自由空间光通信又称无线通信，或无线光通信。自由空间光通信是利用激光光束作为载波在空间直接进行语音、图像、数据等信息的双向传送的一种通信技术，通信的目的就是把所要传送的数据由一个地点传递到另一个地点。

【实验目的】

(1)学习半导体激光发射、准直、接收光路设计及装调方法;

(2)掌握视频放大及驱动电路、视频接收电路设计及调试方法。

【实验原理】

电视是采用动画的视觉原理构造而成的，如图27.1所示，其基本原理为顺序扫描和传输图像信号，然后在接收端同步再现。电视图像扫描是由隔行扫描组成场，由场组成帧，一帧为一幅图像。定义每秒钟扫描多少帧为帧频; 每秒钟扫描多少场为场频; 每秒钟扫描多少行为行频。

图27.1 电视图像扫描原理

我国的电视画面传输率是每秒25帧、50场。25Hz的帧频能以最少的信号容量有效地满足人眼的视觉残留特性; 50Hz的场频隔行扫描，把一帧分成奇、偶两场，奇偶的交错扫描相当于有遮挡板的作用，这样，在其他行还在高速扫描时，人眼不易觉察出闪烁，同时也解决了信号带宽的问题。由于我国的电网频率是50Hz，采用50Hz的场刷新率可以有效地去掉电网信号的干扰。这种扫描方式称为隔行扫描。

电视信号中除了图像信号以外，还包括同步信号。所谓同步是指摄像端(发送端)的行、场扫描步调要与显像端(接收端)扫描步调完全一致，即要求同频率、同相位才能得到一幅稳定的画面。一帧电视信号称为一个全电视信号，它又由奇数场行信号和偶数场行信号顺序构成。图27.2为全电视视频信号波形。

图27.2 全电视视频信号波形

电视的清晰度一般用垂直方向和水平方向的分解率来表示。垂直分解率与扫描行数密切相关。扫描行数越多越清晰、分解率越高。我国电视图像的垂直分解率为575行或称575线。这是一个理论值，实际分解率与扫描的有效区间有关，根据统计，电视接收机实际垂直分解率约400线。

水平方向的分解率或像素数决定电视信号的上限频率。最复杂的电视图像莫过于黑白方块交错排列的图案，而方块的大小由分解率决定。根据这种图案，可以计算出电视信号逐行扫描时的信号带宽约为10MHz; 而隔行扫描时的信号带宽约为5MHz。我国目前规定的电视图像信号的标称频带宽度为6MHz，根据带宽，可以反推出理论上电视信号的水平分解率约为630线。

黑白电视只传送一个反映景物亮度的电信号就行了，而彩色电视除了传送亮度信号以外还要传送色度信号。所谓黑白电视与彩色电视的兼容是指黑白电视机接收彩色电视信号时能够产生相应的黑白图像; 而彩色电视机在接收黑白电视信号时也能产生相应的黑白电视图像。也即电视台发射一种彩色电视信号，黑白和彩色电视都能正常工作。

在彩色电视信号中首先必须使亮度和色度信号分开传送，以便使黑白电视和彩色电视能够分别重现黑白和彩色图像。用YUV空间表示法就能解决这个问题。采用YUV空间还可以充分利用人眼对亮度细节敏感而对彩色细节迟钝的视觉特性，大大压缩色度信号的带宽。我国规定的亮度信号带宽为6MHz，而色度信号U、V的带宽分别仅为1.3MHz。色度信号的高频分量几乎都被压缩掉了，如果仅靠两个1.3MHz的色度信号来反映图像细节将会使图像模糊，界限不清楚。实际上由于亮度信号具有6MHz的带宽，其细节是很清晰的，用它完全可以补偿色度信号缺少高频分量的缺陷。这种用亮度信号来补偿色度信号高频不足的方法称为高频混合法，它类似于大面积着色原理，图像细节完全依靠黑白细节来满足。

尽量压缩彩色电视信号的频带宽度，使其与黑白电视信号的带宽相同。为了解决信号频带的兼容问题，采用频谱交错的方法，把两个1.3MHz的色度信号频谱间插在亮度信号频谱的高端，这是因为亮度信号的频谱高端信号较弱，而且间隔较大。这样既不增加6MHz的带宽，又不会引起亮度和色度信号的混乱，而且也不会与伴音信号混叠。

除色同步信号以外，彩色电视信号采用与黑白电视信号完全一致的行、场扫描以及消隐、同步等控制信号。色度的同步信号是叠加在行消隐脉冲之上的，这样可以保证彩色电视与黑白电视的扫描和同步完全一致。黑白电视在接收到彩色全电视信号以后，可从中获取黑白电视信号，实现彩色电视与黑白电视的兼容。

我国广播电视标准规定: 全电视信号中，各合成信号的电平关系是以同步信号电平为100%，黑电平(既消隐电平)为75%，白电平为0，其他亮度的电平介于0～75%之间，随图像内容变化。

合成信号的时间关系是: 每行的周期为64μs(即行频为15625Hz)，其中图像信号占52.5μs，行消隐占11.8μs; 在行消隐期间传送行同步信号，它的脉宽为4.7μs，比行消隐信号延迟1.3μs。每312.5行构成一场，每场周期20ms，即场频为50Hz，其中消隐信号占25行再加一个行消隐脉冲，共1.6ms。在场消隐期间传送均衡脉冲和场同步信号，场同步信号的脉宽占3行的时间，即192μs，其中每隔半行有一开槽脉冲，其宽度为4.7μs; 场同步信号的前后各有6个均衡脉冲，每隔半行一个，其脉宽为2.35μs。以上数值均为国家标准的标称值。

习惯上以奇数场同步信号的前沿作为一帧的开始。电视机接收到这个信号后，就准备由偶数场切换为奇数场，经过场同步分离电路的一段延迟，电子束便很快从屏幕的底部回扫到顶部，然后开始奇数场的正程扫描，但要到消隐信号结束后，从第23行起屏幕才能显示图像，直到第309.5行出现偶数场消隐信号，接着出现前均衡脉冲，直到第312.5行出现偶数场同步信号，奇数场才结束，偶数场开始。电子束先迅速回扫到屏幕顶部中点，然后开始正程扫描。同理，要到场消隐信号结束后的第335行才出现偶数场的图像，直到第623行偶数场图像结束，第625行结束时，偶数场随着结束，完成了一帧。

彩色全电视信号除含有与黑白电视相同的亮度、复合同步、复合消隐及均衡脉冲外，还含有彩色信号的色度信号与保证彩色稳定的色同步信号。为了实现兼容，我国彩色电视制式中规定: 负极性亮度信号仍以扫描同步电平最高，为100%，黑色电平即消隐电平为72.5%～77.5%，白色电平为10%～12.5%。色度信号电平叠加在亮度信号电平上，它们叠加后的复合信号波形，与扫描所需的行、场同步信号，色同步信号以及消隐信号共同构成了彩色全电视信号。

本实验中视频信号由CCD提供，视频信号连接至主机半导体激光控制器，再驱动635nm半导体激光器发送光信号。

图27.3是视频接收端的电原理图。Si-PD将光信号转换为相应的电流信号，由OA2进行放大和移位，R6用于对接收到的信号进行补偿。将OA2输出的视频信号连接至S12，再由同轴电缆连接到监视器的视频输入端。

图27.3 视频接收端电原理图

【实验仪器】

CA9005信息光电子综合实验系统、实验用电路板、635nm半导体激光器、Si-PD、彩色CCD、平凸透镜(www.daowen.com)

【实验内容及步骤】

(1)实验光路准备

①将635nm FP-LD、Si-PD用长支架固定于平台两端，将2个50mm焦距平凸透镜用短支架固定于磁性表座上，再置于相应的准直位置，分别组成发送端和接收端。

②连接Si-PD信号至主机PD输入端口，连接635nm半导体激光器控制信号至主机LD1端口。

③检查电路连接无误后打开主机电源。

④设置LD1工作模式(MOD)为恒流驱动(ACC)，635nm FP-LD为恒定电流工作模式，驱动电流(Ic)置为20mA。

⑤设置测量模式(OPMMOD)为PD/AM模式，量程(RTO)切换至1mW。

⑥调节各光学器件高度和位置，使得Si-PD接收到的信号最大。

(2)实验电路准备

①将实验电路板电源连接至主机DC2端口。

②连接Si-PD信号输出至实验电路板S12端口，连接635nm半导体激光器控制信号至主机LD1端口。

③按实验电路图连接线路。

(3)电路调试

①检查电路连接无误后打开主机电源，再打开实验电路板电源开关，此时红色电源指示灯亮。

②将CCD的视频输出信号连接至示波器CH1输入，观察并记录视频信号波形和幅度。

③设置主机LD1工作模式(MOD)为模拟调制模式(OAM)，635nm激光器输出光功率受6MHz带宽视频信号调制。

④用示波器观察OA2输出信号(S10)，调节主机LD1电流Ic和实验电路R4、R6，使得OA2输出波形与CCD的视频输出信号波形一致。

⑤连接OA2输出至监视器，微调各参数，使得接收到的图像有最小失真。

【思考题】

(1)电视的信号中包括哪几种信号?

(2)电视的清晰度与什么有关?

【注意事项】

(1)彩色CCD、各光学器件的光学表面禁止直接用手触摸和接触硬物，只能用专用镜头纸清洁。

(2)激光器通电后不能对准人眼，以免损坏视力。