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你相信一根普通的激光笔能够在空气中将声音传输100英里之遥吗?我们做到了,并且相信你也能做到。
1 半导体激光器
一般光纤通信的光源都是激光,但在大气中通信时,二极管产生的非相干光有时比激光好用。主要的原因是大气密度的变化会破坏激光的相位相关性,并导致亮度的随机波动,有可能破坏光束中包含的信息。其次,远距离通信时需要大直径的光束但是将相干光扩束并不容易,这需要使用非常精密的镜头并增加重量和成本。
即使有这些缺点,用常见的激光笔进行光通信仍然是很有吸引力的事情,它们价格便宜,现成易得,功耗低,较为安全,并且容易靠pwm技术调制。最后也是最重要的一点,激光通信多酷啊!
价格最低廉的红色激光笔非常理想,它们产生的准直光束即使只有几毫米的直径,但也能在相当远的距离用肉眼观察到,气候良好时可视距离可以远达100公里。
2 激光调制-解调电路
传输音频信号的简易方法是调幅加上脉宽调制。在图中可以看到一个基于激光器的调幅-脉宽调制电路,它由Ron(K7RJ)设计,目的是尽可能用简单现成的零件加上一个激光笔传输声音。这个电路包含一个基于光电二极管的光接收机。但是由于电路的主要目的是示范调制电路,而没有在灵敏度上下功夫,也没有聚焦镜头,所以通信距离很短,只有大约100米。
想要获得更为优越的通信性能的话,可以考虑下面的电路和光学部件。
为语音带宽优化的高灵敏度光接收机。
3 激光器布线安装
低功率的激光器容易在很多地方找到,但是要将它拆出来安装不一定容易。激光笔或者激光教鞭可能是其中最容易改装的一种。需要注意的是激光笔并不是激光器与电池的简单串联,通常会有简单的限流电路。该电路通常包括几个晶体管,但是一些最便宜的激光笔只有一个简单的限流电阻。有趣的是,昂贵的激光笔在这里不一定适用,它们有复杂的保护恒流电路,这些电路将会严重影响激光器的响应速度,所以请尽可能找足够便宜简易的红色激光笔。
很遗憾从我这个激光笔里不容易拆出激光模块,所以打算在里面装进个“假电池”然后引出电源线。我找个一根直径和激光笔原先用的AAA电池一样的圆木棍,然后按长度切下一段,沿长度方向切割浅槽并嵌入电线,两端制作电极,最后将假电池装入激光笔里,将激光笔的按钮用胶带固定在开启的位置,并将假电池引出的电源线接到旁边装有驱动-调制电路的塑料小盒里。
4 短距离激光通信
刚开始玩这个的话,建议从短距离通信开始尝试,比如说自家院子,或者几百米的范围。实验时要注意激光的去向,即使是非常低功耗,看起来“无害”的激光,如果照射到远方的道路或者机场上,一瞬间的分心仍然有严重的危险。
短距离测试的一大好处就是可以直接看到激光器和激光的照射点,极大的简化了瞄准过程。建议在调试时准备双向对讲机,或者也可以在发射和接收端之间用手机联系,只要不在意话费!
一个实用的建议是准备一些容易辨认的目标,比如反光胶带,自行车尾灯,反光板之类,这些装置上带有角反射器,被激光照射时非常明亮,能够帮助你在黑暗中找到远处的目标。
这时你应该可以注意到激光的定向性即使在短距离也非常明显,发射端的一点挪动就会造成接收端光斑的巨大偏移。
5 长距离激光通信
距离进一步增加时,没法直接看到光束的照射点,从而需要依靠接收端的反馈调整激光方向。这样的距离上必须依靠精密的调整对准方向,否则差之毫厘,就谬以千里了(LED光源在这方面有优势,因为在远处的光斑很大)。
怎样将激光精确指向目标是个复杂的问题,简单起见这里将介绍两种适于业余者的方法:
5.1 使用望远镜
将激光笔捆在望远镜上,经过仔细调整之后可以将望远镜的光学轴线与激光束调整平行,这样就可以用望远镜寻找接收地点提供近似的指向,减少激光指向的不确定性。对于带有赤道仪,能够自动寻星的望远镜,还可以通过一定的改造让它依据反馈信号的强度自动定位。
望远镜的缺点是有很大的迎风面积,即使轻微的扰动也可能引起远处的光斑迅速移动,从而中断通信。
图中我们把之前做好的激光调制电路和激光模组装到了一架8英寸反射望远镜上,望远镜本身提供了一个稳定可调节的负载平台。
这是个久经考验并被多次复制的电路,在2~3kHz上有很高的灵敏度,适合语音和低速数字通信,可做参考:
这是个纸板和菲涅尔透镜组装的镜头系统,简单但是性能优越,我们用它接收过172公里远的光信号。
5.2 使用三脚架
最早的时候我们试图使用标准三脚架,但是它们往往存在调节时的过冲或反弹。最后我和Ron自制了一个调节机构,以提供远距离瞄准所需的高精度和可重复性。
这个调节机构大部分由高密度聚乙烯制成,它可以在厨房砧板上找到。这种材料具有很小的动态和静态摩擦,用在移动部件上很合适。滑块通过高精度的螺杆和螺纹连接,可以在正交方向上独立做细微的调整。为了减小螺纹咬合时的回差,开始我们用松紧带对滑块预先施加一定的拉力,后来改用了金属弹簧。
6 示例
我们多次用激光笔完成了超过100公里距离的通信,最大的纪录是172英里。
作者Clint在实验现场观察接收地点
这个片断使用标准的激光笔传输,对准的时候使用了8寸的反射望远镜辅助。左声道是原音频,右声道是接收到的信号。
0:00-0:29:激光束上调制了1khz的音频信号。试图借助望远镜瞄准激光束。最初几秒可以听到激光束在接收器表面掠过,直到调整后信号达到峰值。
0:29-0:58:罗伯特•迈尔斯的音乐"Children"
0:58-2:20:语音通话,可以感到空气密度导致的信号闪烁相当严重,但是语音的清晰度还不错。这主要是我们的大大脑在识别语音的时候会自动补全缺失部分。
7 给爱好者的建议
建议新手从短距离通信开始并逐渐增大通信距离,这可以磨练技能并且帮助了解自己设备的能力和限制,因为新手通常会高估或者低估了自己手头的器材。
如果刚开始的时候没有成功,不要放弃。失败是成功之母,即使是一次失败的实验,它提供的收益和成功的实验一样多。
最后,既然我们能实现,那么你也可以。 |
阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!
曾经有一段真挚的爱情摆在我的面前,我没有珍惜,现在想起来,还好我没有珍惜……
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