简易外源通信系统

冯穗生 孔新兵

（中国电子科技集团公司第七研究所 广东省广州市 510310）

1 引言

目前主流的通信方法，都是通过改变本机产生通信介质的状态进行通信，通过对发射端自行产生的通信介质进行调制处理实现通信。使用主流方法实现通信，其中一个必要条件是发射端需要具备能够产生用于传播信息介质的能力。在通信系统中，通信介质必须自发产生的通信方式统称为内源通信。例如利用声波进行通信，通信系统的发送端需要产生声波；使用无线电进行通信，通信系统的发送端需要产生无线电；使用光进行通信，通信系统的发送端需要产生光。在通信系统中，通信介质是从外部获得的通信方式统称为外源通信。例如直接改变环境中光状态实现的通信；直接改变外部粒子状态实现的通信。本文通过利用电致调光玻璃搭建简易外源通信系统，实现摩尔斯码光通信。

2 电致调光玻璃

电致调光玻璃，又称液晶调光玻璃，就是在两片玻璃中间夹入一液晶薄膜层[1]，通过控制玻璃的通电情况，调节玻璃的透光和不透光状态。这种玻璃在无外加电压作用时，液晶分子处于无规则排列状态，在光线照到玻璃时，使光线受到强烈散射作用，因此玻璃的透明性消失；当对玻璃的导电膜施加电压后，液晶分子处于定向排列状态，光线能够直接透过玻璃而显现透明性。电致调光玻璃的响应时间在5 ～30ms，驱动电压与玻璃面积相关，没有记忆状态[1]。目前电致调光玻璃多用于高级建筑物的门窗、汽车挡风玻璃、飞机机窗等[2]。基于电致玻璃的特性，加上信号调制电路，电致玻璃能够在通信领域实现应用。

3 摩尔斯密码

摩尔斯密码，又称摩尔斯电码，是一种时通时断的信号代码，是一种早期的数字化通信形式。摩尔斯电码只使用零和一两种状态的二进制代码，它的代码包括五种：短促的点信号“·”，读“滴”（Di）；保持一定时间的长信号“—”，读“嗒”（Da）；表示点和划之间的停顿；每个词之间中的停顿；句子之间长的停顿[3]。摩尔斯密码停顿间隔时间为：滴=1t，嗒=3t，滴嗒间=1t，字符间=3t，单词间=7t。通过不同的排列顺序的一短一长来表达不同的英文字母、数字和标点符号。摩尔斯密码的编码简单清晰，二义性小，适用于对太阳光进行调制通信。

4 通信系统

简易外源通信系统分为发送端和接收端。如图1 系统结构框图所示，发送端由控制器和光信号输出两部分组成。控制器主要是电致调光玻璃的电源控制电路，通过人工操作控制器的信号开关来控制电致调光玻璃的供电输入。光信号输出部分是由电致调光玻璃和反光镜组成。通信系统信息传递的介质是经过反光镜和电致调光玻璃后的太阳光线。接收端是一个基于红外线接收传感器设计的信号接收器。太阳光中红外线约占43%，太阳光中存在能够使红外线接收传感器响应的波长，使用红外线接收传感器能够实现对太阳光信号的检测。系统各部分具体工作原理如下：

图1：系统结构框图

图2：控制器电路图

图3：光信号输出示意图

图4：接收器电路图

控制器主要由电池、正弦信号发生芯片、变压器组成。如图2控制器电路图所示，控制电路使用两节串联的5 号电池作为供电电源，电源电压是3V。控制电路使用一款正弦信号发生芯片。芯片有一个触发检测引脚，当该引脚接收到低电平时，正弦信号输出状态会发生改变。芯片首次上电，芯片的信号输出引脚没有信号输出，是默认状态。当触发检测引脚检测到低电平时，芯片正常输出正弦信号，当触发检测引脚再次检测到低电平时，芯片停止输出正弦信号，以此类推。控制器电路在芯片触发检测引脚与电源负极之间接了一个复位开关S1，用来控制芯片的触发检测引脚接收低电平的状态。控制器在芯片U1 默认状态下正常工作时，按下开关S1，芯片U1 驱动三极管工作，芯片U1 输出正弦信号，变压器将正弦信号转换成电致调光玻璃所需要的交流电。电致调光玻璃在足够供电的情况下，液晶分子定向排列，呈现出透明状态，光线能够正常传播。当再次按下开关S1 时，芯片无正弦信号输出，变压器处于低压状态。电致调光玻璃供电不足，液晶分子不规则排列，呈现出雾化状态，阻挡光线传播。如图3 光信号输出示意图所示，通过按照摩尔斯密码的规律操作开关S1，电致调光玻璃的透明状态根据摩尔斯密码的规律变化，电致调光玻璃对太阳光的遮挡效果随之发生变化。

表1：发送数字3 信号表

图5：信号灯示意图

信号接收器主要作用是将发送端的光信号转换为电信号。如图4 接收电路图所示，信号接收器使用5V 供电，使用红外接收二极管和比较器电路进行设计。红外接收二极管接收到信号反馈电压与输入比较器的参考电压作对比，对比结果根据比较器输出的高低电平判断。比较器的输出端连接信号灯，信号灯的亮灭显示红外接收二极管状态。根据红外接收二极管响应电压来调节电阻R3，可以达到以下效果：红外接收二极管接收到强光线而导通，芯片U1 输入电压（-引脚电压）低于参考电压（+引脚电压），信号输出端输出高电平，信号灯发亮；红外接收二极管无法接收到足够强度的光线而截止，比较器输入电压（-引脚电压）高于参考电压（+引脚电压），信号输出端输出低电平，信号灯灭。

5 测试验证

在常温常压、太阳光的光照强度大于20000lux 的状态下，将已提供5V 供电的信号接收器放置在阴暗无光照地方，将已使用电池供电的发送端放置在距离接收端大于20 厘米的太阳光下。按下控制器开关，电致调光玻璃处于透明状态，反光镜将太阳光对准接收端的红外接收传感器，接收端的信号灯亮起。再次按下控制器开关，电致调光玻璃处于雾化状态。发送端沿着对准接收端方向远离接收端，直到接收端的信号灯熄灭。保持位置不变，按下控制器开关，接收端信号灯亮起，再次按下控制器开关，接收端信号灯熄灭。在此状态下，以发送数字3 的摩尔斯密码为例进行验证，具体如下：

数字3 的摩尔斯密码是“滴滴滴嗒嗒”。在电致调光玻璃雾化的状态下，发送数字3 的控制器开关操作步骤如下：

（1）按下开关，等待1 秒。

（2）按下开关，等待1 秒。

（3）按下开关，等待1 秒。

（4）按下开关，等待1 秒。

（5）按下开关，等待1 秒。

（6）按下开关，等待1 秒。

（7）按下开关，等待3 秒。

（8）按下开关，等待1 秒。

（9）按下开关，等待3 秒。

（10）按下开关。

经过电致调光玻璃调制后发送端呈现出以下规律：

（1）持续1 秒有光线。

（2）持续1 秒无光线。

（3）持续1 秒有光线。

（4）持续1 秒无光线。

（5）持续1 秒有光线。

（6）持续1 秒无光线。

（7）持续3 秒有光线。

（8）持续1 秒无光线。

（9）持续3 秒有光线。

（10）持续无光线。

简易外源通信系统发送数字3，发送端的信号状态如表1 所示。

接收端的信号灯得到与表1 一致的信号，如图5 信号灯示意图所示。

6 结束语

通过按照摩尔斯密码的规律控制电致调光玻璃的通电状态，使得电致调光玻璃按照相同规律呈现出状态变化，进而使太阳光同样按照相同规律传送信号，接收端就会接收到通过太阳光传递过来的摩尔斯密码，实现通信功能。

外源通信与内源通信相比，减少了产生通信介质的能量。使用外源通信方式进行通信，可以利用外部高能通信介质、特殊介实现超远距离通信。

本文讲述的外源通信系统为简易外源通信系统，传输效率低，通信质量难以保证。系统所使用的关键材料是液晶材料。因为液晶材料改变状态的速度限制，所以难以提高系统传输速度。未来研究方向主要集中于如何提高改变外来光线状态的速度，从而达到满足实际应用的要求。