变化，如图9（a）所示。实际工作时，需要通过RP2实现静态工作点的调整，以保证三极管工作在最佳状态。

（a） （b）

图9 光调制电路及输入脉冲信号波形

（2）小信号放大电路原理

光电传感器接收到的激光信号非常微弱，该信号由电压放大电路进行放大，仿真电路如图7(a)所示，实测波形如图10所示，该输出信号送给波形变换电路。放大电路方案多样，除基于三极管的放大电路外，还可采用基于运算放大器的放大电路。

图10 放大后的信号

（3）波形变换电路原理

波形变换电路由基于LM339的单门限电压比较器组成，如图11(a)所示。光电传感器接收到激光信号后，产生微弱电压信号，该信号由电压放大电路放大成峰峰值约为1V的电压信号，该信号送给电压比较器进行波形变换，还原出脉冲信号。电路中，LM339的反相输入端连接了50kΩ电位器，通过调整该电位器可提高6脚输入信号的直流分量，从而保证输出波形不失真。实测波形如图11(b)所示，其中黄色波形为输入电压比较器的波形，蓝色波形为电压比较器输出波形。波形变换电路方案多样，除选择不同运放芯片实现外，还可采用滞回电压比较器。

（a）波形变换电路

（b）波形变换电路输出波形 （c）输入与输出波形

图11波形变换电路及各节点波形

3）拓展要求部分

如图12所示，拓展要求部分为：在实现进阶要求的基础上，发送端与接收端连接基于CH340T的USB转TTL串口模块。用计算机运行串口调试助手进行测试，设置波特率为9600，无校验位，数据位设置为8，停止位为1，十六进制自动发送。接收端也采用同样设置，显示方式为十六进制。发送十六进制55，调整电压比较器的门限电压，用示波观察波形，出现如图13(b)所示波形即可。再观察接收端的串口调试助手显示的数据也应该为16进制的55。各点测试波形如图13所示，串口调试助手测试结果如图14所示。

图12 拓展要求部分原理框图

(a)接收放大后的波形 (b)波形变换后输出波形

(c)串口模块接收到的数据帧 (d)数据帧细节

图13 各节点测试波形

图14 串口调试助手测试结果

4）作品范例

图15 学生作品 图16 学生焊接制作电路

图17 学生调试电路

实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1）实验需求分析

根据实验任务要求，明确设计任务，描述系统功能。

2）实现方案论证

根据实验需求分析，制定多个设计方案，对方案进行对比论证，选出最优实现方案。

3）理论推导计算

根据电路设计指标要求以及元件性能参数对电路的静态工作点、放大倍数、门限电压等参数进行理论分析和计算。

4）电路设计与参数选择

根据总体方案对系统进行功能划分，分解为若干个单元电路，对各个单元电路进行设计与参数选择，对单元电路进行电路仿真与实物测试，如果不满足设计要求，要重新进行元件选择、电路设计与参数选择。

5）电路测试方法

介绍单元电路及系统电路的测试与调试方法，把测试过程中遇到的问题及收获记录下来。

6）实验数据记录

记录系统各单元关键测试点的测试数据及整体联调情况。

7）数据处理分析

对测试数据进行分析处理，与理论计算进行对比研究，给出解决问题的方法。

8）实验结果总结

总结本次实验的心得体会与收获。根据实验结果写出实验报告。

考核要求与方法

考核采用百分制。基本要求和进阶要求为必做内容，同时设置附加分鼓励完成拓展要求和进行作品展示。

1）知识掌握（25%）：通过课程在线答题模块和现场检查考核实验原理、元器件功能和实验现象解释；

2）操作技能（15%）：考核电路设计、元器件选择的合理性、仿真软件绘图及结果调试、仪器使用的正确性、硬件制作的规范性；

3）实验结果（25%）：考核模块输出是否正确、系统是否正常工作、实验结果是否正确、硬件功能的完成程度及完成时间；

4）实验报告（35%）：考核实验报告的规范性和完整性、结果分析的深入性、思考题的正确性；

5）作品展示（附加5%）：考核现场展示和PPT答辩质量；

6）拓展要求（附加5%）：考核拓展问题解决方案的合理性和效果，或对实验进行改进和扩展的质量要求。

项目特色或创新

项目的特色在于：

1. 趣味性与实用性兼具：实验在军事背景下引导学生设计实现点对点激光通信装置，且设计内容与理论学习融合紧密，使学生体会到学有所用，激发学习兴趣，充分挖掘学生的学习内动力和积极性。

2. 虚实结合：采用虚拟仿真与实物搭建相结合的方法，体现了“虚实结合、以实为主”的实验模式，让学生建立用现代EDA工具进行电路设计的理念，同时理解由虚拟仿真到实物设计的过程；

3. 易于推广：本实验案例设计难度适中，所需条件一般实验室均可满足，便于推广，具有普及性。

附件：

课堂教学设计表

学生实验报告：