珍惜視力 當心雷射
0x00 關於題目
本文源自 106-1 自主探索實驗物理期末報告， 原報告題目為雷射定向電話。 顧名思義，雷射定向電話就是將雷射光作為電話來使用，至於定向二字，源自於雷射高指向性的特性， 其所傳送的訊號會高度的聚集在特定的方向上。
這個專案是對於光通訊的一種嘗試，最後成功在落雨的情況下，於室外傳送超過 70 公尺。
HAIYAA
-Uncle Roger, 2020
0x10 關於原理的小簡介
一道完美的光束是沒有辦法帶有任何訊息的，要達成利用雷射光來傳送的目標，就必須變雷射光束。 但由於直接的調變雷射光的頻率實在是太太困難，而調變振幅又極為容易受到環境的影響， 最後決定使用脈衝調變的方式來傳送訊號，總共有兩次調變，分別是將類比聲音訊號轉為脈衝的 PWM ， 和將脈衝加入雷射的 OOK。
0x11 脈波寬度調變（Pulse Width Modulation，PWM）
PWM 技術是一種將類比訊號調變制脈衝訊號中的方式，具體操作方式可見圖一。要使用 PWM 除了訊號波（藍）之外必須另外提供一高頻的三角波（紅）當作基準，當機制啟動時，PWM 會不斷地比較訊號波與載波的相對大小，當訊號波大於載波時輸出（綠）為 on，反之則為 off。訊號載於輸出的佔空比上。由於已經轉換為數位訊號，在接收端只要干擾不大於原本訊號之一半，皆可還原出原本的訊號。
載波的頻率選擇依據取樣定理，必須至少大於訊號波頻率 2 倍以上才能還原整個頻帶，但由於此處的編解碼電路並非完美，且類比電路無法進行大量繁複的運算，實際選用頻率會高於理論極限不少，本專題確定使用的頻率將在後方編碼端電路一節給出。
選用PWM來做為本專題的編碼方式主要原因有二：
- 因為要進行空氣中的傳輸，如果直接使用類比的音訊訊號，在經過空氣時因空氣擾動所造成的雜訊無法校正，會嚴重影響最後的音質，故可以容易校正訊號的數位訊號較為適合。
- 數位訊號的選擇，除了 PWM 之外，亦可選擇傳統上以位元編碼再以循序的方式傳輸，此方法可以保證還原的不失真，但缺點明顯的是需要大量的運算，絕非無處理器的類比電路所可以處理。在考量本專題所要傳播的訊號為音訊，其資訊量並不大，利用 PWM 犧牲部分可承載訊號的部分容量來換取降低電路實作的複雜度。
0x12 開關鍵控（On Off Keying，OOK）
OOK 技術，是利用開與關來承載訊訊號，其運作方式參考圖二。相對於訊號（藍）而言，載波（綠）的頻率極高，因此，相較於載波所能承載的訊息理論極限，訊號所有的訊息極少，因此在不使用調變載波的情況下，OOK直接開關載波，來傳輸訊號（紅）。 OOK 技術所最大的限制為載波的頻率要遠高於訊號頻率，否則每次開關的附近因為載波頻率並非無限大而造成的不準確度所佔比例上升，最終會導致訊號無法識別。
本專題選用OOK作為傳播方式的主要原因有二：
- 因為選用雷射來做為在空氣中的傳輸的方式，其頻率極高，且也沒有一樣容易的方法來針對雷射的周期來進行調變。因此其他調變方式基本上對於雷射光而言並不可行。
- 在前一級的訊號調變，訊號已經編碼成PWM的數位模式，可直接耦合做為OOK的開關訊號，並不需要再額外增加介面電路。
NEVER MIND
0x20 系統架構
0x21 頻率決定
在設計系統之前，必須要先決定整個系統的工作頻率，才能計算相關頻率響應的參數， 已經固定的參數包括所承載的類比訊號為聲音，其頻率最高達 20kHz， 而所用的雷射為紅光雷射，頻率約為 400THz。 而根據取樣定理，所選擇的脈衝頻率應該介在 40kHz 到 200THz 之間， 基本上得到上界有點太唬爛的，不需要納入考慮， 而另外一個需要考慮的是儀器的極限，由於本專題真的窮，儀器幾乎都是從資源回收場撿回來的（非唬爛，參閱下段）， 如果脈衝頻率設定的太高，會產生測量不到實驗結果的窘境。
綜合考量，最後使用的脈衝頻率為 500kHz。
為了證明不是我不是在唬爛，這裡提供附圖，大概專案的第三週，就開拔到台大的廢品倉庫做了一個下午的資源回收， 附圖三是後方，大概是從一層辦的高度拍出去的， 門外是另外一個差不多的房間，要進到這裡要先攀上半層樓高資源回收， 再爬過門上方儘剩的一點空間，才能進到後方，如果爬一爬手機掉了大概就沒辦法找回來了。
倉庫中充滿各種奇妙的器材，本專案用的儀器包括示波器、電源供應器和訊號產生器， 以及材料的雷射源、喇叭和鉛酸電池都是從該處撿回來的。
0x21 系統子模組
毫不意外的，分成編碼、傳輸和解碼三個子模組， 每個子模組又拆成兩個部份，細部的設計參考之後幾節的內容。
回收資源好處多 點石成金造資源
-行政院環境保護署
0x30 編碼端設計
0x31 電源電路
毫無反應，就是個電源電路。
這部份其實和專題的其他部份毫無關係， 在研究中的過程中也一直是利用雙電源供應器進行供電，是直到最後要轉移到 PCB 板上時才發覺 HAIYAA ， 在室外要帶兩顆電池根本愚蠢極了，才加上這個部份的設計，主要便是要提供穩流以及雙電源的產生。
- 為保護後端電路的安全性，雖在接頭處有防呆機制避免電源反接，此處再利用 D1 二極體反接做第二道防護，當電源反接時，D1 導通，導致電源短路，保護後方電路不被影響。
- 雙電源產生，U1為LM358運算放大器（Operational Amplifier，以下縮寫為OPA），其組態為一電壓隨耦器（Voltage follower），其追隨的電壓為R1與R2兩個阻值相同的電阻所切分出來的相對中點，使得輸出除了原本的12V之外來有一相對的中點，在後方的運用中，把這三個接點視為正電，虛擬地與負電，將一單電源輸入轉換成對稱雙電源。
0x32 PWM 產生
就醬。
0x33 三角波產生器
如圖六，U3 的組態是一 Schmitt trigger，為一正回授組態，會比較輸入是否超過閾值並輸出數位訊號。U4的組態為一 Integrator，會將輸入的訊號積分後輸出。U3 和 U4 的耦合方式為，U3 的輸出數位訊號（即方波）送至 U4 積分得到三角波的輸出，而此三角波訊號回授送至 U3 做為輸入，在電壓達到一定大小的時候改變 U3 輸出的高低。 此三角波產生器的輸出可以計算如下 $f = R_1/(4RC)$, $V = Vs \times \frac{R2}{R1}$
0x34 麥克風電路
其實這部份也不是太重要，因為在實際測試中，要不停使用智人喉部產生噪音實在太過辛苦，
因此不多數時間都是使用手機的耳機輸出來作為訊號源，但務必注意
一定要做 AC Coupling !!!
一定要做 AC Coupling !!!
一定要做 AC Coupling !!!
不然手機會燒掉QQ
0x35 比較器電路
比較器選用 LM393，參考規格表，其 Response time 為 165ns，換算為頻率為 3MHz，遠超過載波的頻率。另外，由於具有開集極（Open collector）輸出，在輸出時必須接一上拉電阻（Pull-up resistor）來提供輸出電流並且確定集極偏壓。使用開集極輸出在本專題的優點為，此輸出會直接耦合到下一段雷射驅動電路的開關上，當雷射啟動時需要大量的電量，超出一般典型 OPA 所能提供的數值，利用開集極輸出，可以將這一部份的電流需求轉移到電源上，降低 OPA 的負擔。
如圖七，為比較器電路實際的設計情形， C5 、R7 與 C6 、 R8 構成兩對高通濾波器（High-pass filter），換算其截止頻率（Cutoff frequency）為 16Hz，目的是為了讓訊號與載波以 AC 耦合（AC Coupling）的方式送入比較器內，避免在前兩個模組因為元件不平衡所造成的直流偏壓送入比較器內，造成長期系統性的誤差，影響 PWM 的效果。
R6 為上拉電阻，阻值取決兩個部分：
- 下限由電路的功耗給出，考慮輸出電晶體導通時（即輸出低電位），R5 上的跨壓大致上為定值 V+， 此時，電阻消耗的功率與阻值成反比，此功率完全為無效的熱耗散，因此 R5 取得太小會使的整電路過於耗能，並且出現散熱相關的問題。
- 上限由欲輸出的電流大小決定，考慮輸出電晶體截止時（即輸出高電位），假設輸出電流恆定（此為下一級雷射電路的設計方針），則輸出端的壓降正比於 R5，當 R5 取得過大時，壓降會過大導致電晶體脫離偏壓點，而電流恆定的輸出狀態也會被破壞。下一節會得到，電流輸出大致為 2mA。
按圖施工，保證成功
-你聽誰說ㄉ，從來沒這種事好ㄇ
0x40 雷射部份設計
雷射是這個專題中最耗時間的部份，聽起來合情合理，畢竟題目就是雷射嗎（X
雷射的麻煩之處在於，這個專案很窮，用的雷射都是來自於光碟機上雷射二極體， 拆下來之後，沒有任何的 spec ，我對這顆二極體根本一無所知，只能慢慢把相關的參數給試出來。 而二極體又異常的嬌貴，只消有一瞬間的電流過大，就會失去功能。
所幸（？光碟機慢慢過氣，回收場電腦中的 CPU 之類的可能被偷拔走，但是光碟機一定不會， 在犧牲了十幾台光碟之後，已經練就半分鐘拆出雷射二極體的本領。
0x41 如何拆出雷射二極體
要觀察燒錄機內部實際運作的情形，可以將一台可以正常運作的燒錄機外蓋拆除，在不改動內部的線路的情況下將其接回電腦。再將電腦重新開機，在 BIOS 進行加電自檢的時候，燒錄機會示範一些基本的功能，對本專題有用的訊息有雷射位置的確定以及聚焦透鏡的移動。可以得知，雷射位於讀寫頭上，在確定位置之後，以下是取出一個可用讀寫頭的具體步驟：
- 如圖八，移除外殼上的螺絲之後，即可取下外蓋。
- 如圖九，讀寫頭及在兩個軌道之間，要取下讀寫頭最方便的方法為打開其中一隻軌道的一個固定點，接著即可以將讀寫頭拉出，過程中的所有線路都不影響讀寫頭功能，可以直接剪除。
- 如圖十紅圈處，在側邊或後側會有鄰近的三個接點，此即為雷射二極體的焊點，直接利用焊錫將此三點引出進行測試，具體腳位可以參考規格書（如果知道雷射二極體編號），或是利用三用電表上的 LED 測試孔進行確認。
- 如圖十橘圈處，摘除最上方的透鏡，此透鏡為燒錄機將雷射聚焦至光碟片上所使用，其焦距極短，對於遠距離傳輸並沒有幫助
- 除非有其他解決散熱的方式，不需要將雷射二極體從讀寫頭中取出，因為都有用導熱材質固定於上面，整顆讀寫頭的金屬塊材都做為其散熱片使用。裸露的雷射二極體在通過 200mA 的電流（本專題的工作電流）下，數秒後亮度即開始下降，大概 20 秒之後便進入黯淡的穩定態，並持續地放出熱量，完全無法使用，但降溫之後在上電，還是可以回到原本的亮度，這個過熱的影響是可逆的
- 除非有其他聚焦的方式，不需要將雷射二極體從讀寫頭中取出。讀寫頭的聚焦過程大致上分為兩個階段，首先是將雷射二極體發出的光聚焦成平行光，在經由一塊反射鏡將其方向轉為向外，再來是利用一塊可調式透鏡調整位置，進而將焦點固定在光碟片上達到資料讀寫的效果。顯然的對於我們的專題只需要使用第一部分的光學組件，而第二部分的透鏡已經在最後一個步驟被摘除。
- 有些讀寫頭上同時有兩個雷射二極體，一顆功率較高而一顆另一顆較為黯淡，在數公尺之外就已不明顯，如果通上適當的電流之後仍覺得太過黯淡，除了二極體燒毀壞也有可能是找到了錯誤的那顆，可以在嘗試尋找其它接點。
0x42 OOK 與雷射二極體驅動電路
雷射二極體，本質上為一經過特殊設計的 PN 接面（PN junction），其特性對於流經的電流即為敏感，為了方便給予適當的偏壓和維持穩定的亮度，本專題決定以定電流源來推動負載。
如圖十一所示，此電路為雷射的偏壓與 OOK 的開關結合，其下半部是由 LM317 所構成的定電流源，定電流源詳細參考圖十二，摘自其規格書。LM317 為一線性穩壓器（Linear Voltage Regulator），其在正常工作時會保證 OUT 與 ADJ 兩接腳之間電壓差為 1.25V，並且 ADJ 接腳之輸入阻抗為無窮大。定電流源的工作原理即利用此二特性，R1 兩端的跨壓恆為 1.25V，因此可以藉由 R1 的阻值決定流經的電流，而當電流從 OUT 接腳流出後，因為 ADJ 接腳輸入阻抗無窮大沒有電流流入，因此所有電流都流向負載，而此電流值只由 R1 所決定，因此改變 R1 阻值即可得到不同量值之定電流源。本實驗定電流源工作在 200mA。
而上半部 Q1 即為開關電路之開關，其基級（Base）為從上部分引入之 PWM 訊號，在典型的 BJT 電流增益（Beta）約為 100mA/mA 的情況下，可以計算出從基級流入電流約為 2mA，此即為前一節在設計開集極輸出上拉電阻時要考慮的部分。
0x43 光偵測器
列入光偵測器考量名單的元件有光敏電阻（Photo resistor）、光電晶體（Phototransistor）與光二極體（Photodiode），最後決定以光二極體做為光偵測器，各有其考量：
- 光敏電阻查規格表得知 Response time 約為40 ms，換算之後為 125Hz 遠低於 500kHz 的工作頻率，並無法做為光接受器使用。
- 光電晶體查規格表得知 Response time 約為200 ns，換算之後為 2.5MHz 超出工作頻率許多，但相較於光二極體必須使用更複雜的偏壓電路，因此並沒有採用。
- 光二極體查規格表得知 Response time 約為10 ns，換算之後為 50MHz 超出工作頻率許多，而在使用上，僅需提供PN結一逆向偏壓即可。
0x44 光二極體偏壓電路與比較器電路
如圖十三，為光接受器的電路，其左側為光二極體的偏壓電路，其中光二極體為逆向偏壓，原因是為了減少內部空乏層的大小，以增快反應速度。
光二極體的輸出經由 C7、R13 所組成的高通濾波器送入比較器，比較器具體的討論可以參考前一節，在架構上是相同的。此一比較器的功能是進行校正，由於輸入的雷射是經過空氣傳輸到達接收器的，必然會受到雜訊的干擾，但已知輸入訊號是數位的情形下，只需要檢驗數入的訊號是否超過基準值，便可以判定訊到為高準位或是低準位。此一方法可以在雜訊大小低於訊號大小時適用，當雜訊大小高於訊號時，便可能發生誤判，即原本處於高準位的訊號被翻轉為低準位，或反之，對一此一沒有進行編碼校驗的系統，並無法防範並糾正如此的誤判情形，應當認為，傳輸的環境太過雜亂，不適合傳送訊號。
很好喔
-魚骨, 201X
0x50 解碼端設計
由於 PWM 訊號的解碼非常簡單，就只是單純的帶通率波器，因此解碼端就是一個標準的輸出級。
0x51 濾波器
如圖十四，此一濾波器有五個電容所組成，是三個低通濾波器和二個高通濾波器串聯所組合而成的帶通濾波器，參考圖十五，為其 Bode plot，可以看出，綠線標出的為增益 -3dB 的位置，而和綠線的相交處即為截止頻率的位置，這邊的截止頻率設計在 20Hz 與 60kHz。採用帶通濾波器的原因上下兩個截止頻率分別有不同的原因：
- 除低頻部分主要原因是在單純使用高通濾波器下，可以明顯的聽到聲音的大小隨時間在起伏，是因為數 Hz 的訊號雖然人耳不可聽見，但頻率過於低，人耳可以感覺到在不同相位時的效應，因此，為了避免其效應干擾，採用高通濾波器濾除其，而截止頻率的選擇，則是因為人耳所能感受到的聲頻下限為 20Hz，為避免失真，保留 20Hz 以上的頻段。
- 濾除高頻部分主要原因是要將PWM的訊號還原成聲波，從前面的討論，PWM 是數位的訊號，帶有相當程度的高頻漣波來維持其近似方波的形狀，要還原出聲頻訊號最重要的一步便是將這些額外附加的高頻段濾除，還原原先的狀態。
此外，雖然高頻的部分在放大之後人耳也無法察覺，以及功率放大器本身就有響應頻率的上限，將方波送入後輸出波的色散某種程度上也是在進行濾波的功能。但在嘗試將未經過處理的PWM訊號送入功率放大器後發現，此方法雖然是可行的可以聽得一部份的聲音，但品質非常的糟糕。主要原因是功率放大器並非理想，其有所能輸出的電壓上限，而有些時候高頻段相對於訊後比例其實不低，導致高頻訊號在放大過程中飽和，而衍生出其他頻段的雜訊，有些落在可聽見頻率段的便開始干擾音質。
R16 與 R19 構成可變電阻，其功能是調節送入功率放大器的訊號大小，進而控制輸出音量。
0x52 功率放大器
一般來說，功率放大器的設計是為了在低失真的情況下，盡可能的驅動負載。在本專題選用的功率放大器為 LM386，為一顆 1W 的音頻放大器，設計為推動喇叭所使用，頻寬為 300kH 涵蓋人耳可聽見的範圍，另外預設為 20V/V 的放大率，可以在提供電源而不改動回授的情況下使用。
如圖十六，這裡採用的是兩顆 LM386 組成 Bridge mode 來推動喇叭，其原理為將兩顆功率放大器的輸入反接，這樣在非零訊號時，兩顆放大器就會有等大的相反輸出，將此二輸出分別接到喇叭上，相當於兩顆功率放大器一推一拉負載。這樣做的優點有二：
- 提高驅動喇叭的功率，由於兩顆功率放大器分別負擔所需的能量，因此輸出的功率可變為兩倍。
- 避開接地的問題，參考圖，擷取自規格表，當使用單一顆功率放大器時，由於電路非對稱的因素，在輸出與地之間有非零的直流偏壓存在，若此時直接將喇叭接上，會有一直流電流流過喇叭，除了會導致額外的熱功耗之外，長久下來亦會磁化喇叭造成損害。因此，在輸出與負載之間須掛上電容隔離輸出直流部分，但相對的，因為電容對不同頻率的響應不同，會造成音質的偏差。使用 Bridge mode 可以讓負載的兩端提升到幾乎相同的直流位準，因此可以在不使用電容的情況下驅動負載。
另外，因為功率放大器具有一系列接腳相同但輸出功率上限不同的型號（例如LM386、LM380與LM384）在電源可以負荷的情況下，可以利用更換 IC 簡單的達到輸出的升級。
Yeeeeeee
-Dinosaur Adventure, 2012
0x60 實做與測試
0x61 雷射光斑大小測試
本專題使用的雷射為燒錄機之讀寫頭，光斑大小的測試主要是要確認讀寫頭光學元件所校準的平行光是否符合需求，參考圖十七，為實驗結果，本專題的目標為能橫越醉月湖的雷射電話，而湖的長軸約為130m，直接外插實驗結果，光斑尺寸還在合理可以聚焦的範圍。
0x62 麵包版實驗
如圖十八，本專題的第一步是在麵包版上佈出各元件並接線，驗證各個組件是否如同理論上預期運作，並逐一進行單元測試。主要得確認的項目有：
- 模組是否按照預期運作。
- 各元件是否按照規格書所紀錄性質運作，是否有購得損壞的零件。
- 是否有額外的非理想效應產生。由於元件均有其非理想效應，操作在較嚴苛條件時這些特性會更明顯。由於此專題的載波工作在 500kHz ，已達AM廣播的發送頻率，電路在設計上容易放大這些電波造成雜訊，因此在單元測試之後，重新計算調整了部分模組的響應頻率，並加入了許多旁路電容（Bypass capacitor），以減低對某些特定頻率雜訊的響應。
0x63 萬用板實驗
本專題因為分為接受與發射兩個部分，接收端接受音訊輸入輸出PWM訊號，可以以訊號產生器或以 3.5mm 端子輸入，而輸出可以直接以示波器測量驗證。但輸出端由於接受PWM輸入，在測試上並沒有一個容易的方法提供訊號輸入。因此在完成發射端的測試之後，即把發射端移植到萬用板上，並加上臨時的兩個 9V 電池做為電源供應，方便之後接收端的實驗。
如圖十九，為利用 DIY layout creator 軟體所繪製的電路圖；圖二十為實際焊接後情形。
0x64 音質測試
音質測試的目的是為了驗證在經過長距離傳輸之後，空氣的擾動會不會影響編碼在雷射光內的訊息。在完成接收端的模組的測試之後，在深夜將已經移植到萬用板的發射端移至走廊末端，於另一測接收雷射光，實驗結果為只要將光線都重新聚焦至光二極體上，並不影響音質。
0x65 組裝
最後為了提高成品的可以攜出使用的方便性與完整性，將整個專題封裝至鋁盒中，主要分為電路板與外部接腳兩個部份。
電路板此處選用可焊接式的麵包版，選用的原因是因為與麵包版有高相似性，在小部分改動的情況下，即可完成移植。
外部接腳，是內部電路與外部交換資訊的介面，總共在鋁盒上開了8個孔洞，分別對應不同的功能，後方為電源插座，前方上排為發射端之雷射與麥克風，中排為接收端之光二極體與喇叭，而下排則為電源開關、電源指示燈與音量調節鈕。
0x66 跨越醉月湖傳輸
由於醉月湖當時在進行工程，此測試在湖畔的樹林中進行，在地圖上可以測量測試的距離約為 75m ，介於湖的長短軸之間。測試情形如圖二十二，將發射端置於遠方並撥放連續的音樂，在接收端嘗試接受雷射訊號，並聆聽在各種條件下的聲音品質。實驗的結果下：
- 光斑直徑約為 15cm，在不使用放大鏡進行額外聚焦的情況下，可以聽見音樂並且分辨歌詞的內容，但音質不佳，僅限於剛好聽見而已，但若做為電話傳輸聲音已經足夠使用。
- 利用放大鏡可以重新聚焦雷射光將其集中在光二極體上，若確實將光桿的中心部分聚焦，音質佳，可以分辨音樂中的細節，再次支持前面音質測試的假設，只要能夠重新聚焦，音質並不太受到傳輸距離的影響。
- 在實驗時要下小雨，亦測試雨滴等異物出現在光路上對音質的影響，在實驗中發現，當雨下得越大的時候，聲音瞬斷的現象越明顯，推測是由在光路上的雨滴所造成的散射效應過大，導致訊號被影響。可以確定，小雨對傳輸視沒有影響的，但具體的效應還得做實驗確認。
窩也不知道
-就說不知道ㄌ吼= =
0x70 DEMO
在很久的以後 你是否記得我
0x80 小結
如需要完整報告參考或是有製作問題，請在來訊詢問。
修課一定有風險 學分投資有賺有賠 上車前應詳閱公開說明書