【正文】 在電路設(shè)計(jì)方面，李國君、閆學(xué)友等同學(xué)和我進(jìn)行了很多討論；使用 Altimu Designer繪制電路原理圖和 PCB 電路的過程中，閆學(xué)友同學(xué)給了很大的幫助；控制程序設(shè)計(jì)方面，在李國君同學(xué)的身上學(xué)到不少東西；在論文寫作和排版方面，徐燚同學(xué)給我提供了一個(gè)很好的 Office 教程 。Gregory D. Abowd。 Bo Jia. A novel fiber audio transmission system for securemunication[J]. Optoelectronics Letters, 2020,(3):188190 [12] Kris Nagel。目前，應(yīng)用很成熟而 最廣泛的便是傳統(tǒng)的微波通信，但是微波通信并非健康綠色的通信方式，自然而然的，人們想到了以自然光為載波的無線光通信，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通過白熾燈進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接。本文并未對(duì)激光對(duì)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。音頻信號(hào)的傳輸受單片機(jī)的控制并能實(shí)時(shí)顯示音頻的傳輸曲線。 波形 顯示的總流程可由圖 45 表示。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 圖 43 液晶屏的驅(qū)動(dòng)電路 波形顯示是本控制程序的難點(diǎn)，波形的顯示不同于漢子和字符的顯示，波形的顯示需要精確地去操作像素點(diǎn)，且不存在所謂的字庫。 } 波形顯示 波形顯示程序的設(shè)計(jì)是面向硬件的程序設(shè)計(jì)，軟件與硬件電路一一對(duì)應(yīng)。 returnAD_data。 //初始化函數(shù) delay_ms(10)。//128 分頻 } 以下是讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的子函數(shù)。=0xFE。 本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)，參考電壓由 AREF 提供， 數(shù)據(jù)結(jié)果右對(duì)齊，選擇單端通道 ADC0， 128 分頻。 AVCC 與 VCC 之間的偏壓不能超過177。 檢 測(cè) 兩 點(diǎn) 間 高 低電 平 出 現(xiàn) 的 次 數(shù) （ a） 按鍵接法 (b)按鍵操作的電平狀態(tài) 圖 42 按鍵消抖原理 數(shù)據(jù)采集 本文設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)需要顯示出接收到的音頻波形，因此需要將模擬的音頻信息采集到單片機(jī)，即 模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換 ，將模擬的音頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)能夠進(jìn)行處理，并送入液晶顯示模塊 以供顯示 。 假設(shè) 一個(gè)獨(dú)立按鍵的接法如圖 42（ a） 所示，按鍵操作過程中 的 I/O 口檢測(cè)到的電平如圖 42(b)所示。另外在要求單片機(jī)運(yùn)算速度很快的應(yīng)用中，矩陣鍵盤的掃描往往會(huì)占用很大的資源，因此在需要高速響應(yīng)的應(yīng)用中，往往定義成獨(dú)立按鍵，只需檢測(cè)高低電平并消抖即可，可以節(jié)省大量的時(shí)間。設(shè)按鍵 K1 控制音源的切換選擇，按鍵 K2 控制激光管的開啟和關(guān)閉，程序流程圖如 圖 41 所示。 經(jīng)過原理圖庫文件的制作、原理圖的繪制、 PCB庫文件的繪制和 PCB的布線。要想真正的制作出 PCB 板， PCB 庫文件的制作必不可少，畢竟 Altium Designer 默認(rèn)只提供非常常見的封裝。 本設(shè)計(jì)采用 Altium Designer 軟件進(jìn)行電路原理圖和 PCB 電路的繪制，腐蝕使用的 PCB 電路有別于傳統(tǒng)的 PCB 電路，腐蝕是單層的操作，因此 PCB 布線的時(shí)候只能在一層（頂層或者底層）布線，而且需要注意貼片元件引腳的處理 ，貼片元件的引腳順序應(yīng)該從右上角開始順時(shí)針編號(hào)，也可以保持貼片元件的引腳順序不變而更改非貼片元件的引腳順序（非貼片元件有引 腳順序時(shí)，如三極管） 。 光刻是一種圖形復(fù)印和化學(xué)腐蝕相結(jié)合的精密表面加工技術(shù)。當(dāng)然了， Mega128 具有上電復(fù)位功能，完全可以不用單獨(dú)再設(shè)計(jì)復(fù)位電路，直接采用電源鍵即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位。工作模式通過熔絲位 CKSEL3...1來選擇。 表 32給出 了針對(duì)晶體選擇電容的些指 南。其優(yōu)點(diǎn)是大大降低 了 功耗但是頻率范圍比較窄 ， 而且不能驅(qū)動(dòng)其他時(shí)鐘緩沖器。當(dāng) CKOPT 被編程時(shí)振蕩器在輸出引腳產(chǎn)生滿幅度的振蕩。 （ 2） 時(shí)鐘 電路 通過對(duì)相應(yīng)熔絲位的編程， ATmega128 提供五種時(shí)鐘源選項(xiàng)：外部晶體 /陶瓷振蕩器、外部低頻晶體、外部 RC振蕩器、標(biāo)定的內(nèi)部 RC 振蕩器和外部時(shí)鐘。這里要加一個(gè)小電感，也可以用低阻值的電阻 (通常 2歐姆 ,電阻要有足夠的寄生電感。該電容既可提供和吸收集成電路開門瞬間的充放電能量，也能抑制高頻噪聲。為了擴(kuò)充功能，擴(kuò)展排針往往是很必要的。通過將 8 位 RISC于片內(nèi)自編程 Flash程序存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片內(nèi)， ATmega128單片機(jī)為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了 高 靈活 性而低成本的方案。在擴(kuò)展備用模式中，主振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。工作于空閑模式時(shí)，停止 CPU運(yùn)行， SRAM 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 SPI 和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作 ；掉電模式時(shí)，保留寄存器內(nèi)容，但停止振蕩器和禁止所有片內(nèi)功能，直到下一個(gè)外部中斷或硬件復(fù)位。通過在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行強(qiáng)大的指令， ATmega128 單片機(jī)可以取得接近 1MIPS/MHz 的性能，從而使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以在低功耗和處理速度之間取得平衡。由單片機(jī)搭建的控制系統(tǒng)，最基本的組成部分為：電源、時(shí)鐘、復(fù)位電路和程序下載接口。 Vin VoutGNDLM317R1240R2CinCoVin Vout長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 要解決 LM317 的最小穩(wěn)定工作電流問題，可以通過設(shè)定 R1 和 R2 的阻值大小。其次是 LM317 都有一個(gè)最小穩(wěn)定工作電流，有的資料稱為最小輸出電流，也有的資料稱為最小泄放電流。 Vout的值可由式 31 計(jì)算。當(dāng)然還要避免輸出端短路。通常 LM317 不需要外接電容，除非輸入濾波電容到 LM317 輸入端的距離大于 15cm。 LM317 的輸出電壓范圍為 37V，負(fù)載電流最大為 。另外，為了保證傳輸性能，光敏二極管的反相偏壓我們也采用三端穩(wěn)壓模塊提供，亦采用 LM317 搭建。音頻發(fā)送 電路如圖 35 所示 。 (a) (b) 圖 34 音源切換電路 表 31 切換電路 對(duì)應(yīng) 的 真值表 I/O 端口狀態(tài) 通斷狀態(tài) PD0 PD1 PD2 PD3 0 1 0 0 audio1 接通 0 1 1 0 audio2 接通 1 x x x 都斷開 音頻傳輸電路的設(shè)計(jì) 就發(fā)送部分來說，根據(jù)激光的輸出特性，我們需要激光工作在線性區(qū)域，則需要使激光的驅(qū)動(dòng)電流超過激光的閾值電流。如圖 33是 CD4051B 的引腳圖。例如，選 VDD=5V， VSS=0V， VEE= 5V，那么幅度 5V～ +5V 的模擬信號(hào)就可用 0V～ 5V 的數(shù)字信號(hào)來控制 傳輸。因此需要進(jìn)行音源選擇的電路設(shè)計(jì)，由于本系統(tǒng)基于單片機(jī)，因此選用數(shù)控的方式。根據(jù)傳聲器的工作原理，我們只需 要將由聲波引起的微變信號(hào)進(jìn)行隔直、濾波和放大，便可得到語音信 號(hào) 。 本文所設(shè)計(jì)的音頻傳輸系統(tǒng)還可以接入外圍設(shè)備（如手機(jī)、 mp3 播放器 等）的音頻信號(hào)，到底傳輸?shù)氖悄囊宦芬纛l信號(hào)則受單片機(jī)控制。這個(gè)結(jié)論對(duì)其他光電信息轉(zhuǎn)換器也適用。在圖25(c)中， ????是結(jié)電容，一般較小，故在中頻內(nèi)可忽略，但在高頻時(shí)不能忽略， ????直接影響光敏二極管的高頻特性。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 5 0 01 0 0 01 02 03 04 05 0I （ 微 安 ）L （ 勒 克 斯 ） 圖 24 光照特性曲線+ E + EUU( a )( b )( c )RR光 敏 二 極 管光 敏 二 極 管 圖 25 光敏二極管等效電路 (a)、 (b)：光敏二極管的兩種接法（方向相反）； (c):光敏二極管的等效電路。與光電池不同，光敏二極管工作時(shí)一般加反相偏壓，加反相偏壓的目的是加一個(gè)方向與 PN 結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向一致的外電場(chǎng)，從而在原理上克服了光電池的弱點(diǎn)，這樣，光敏二極管的線性特性和頻率 特性將徹底改善，光電流的輸出僅受光照強(qiáng)弱變化的影響，與負(fù)載電阻的大小無關(guān)。如果 PN 結(jié)兩段用外電路連接起來，則有一股電流通過，在外電路負(fù)載電阻很低的情況下，這股電流就等于光致電流，稱為短路電流。在空間電荷區(qū)附近一定范圍內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，只要它們能通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)到達(dá)空間電荷區(qū)，同樣可以形成光致電流。光照產(chǎn)生的電子空穴對(duì)，在自建電場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，就是形成廣 生伏特效應(yīng)的原因。雖然他們之間有一定相似的地方，但產(chǎn)生這兩個(gè)效應(yīng)的具體機(jī)制是不相同的。 圖 23 模擬信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路及光強(qiáng)度調(diào)制 接收部分 接收部分與發(fā)送部分相反，需要完成信號(hào)的解調(diào)。其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度 m有關(guān)?，F(xiàn)在，雙異質(zhì)結(jié)激光器的出現(xiàn)，使激光器的閾值電流大大下降，則可在室溫下連續(xù)工作。但必須注意，把調(diào)制信號(hào)源與直流偏置相隔離，避免直流偏置源對(duì)調(diào)制信號(hào)源產(chǎn)生影長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 響，當(dāng)頻率較低時(shí)，可用電容與電感線圈串接來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)頻率很高時(shí)，則必須采用高通濾波電路。半導(dǎo)體激光器有一個(gè)閾值電流 tI ，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于 tI 時(shí)，激光器基本上不發(fā)光或者只發(fā)出很弱的譜線寬度很寬、方向性較差的熒光；當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流大于 tI 時(shí)，開始發(fā)射激光，此時(shí)譜線較寬、輻射方向顯著變窄、強(qiáng)度大幅增加，而且隨電流的增加呈線性增長，如圖 22 所示。由于它是在光源內(nèi)部進(jìn)行的，因而屬于內(nèi)調(diào)制，這種直接調(diào)制簡便高效率，還能夠告訴調(diào)制，是目前光通信系統(tǒng)普遍使用的實(shí)用化調(diào)制方法。本節(jié)介紹激光的直接調(diào)制原理。 圖 11 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 麥克輸入音頻 外部輸入音頻 顯示波形 發(fā)送器 接收器 單片機(jī)控制 揚(yáng)聲器輸出 激光 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 第 2 章 音頻傳輸系統(tǒng)的理論依據(jù) 本文所設(shè)計(jì) 的 音頻傳輸系統(tǒng)需要通過激光完成音頻信號(hào)的傳輸。 第三：在前面所述的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出各模塊的電路，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，并完成單片機(jī)最小系統(tǒng)部分的 PCB 電路繪制，并進(jìn)行電路板的腐蝕。 目前，還有中國科學(xué)院、電子科技大學(xué)（成都）、上海光機(jī)所、北京大學(xué)、西安理工大學(xué)等單位開展無線激光通信方面的研究工作，在單元技術(shù)、試驗(yàn)系統(tǒng)等方面已取得一定的成果并正在進(jìn)行更加深入的工作。該計(jì)劃主要包括兩個(gè)方面的工作，即建立一套完整的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)和一套實(shí)驗(yàn)室模擬演示系統(tǒng)?，F(xiàn)已研制出激光通信終端設(shè)備，并進(jìn)行了作用距離 42km、信息率 1Gb/s、誤碼率為 10?6的全天候跟蹤掃描實(shí)驗(yàn)。而無線光通信則很好的解決的以上問題。現(xiàn)在無線光通信產(chǎn)品的速率從 2 Mbit/s 開始，形成多個(gè)系列，比較典型的有 10 Mbit/s、 100 Mbit/s、 155 Mbit/s、 622 Mbit/s。傳輸距離與信號(hào)質(zhì)量的矛盾非常突出，傳輸距離越大，光束就會(huì)越寬，接收的光信號(hào)質(zhì)量越差。背景噪聲的濾除技術(shù)研究，加快頻率穩(wěn)定的激光器的研制 .。如果這些問題能得到有效解決，那么無線光通信將發(fā)揮巨大潛能和優(yōu)勢(shì) ,成為無線通信領(lǐng)域的一個(gè)新亮點(diǎn)。 本論文研究的目的及意義 無線光通信最早起源于古代的烽火通信，而現(xiàn)代意義上的光通信源自于愛因斯坦受激輻射概念的提出、以及激光器的正式出現(xiàn)。 無線光通信結(jié)合了光纖通信與微波通信的優(yōu)點(diǎn)，通信容量大，又不需要敷設(shè)光纖，它以激光束作為信息載體，是不需要任何有線傳輸介質(zhì)的通信方式；缺點(diǎn)是光束以直線傳輸，不能跨越復(fù)雜地形。激光具有高方向性，故直接傳輸有優(yōu)勢(shì)，但在大氣層傳輸時(shí)受大氣干擾和地理遮擋嚴(yán)重，所以無線激光通信一般只能用于近距離通信或太空通信。該系統(tǒng)由 麥克風(fēng)實(shí)時(shí)語音輸入電路、音源切換電路、音頻發(fā)送 電路、音頻 接收電路 、 控制電路 及控制程序 構(gòu)成， 是一種 以激光為載波， 利用激光光束直接在空氣中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸音頻信號(hào)的 新型 無線 通信系統(tǒng) 。 2．本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中引用他人的觀點(diǎn)和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻(xiàn)形式列出，對(duì)本文的研究工作做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中注明。 3．在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中對(duì)侵犯任何方面知識(shí)產(chǎn)權(quán)的行為，由本人承擔(dān)相應(yīng)的法律責(zé)任。該 系統(tǒng) 可實(shí)現(xiàn) 音頻信號(hào)的 無線傳輸并能實(shí)時(shí)顯示音頻傳輸曲線，可用于無線光通信的教學(xué)演示和復(fù)雜電磁環(huán)境下的無線語音通信 而不受任何通信方式的干擾 ，但 只能在空間進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直線傳輸 ,這使得其應(yīng)用受到了局限 。 目前，主要的通信傳輸手段有微波通信、光纖通信等。目前，衛(wèi)星間只能以微 波形式通信，微波的物理特性決定了它不可能達(dá)到與光纖通信一樣的帶寬，這樣就造成地面與衛(wèi)星通信時(shí)出現(xiàn)了瓶頸。 1880 年發(fā)明電話的貝爾進(jìn)行的光電話實(shí)驗(yàn)則是近代無線光通信的雛形，實(shí)現(xiàn)的通話距離可達(dá) 200 多米，由于太陽光、燈光等都屬于普通可見光源是寬光譜非相干光源，其缺點(diǎn)是穩(wěn)定性差，不適合成為可靠的高強(qiáng)度的通信光源 。無線光通信技術(shù)具有建網(wǎng)速度快、成本低、可移動(dòng)性強(qiáng)和高帶寬等優(yōu)點(diǎn)，因此其在寬帶接入項(xiàng)目上有長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 很 強(qiáng)的競爭力，但因受天氣，特別是霧的影響較大，對(duì)其穩(wěn)定性及相關(guān)補(bǔ)償技術(shù)還需進(jìn)行深入研究。隨著國內(nèi) Inter 的迅猛發(fā)展，人們對(duì)多媒體和寬帶的需求會(huì)更加強(qiáng)烈，高速率的無線光通信技術(shù)將是一個(gè)理想的選擇。這樣對(duì)信號(hào)傳輸?shù)拿劫|(zhì)的要求就會(huì)較高，更加適合室內(nèi)的應(yīng)用。有的公司采用波分復(fù)用技術(shù)，速率可以達(dá)到 Gbit/s、 10 Gbit/s。因此，對(duì)無線光通信的研究，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。 歐洲空間局（ ESA）于