基于可见光通信的“水流传声”实验

唐忠敏，王太军

(1.西北民族大学 预科教育学院 理科教研室，甘肃 兰州 730030；2.西北师范大学 教育学院 物理教育研究所，甘肃 兰州 730070)

光通信(又称“光通讯”)是利用光携带信息进行通信的技术，始于1966年华裔物理学家高锟提出的用光导纤维有效传输光信号构想，成功实现了利用光进行远距离通信. 现今广泛用于光纤通信的光缆连通世界的各个角落，成为当今信息互联的“高速公路”. 作为现代通信技术领域的佼佼者，光通信影响到人们生活的方方面面，同时，它是国外STEM课程中最具价值的教育内容之一，能促进中学生科学核心素养的提升和发展.

但是,无论中学还是大学的物理课程中，光通信部分的教学内容仅仅是描述介绍性的，缺少能真正让学生深入理解光通信实质的实验. 例如，文献[1]中第21章第4节中有专题介绍光纤通信，其中安排了演示实验：把大塑料瓶用不透光的纸包上，瓶的侧壁开个小孔. 塑料瓶内盛水，水面上方放发光小灯泡. 当水从小孔流出时，你会看到光随着弯弯的水流照到地面，在地面产生一个光斑[1]. 教科书用该实验演示光在弯曲的水流柱中的传导，用以形象类比光在光导纤维中的传导过程. 但遗憾的是，该实验并不能展示光通信中“光能携带信息”的特征. 为此，笔者设计了基于LED可见光通信的“水流传声”实验系统，该实验以弯曲水流柱为导光载体，借助可见光传递电声信号，可用于展示光通信中光在弯曲的水流柱中的传导和光能携带声音信息传输的双重过程.

1 实验系统设计原理

最简的可见光通信系统需要至少由2部分构成，用于调制信号光源的发射端和解调信号光波的接收端[2-4]. 因此，根据实验需要，“水流传声”实验系统结构设计成发射模块、传导媒介和接收模块3个组成部分(如图1所示). 发射模块是将媒体放音设备(麦克风信号、mp3、手机音乐等)产生的音频信号经调制后送入LED调制驱动电路，产生携带音频信号的白色载波可见光；传导媒介用于传导LED发出的可见光，实验系统所用的传导媒介主要为弯曲的导光水流柱. 接收模块将携带音频信号的白色可见光还原成声音，其中包括光信号解调电路和功率放大电路，将LED发出的白色载波可见光中音频信号分离，并解调后放大驱动扬声器发声，实现声音还原的目的.

图1 光通信“水流传声”实验系统结构框图

1.1 发射模块

常见LED发光机理是由PN结半导体晶片受激发光，它较之白炽灯钨丝炽热状态发光具有不可替代的优势：响应灵敏度高，调制性能好，功耗极低[4-5]. 为实现LED光源所发出的光能够携带声电信号，实验系统发射模块设计为先通过前置放大电路将声音信号调制到电路中形成电信号，再经过后置放大电路后驱动LED发出携带声电信号的白光(如图2 所示)，完成声音信号向光信号的转换过程.

图2 “水流传声”光通信实验系统发射模块电路图

1.2 接收模块

为使接收模块将光携带声电信号解调、放大还原，且使还原的声音具有较高保真性，实验接收模块采用硅光敏三极管接收携带声电信息的光信号，并将其转化为声电信号，通过功率放大集成模块后驱动扬声器发声(如图3所示)，实现可见光中携带的声音信号还原成声音的过程.

1.3 导光水流柱

实验中光的传导介质为水流柱. 将透明塑料瓶侧底端开一小圆孔(直径约5～8 mm为宜)，将其盛满清水后水流从瓶底孔流出形成水流柱. 实验中水流柱的应用基于光的全反射原理，因空气的折射率为1，水的折射率为1.333[6]，则sinC=1/1.333，计算得临界角C=48.6°

实验中LED(其外罩近似凸透镜)发出可见光的平行性特征较好，如果水流与可见光同方向，入射角θ几乎为90°，远比临界角48.6°大，光可以在水流柱内发生全反射(见图4所示)，可沿水流柱传播很远(具体传播距离与水流柱未散碎之前弯弧长度有关).

图3 “水流传声”光通信实验系统接收模块电路图

图4 可见光在水流柱中传播示意图

2 实验系统的制作与安装调试

2.1 制作材料

“水流传声”可见光通信实验系统的发射模块、接收模块所需要的主要电子元件材料及参量如表1所示. 将其各电子元件与图2和图3电路图对应，可在万用线路实验板上连接，也可焊接在电路板上. 后者的不足之处在于对不熟练者，不便拆卸和检查电路故障.

2．2 安装与调试要点

1)按电路图组装后通电检测. 在将各电子元件连接组装后，先通9 V直流电压，检测发射模块和接收模块能否正常工作；输入音频信号后检测发射模块输出端LED能否正常发光，排除在电子元件组装过程存在的接触不良、元件损坏等故障问题.

表1 “水流传声”实验系统所需电子元件

2)将发射模块的LED固定到水流柱根部. 安装要点：a.用不透光牛皮纸将塑料瓶完全包裹并粘牢，在其侧底流水孔处和流水孔正对面处的牛皮纸上剪开大小适当孔位，这样做的目的是减少外界光线对实验的影响；b.在预留好的牛皮纸孔位上固定好发射端的LED，可以加水调试角度，尽可能让LED发出的光平行入射到水流柱内部. 注意可以选择较大的塑料瓶，这样使得水流的时间较长，便于观察实验现象.

3)为接收模块装透明防水罩. 由于接收模块的硅光敏三极管要接收来自水流柱中的光信号，为防止接收模块被水流淋湿造成短路，需要给接收模块加装透明防水罩. 方案一：在取材方面，可以取适当大小的玻璃杯倒置在水平桌面罩住整个接收模块，注意预留好空隙，在外界能清晰听到罩内接收模块扬声器发出的声音. 方案二：将硅光敏三极管用较长导线连接至电路，用较小的玻璃瓶(如透明口服液瓶)只罩住光敏三极管，将接收模块旁置.

4)调整好接收模块硅光敏三极管的探头的位置. 调整好位置后，让水流柱在空中未散碎流下之前与接收模块硅光敏三极管的探头垂直接触. 一切顺利就绪以后，给各模块通电，在发射模块的音频输入端加入mp3播放的音频信号，随着塑料瓶中水流的流出，接收模块扬声器发出mp3正在播放的音乐声音，同时还可以在水流柱和接收模块外罩接触处清楚地观察到圆形的光斑. 此时，如果用手挡住水流，光斑会显示到手上，但是接收模块扬声器的声音就会消失；恢复水流柱后声音继续出现.

3 实用效果及反思

以弯曲的水流柱为导光载体，借助LED发出的可见光传递电声信号，清晰地展示了光通信中光在弯曲的水流柱中的传导和利用光携带声音信息传输的双重过程，弥补了当前物理教学中的不足. 若将水流柱体替换为光导纤维，实验效果会更加明显. 因为光在光导纤维中的传导效果及能量损耗比水流柱内要小. 但根据学生学习特点，建议在低学龄段(如初中)学生中先用水流柱体进行实验，原因为水流是学生生活中常见的事物，易于理解. 在此基础上，可选择适当时机，引入光导纤维进行实验，以便学生更形象深入地研究光纤通信的实质. 同时，实验系统取材简便，成本低廉，学生可以在教师指导下完成STEM实践课题，激发学生物理学习兴趣，有效地培养学生科学创新精神和实践能力.

[1] 人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 义务教育教科书·物理九年级(全一册)[M]. 北京：人民教育出版社,2013.

[2] 王云,蓝天,倪国强. 室内可见光通信复合光学接收端设计与分析[J]. 物理学报,2017，66(8)：125-133.

[3] 薛家豪,李琪,徐胜男,等. 室内LED可见光通信的分集接收系统[J]. 物理实验,2016，36(9):15-18,32.

[4] 骆宏图,陈长缨,傅倩,等. 白光LED室内可见光通信的关键技术[J]. 光通信技术,2011,35(2):56-59.

[5] 刘宏展,吕晓旭,王发强, 等. 白光LED照明的可见光通信的现状及发展[J]. 光通信技术,2009,33(7):56-59.

[6] 赵凯华. 新概念物理教程·光学[M]. 北京：高等教育出版社,2004.