簡易外源通信系統(tǒng)

馮穗生 孔新兵

（中國電子科技集團公司第七研究所 廣東省廣州市 510310）

1 引言

目前主流的通信方法，都是通過改變本機產(chǎn)生通信介質(zhì)的狀態(tài)進行通信，通過對發(fā)射端自行產(chǎn)生的通信介質(zhì)進行調(diào)制處理實現(xiàn)通信。使用主流方法實現(xiàn)通信，其中一個必要條件是發(fā)射端需要具備能夠產(chǎn)生用于傳播信息介質(zhì)的能力。在通信系統(tǒng)中，通信介質(zhì)必須自發(fā)產(chǎn)生的通信方式統(tǒng)稱為內(nèi)源通信。例如利用聲波進行通信，通信系統(tǒng)的發(fā)送端需要產(chǎn)生聲波；使用無線電進行通信，通信系統(tǒng)的發(fā)送端需要產(chǎn)生無線電；使用光進行通信，通信系統(tǒng)的發(fā)送端需要產(chǎn)生光。在通信系統(tǒng)中，通信介質(zhì)是從外部獲得的通信方式統(tǒng)稱為外源通信。例如直接改變環(huán)境中光狀態(tài)實現(xiàn)的通信；直接改變外部粒子狀態(tài)實現(xiàn)的通信。本文通過利用電致調(diào)光玻璃搭建簡易外源通信系統(tǒng)，實現(xiàn)摩爾斯碼光通信。

2 電致調(diào)光玻璃

電致調(diào)光玻璃，又稱液晶調(diào)光玻璃，就是在兩片玻璃中間夾入一液晶薄膜層[1]，通過控制玻璃的通電情況，調(diào)節(jié)玻璃的透光和不透光狀態(tài)。這種玻璃在無外加電壓作用時，液晶分子處于無規(guī)則排列狀態(tài)，在光線照到玻璃時，使光線受到強烈散射作用，因此玻璃的透明性消失；當對玻璃的導電膜施加電壓后，液晶分子處于定向排列狀態(tài)，光線能夠直接透過玻璃而顯現(xiàn)透明性。電致調(diào)光玻璃的響應(yīng)時間在5 ～30ms，驅(qū)動電壓與玻璃面積相關(guān)，沒有記憶狀態(tài)[1]。目前電致調(diào)光玻璃多用于高級建筑物的門窗、汽車擋風玻璃、飛機機窗等[2]?；陔娭虏ＡУ奶匦裕由闲盘栒{(diào)制電路，電致玻璃能夠在通信領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

3 摩爾斯密碼

摩爾斯密碼，又稱摩爾斯電碼，是一種時通時斷的信號代碼，是一種早期的數(shù)字化通信形式。摩爾斯電碼只使用零和一兩種狀態(tài)的二進制代碼，它的代碼包括五種：短促的點信號“·”，讀“滴”（Di）；保持一定時間的長信號“—”，讀“嗒”（Da）；表示點和劃之間的停頓；每個詞之間中的停頓；句子之間長的停頓[3]。摩爾斯密碼停頓間隔時間為：滴=1t，嗒=3t，滴嗒間=1t，字符間=3t，單詞間=7t。通過不同的排列順序的一短一長來表達不同的英文字母、數(shù)字和標點符號。摩爾斯密碼的編碼簡單清晰，二義性小，適用于對太陽光進行調(diào)制通信。

4 通信系統(tǒng)

簡易外源通信系統(tǒng)分為發(fā)送端和接收端。如圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖所示，發(fā)送端由控制器和光信號輸出兩部分組成?？刂破髦饕请娭抡{(diào)光玻璃的電源控制電路，通過人工操作控制器的信號開關(guān)來控制電致調(diào)光玻璃的供電輸入。光信號輸出部分是由電致調(diào)光玻璃和反光鏡組成。通信系統(tǒng)信息傳遞的介質(zhì)是經(jīng)過反光鏡和電致調(diào)光玻璃后的太陽光線。接收端是一個基于紅外線接收傳感器設(shè)計的信號接收器。太陽光中紅外線約占43%，太陽光中存在能夠使紅外線接收傳感器響應(yīng)的波長，使用紅外線接收傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽光信號的檢測。系統(tǒng)各部分具體工作原理如下：

圖1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2：控制器電路圖

圖3：光信號輸出示意圖

圖4：接收器電路圖

控制器主要由電池、正弦信號發(fā)生芯片、變壓器組成。如圖2控制器電路圖所示，控制電路使用兩節(jié)串聯(lián)的5 號電池作為供電電源，電源電壓是3V。控制電路使用一款正弦信號發(fā)生芯片。芯片有一個觸發(fā)檢測引腳，當該引腳接收到低電平時，正弦信號輸出狀態(tài)會發(fā)生改變。芯片首次上電，芯片的信號輸出引腳沒有信號輸出，是默認狀態(tài)。當觸發(fā)檢測引腳檢測到低電平時，芯片正常輸出正弦信號，當觸發(fā)檢測引腳再次檢測到低電平時，芯片停止輸出正弦信號，以此類推。控制器電路在芯片觸發(fā)檢測引腳與電源負極之間接了一個復(fù)位開關(guān)S1，用來控制芯片的觸發(fā)檢測引腳接收低電平的狀態(tài)?？刂破髟谛酒琔1 默認狀態(tài)下正常工作時，按下開關(guān)S1，芯片U1 驅(qū)動三極管工作，芯片U1 輸出正弦信號，變壓器將正弦信號轉(zhuǎn)換成電致調(diào)光玻璃所需要的交流電。電致調(diào)光玻璃在足夠供電的情況下，液晶分子定向排列，呈現(xiàn)出透明狀態(tài)，光線能夠正常傳播。當再次按下開關(guān)S1 時，芯片無正弦信號輸出，變壓器處于低壓狀態(tài)。電致調(diào)光玻璃供電不足，液晶分子不規(guī)則排列，呈現(xiàn)出霧化狀態(tài)，阻擋光線傳播。如圖3 光信號輸出示意圖所示，通過按照摩爾斯密碼的規(guī)律操作開關(guān)S1，電致調(diào)光玻璃的透明狀態(tài)根據(jù)摩爾斯密碼的規(guī)律變化，電致調(diào)光玻璃對太陽光的遮擋效果隨之發(fā)生變化。

表1：發(fā)送數(shù)字3 信號表

圖5：信號燈示意圖

信號接收器主要作用是將發(fā)送端的光信號轉(zhuǎn)換為電信號。如圖4 接收電路圖所示，信號接收器使用5V 供電，使用紅外接收二極管和比較器電路進行設(shè)計。紅外接收二極管接收到信號反饋電壓與輸入比較器的參考電壓作對比，對比結(jié)果根據(jù)比較器輸出的高低電平判斷。比較器的輸出端連接信號燈，信號燈的亮滅顯示紅外接收二極管狀態(tài)。根據(jù)紅外接收二極管響應(yīng)電壓來調(diào)節(jié)電阻R3，可以達到以下效果：紅外接收二極管接收到強光線而導通，芯片U1 輸入電壓（-引腳電壓）低于參考電壓（+引腳電壓），信號輸出端輸出高電平，信號燈發(fā)亮；紅外接收二極管無法接收到足夠強度的光線而截止，比較器輸入電壓（-引腳電壓）高于參考電壓（+引腳電壓），信號輸出端輸出低電平，信號燈滅。

5 測試驗證

在常溫常壓、太陽光的光照強度大于20000lux 的狀態(tài)下，將已提供5V 供電的信號接收器放置在陰暗無光照地方，將已使用電池供電的發(fā)送端放置在距離接收端大于20 厘米的太陽光下。按下控制器開關(guān)，電致調(diào)光玻璃處于透明狀態(tài)，反光鏡將太陽光對準接收端的紅外接收傳感器，接收端的信號燈亮起。再次按下控制器開關(guān)，電致調(diào)光玻璃處于霧化狀態(tài)。發(fā)送端沿著對準接收端方向遠離接收端，直到接收端的信號燈熄滅。保持位置不變，按下控制器開關(guān)，接收端信號燈亮起，再次按下控制器開關(guān)，接收端信號燈熄滅。在此狀態(tài)下，以發(fā)送數(shù)字3 的摩爾斯密碼為例進行驗證，具體如下：

數(shù)字3 的摩爾斯密碼是“滴滴滴嗒嗒”。在電致調(diào)光玻璃霧化的狀態(tài)下，發(fā)送數(shù)字3 的控制器開關(guān)操作步驟如下：

（1）按下開關(guān)，等待1 秒。

（2）按下開關(guān)，等待1 秒。

（3）按下開關(guān)，等待1 秒。

（4）按下開關(guān)，等待1 秒。

（5）按下開關(guān)，等待1 秒。

（6）按下開關(guān)，等待1 秒。

（7）按下開關(guān)，等待3 秒。

（8）按下開關(guān)，等待1 秒。

（9）按下開關(guān)，等待3 秒。

（10）按下開關(guān)。

經(jīng)過電致調(diào)光玻璃調(diào)制后發(fā)送端呈現(xiàn)出以下規(guī)律：

（1）持續(xù)1 秒有光線。

（2）持續(xù)1 秒無光線。

（3）持續(xù)1 秒有光線。

（4）持續(xù)1 秒無光線。

（5）持續(xù)1 秒有光線。

（6）持續(xù)1 秒無光線。

（7）持續(xù)3 秒有光線。

（8）持續(xù)1 秒無光線。

（9）持續(xù)3 秒有光線。

（10）持續(xù)無光線。

簡易外源通信系統(tǒng)發(fā)送數(shù)字3，發(fā)送端的信號狀態(tài)如表1 所示。

接收端的信號燈得到與表1 一致的信號，如圖5 信號燈示意圖所示。

6 結(jié)束語

通過按照摩爾斯密碼的規(guī)律控制電致調(diào)光玻璃的通電狀態(tài)，使得電致調(diào)光玻璃按照相同規(guī)律呈現(xiàn)出狀態(tài)變化，進而使太陽光同樣按照相同規(guī)律傳送信號，接收端就會接收到通過太陽光傳遞過來的摩爾斯密碼，實現(xiàn)通信功能。

外源通信與內(nèi)源通信相比，減少了產(chǎn)生通信介質(zhì)的能量。使用外源通信方式進行通信，可以利用外部高能通信介質(zhì)、特殊介實現(xiàn)超遠距離通信。

本文講述的外源通信系統(tǒng)為簡易外源通信系統(tǒng)，傳輸效率低，通信質(zhì)量難以保證。系統(tǒng)所使用的關(guān)鍵材料是液晶材料。因為液晶材料改變狀態(tài)的速度限制，所以難以提高系統(tǒng)傳輸速度。未來研究方向主要集中于如何提高改變外來光線狀態(tài)的速度，從而達到滿足實際應(yīng)用的要求。