楊 虹，黃文奇，趙 暉，尹 耀，王振飛

（北京信息科技大學(xué)，北京 100101）

密立根油滴實(shí)驗(yàn)的無(wú)線激光通信傳輸演示

楊 虹，黃文奇，趙 暉，尹 耀，王振飛

（北京信息科技大學(xué)，北京 100101）

闡述了無(wú)線激光通信的基本原理，將無(wú)線激光通信技術(shù)與密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀結(jié)合，實(shí)現(xiàn)油滴視頻信號(hào)的的無(wú)線傳輸。研究表明原始信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的波形和顯示圖像非常一致，用無(wú)線激光傳輸油滴的視頻圖像信號(hào)質(zhì)量可靠。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可推廣到其他微觀測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，用于物理實(shí)驗(yàn)演示，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)演示效果。

激光通信；密立根油滴實(shí)驗(yàn)；視頻信號(hào)

無(wú)線激光通信是以激光為載體，在真空或大氣中傳遞信息的通信技術(shù)。具有保密性好、抗電磁干擾，傳輸容量大等優(yōu)點(diǎn)。是最近20年來(lái)發(fā)展的一種新型通信手段，尤其適用于星見通信和深空探測(cè)等領(lǐng)域［1－3］。

無(wú)線激光通信作為光通信系統(tǒng)的一個(gè)重要分支，是現(xiàn)代科學(xué)尤其是光學(xué)和固體物理學(xué)應(yīng)用發(fā)展的結(jié)晶，也是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中光學(xué)、電學(xué)和傳感器等實(shí)驗(yàn)的典型綜合應(yīng)用實(shí)例。在密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，將CCD采集的信號(hào)調(diào)制到激光上，無(wú)線發(fā)射到接收器，再通過(guò)解調(diào)電路將信號(hào)還原到顯示器上。整個(gè)過(guò)程既可以用來(lái)演示無(wú)線光通信的基本技術(shù)原理，又能幫助同學(xué)們加深物理理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)同學(xué)們的興趣和求知欲。

1 系統(tǒng)原理

在現(xiàn)有的屏顯密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀中，油滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)是通過(guò)測(cè)量顯微鏡和CCD元件［4］采集得到，并通過(guò)視頻電纜將圖像信號(hào)顯示在監(jiān)視器上的。在此過(guò)程中，信號(hào)的傳輸方式為“有線”。而通過(guò)激光通信的方式，可以將信號(hào)的傳輸方式變成“無(wú)線”，其具體的系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)構(gòu)成

整個(gè)系統(tǒng)主要由觀測(cè)顯微鏡、CCD元件、光發(fā)射模塊、光接收模塊和顯示設(shè)備組成。

2.1 光發(fā)射模塊

在光發(fā)射模塊中，采集到的模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離放大和抗混疊濾波后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，再通過(guò)視頻壓縮編碼單元壓縮成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻流［5］。經(jīng)過(guò)調(diào)制電路對(duì)激光器進(jìn)行電流直接調(diào)制，接著傳輸?shù)郊す忸^，實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射。圖2為光發(fā)射模塊流程圖。

圖2 光發(fā)射模塊

2.2 光接收模塊

在光接收模塊中，激光信號(hào)經(jīng)過(guò)光學(xué)濾波到達(dá)光電二極管。由光電二極管輸出的微弱電信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大和整形電路后輸出差分信號(hào)傳送給解碼器，輸出的解碼信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)濾波和放大后輸出到顯示設(shè)備［6］。圖3是光接收模塊流程圖。

圖3 光接收模塊

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)中，選用波長(zhǎng)為635nm，功率為1mW的紅光激光器作為載波，將測(cè)量顯微鏡和CCD元件采集到的油滴運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信號(hào)作為信號(hào)源加載到激光調(diào)制發(fā)射器上，激光以光束的形式經(jīng)大氣信道傳輸?shù)郊す饨邮战庹{(diào)器上，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)處理后由顯示器將原始信號(hào)顯示出來(lái)。圖4（A）是調(diào)制器的輸入信號(hào)，也即原始信號(hào)，圖4（B）經(jīng)過(guò)無(wú)線傳輸后解調(diào)器的輸出信號(hào)。從圖4可見，輸入輸出信號(hào)波形整體上相吻合，只是在細(xì)節(jié)上有些失真，如圖中圓圈描繪處。

圖4 信號(hào)波形對(duì)比

圖5（a）是原始信號(hào)直接輸入到顯示設(shè)備的圖像，圖5（b）是經(jīng)無(wú)線傳輸后輸入到顯示設(shè)備的圖像。從圖5可以看出，經(jīng)無(wú)線傳輸后的信號(hào)圖像與原始信號(hào)圖像在對(duì)比度，亮度等方面都非常吻合，只是在局部有一些橫紋出現(xiàn)，并不影響圖像觀測(cè)，并且顯示設(shè)備能夠連續(xù)、清晰和穩(wěn)定的顯示動(dòng)態(tài)圖像。在控制油滴的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，無(wú)線光通信經(jīng)過(guò)大氣信道產(chǎn)生的延時(shí)基本可以忽略不計(jì)。

圖5 顯示器圖像對(duì)比

4 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)將無(wú)線激光通信技術(shù)與密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀結(jié)合，實(shí)現(xiàn)油滴視頻信號(hào)的無(wú)線傳輸。通過(guò)比較原始信號(hào)和解調(diào)信號(hào)的波形和顯示圖像，發(fā)現(xiàn)無(wú)線激光傳輸油滴的視頻圖像信號(hào)質(zhì)量可靠，局部存在一些失真但并不影響圖像觀測(cè)，且顯示設(shè)備能夠連續(xù)、清晰和穩(wěn)定的顯示動(dòng)態(tài)圖像。該演示裝置還可以用于其他需要微觀測(cè)量的物理實(shí)驗(yàn)中，如牛頓環(huán)，楊氏模量測(cè)量等等，不僅可以用來(lái)演示無(wú)線光通信的基本技術(shù)原理，又能幫助同學(xué)們加深物理理論和實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)同學(xué)們的興趣和求知欲。

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Demonstration of Wireless Laser Transmission of Millkan Oil Drop Experiment

YANG Hong，HUANG Wen-qi，ZHAOHui，YIN Yao，WANG Zhen-fei

（Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101）

The basic principle of laser communication is presented in the paper，the videOsignal of oil is wirelessly transmitted by the milikan oil drop instrument combination with laser communication technology.The study show that the waveforms and videOimages of demodulated signals are consistent with that of original signal，the transmission quality of laser communication is reliable.This system alsOcan be used in other micro-scale measuremental experiments tOenhance their demonstrating effect.

laser communication；millikan oil drop experiment；videOsignal

O4-33

A

1007-2934（2011）06-0043-03

2011-09-09