基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊曉日

【摘要】 基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，充分的利用了LED的優(yōu)點(diǎn)，能夠在LED可見(jiàn)光上進(jìn)行信號(hào)的傳輸，并且該種通信技術(shù)還具有無(wú)電磁干擾、發(fā)射功率高以及對(duì)人眼無(wú)害等眾多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的推廣和應(yīng)用在通信領(lǐng)域。因此，文章研究了大功率LED輻射模式，設(shè)計(jì)了基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，以供參考。

【關(guān)鍵詞】 大功率 LED 可見(jiàn)光通信系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

一、前言

現(xiàn)階段，通過(guò)利用LED的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LED和通信的融合，逐漸的形成一種全新的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，該種通信技術(shù)和傳統(tǒng)通信技術(shù)相比，具有不受電磁干擾、降低成本、提高私密性和安全性、寬帶高、覆蓋面廣等眾多優(yōu)點(diǎn)。但是，基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，需要對(duì)大功率LED的輻射模式進(jìn)行研究，并嚴(yán)格的控制可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)要點(diǎn)，以便于更好的提高基于大功率LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，更好的滿(mǎn)足通信要求。因此，文章針對(duì)基于大功率LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、大功率LED輻射模式研究

LED燈的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)隨著輻射角度的變化發(fā)生一定的變化，所以接收端在不同角度接收到的光強(qiáng)度也存在差異。通常狀況下，LED燈具的輻射特性服從朗伯輻射模型，由發(fā)光芯片參數(shù)決定模型的朗伯模式和朗伯分量的方向性，由LED自身結(jié)構(gòu)的透鏡參數(shù)、密封層以及反射片等決定LED發(fā)光模式中的高斯模式以及高斯分量的方向性。LED發(fā)光強(qiáng)度模型包括兩種，即余弦類(lèi)發(fā)光模型（公式1）和高斯類(lèi)發(fā)光模型（公式2），分別表現(xiàn)為：

式中：i表示模式序號(hào)；I（θ）表示發(fā)光強(qiáng)度分布函數(shù)；θ表示發(fā)射角；c1i、c2i、c3i表示余弦發(fā)光模式參數(shù)；g1i、g2i、g3i表示高斯發(fā)光模式參數(shù)。

為了獲得一種通用的發(fā)光模型，可以對(duì)不同的分量進(jìn)行線性重疊，這樣能夠獲得全新的發(fā)光模型：

式中：η0表示朗伯傳遞函數(shù)；ηi表示高斯模式權(quán)重系數(shù)；m表示朗伯模式的方向性指數(shù)；wi表示高斯法功模式的光斑半徑；k表示高斯模式分量的數(shù)量。

三、基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：

1、調(diào)制、編碼和解調(diào)技術(shù)。現(xiàn)階段，可見(jiàn)光通信系統(tǒng)通常采用強(qiáng)度調(diào)制的直接檢測(cè)非相干系統(tǒng)，并采用二進(jìn)制啟閉鍵控編碼的編碼方式。因?yàn)镺FDM能夠有效的降低多徑傳播過(guò)程中符號(hào)間的干擾，和傳統(tǒng)的均衡器單載波系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度較低，通常采用正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2、光源選擇。光源作為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的照明設(shè)備，具有輻射范圍廣、功耗低、散熱小以及亮度高等優(yōu)點(diǎn)，并且作為光通信系統(tǒng)的光源，具有發(fā)射功率大、響應(yīng)靈敏度高、調(diào)制性能好以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在設(shè)計(jì)基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)時(shí)，最好的光源為白光LED。系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的環(huán)境、設(shè)施等不同，為了達(dá)到最佳的通信效果，應(yīng)該保證室內(nèi)光強(qiáng)度分布的穩(wěn)定性，盡可能的防止出現(xiàn)通信盲區(qū)。因此，這就需要根據(jù)房間的實(shí)際狀況，對(duì)LED等的布局進(jìn)行合理的安排。

3、碼間干擾克服技術(shù)。由于受到LED燈分布位置以及大氣信道中粒子散射的印象，會(huì)導(dǎo)致光脈沖、傳輸在時(shí)間上有一定的延伸，所有符號(hào)的脈沖都會(huì)加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的碼間干擾，這就要求采用碼間干擾克服技術(shù)進(jìn)行處理，避免出現(xiàn)系統(tǒng)性能惡化的現(xiàn)象。

4、可見(jiàn)光信道?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)和紅外無(wú)線通信的信道沖激響應(yīng)不同，兩種系統(tǒng)發(fā)生碼間串?dāng)_的原因也存在差異，需要對(duì)時(shí)變信道環(huán)境、多光源的VLC系統(tǒng)的信號(hào)沖激響應(yīng)導(dǎo)致的ISI進(jìn)行深入的研究，這樣能夠有效的解決ISI問(wèn)題。

3.2發(fā)射端設(shè)計(jì)

1、LED驅(qū)動(dòng)電路。采用DD311恒流驅(qū)動(dòng)器能夠?qū)ED驅(qū)動(dòng)電路輸入高達(dá)1A的電流，并且輸入電流的大小可以通過(guò)調(diào)整輸入電流來(lái)進(jìn)行控制。為了提高帶那樣的穩(wěn)定性，應(yīng)該在電源輸入部分輸入100μH的電感，當(dāng)電壓超過(guò)3.3V時(shí)，導(dǎo)通輸出電流；當(dāng)電壓為0時(shí)，將關(guān)閉輸出電流。

2、PWN調(diào)制電路。通過(guò)TL494脈沖寬度對(duì)放大后的音頻信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，通過(guò)調(diào)節(jié)外部電容和電阻調(diào)節(jié)振蕩頻率，通過(guò)對(duì)電容的正極性鋸齒波、控制信號(hào)進(jìn)行比較，調(diào)控輸出脈沖的寬度，為了提高調(diào)制效果，則應(yīng)該將頻率調(diào)制為3×105Hz。

3、前置放大。發(fā)射端輸入音頻信號(hào)電壓峰的峰值為100mV，前置放大電路偷偷農(nóng)場(chǎng)應(yīng)用LM324，供電電源電壓控制在3V-32V之間，靜態(tài)功耗相對(duì)較小，可以對(duì)單電源進(jìn)行兩級(jí)放大，能夠?qū)⒁纛l信號(hào)增大至峰值的五倍。

3.3接收端設(shè)計(jì)

接收端采用最小的失真和附加噪聲，恢復(fù)通過(guò)無(wú)線光信道傳輸后光載波傳播的信息，因此接收端的輸出性能，會(huì)對(duì)可見(jiàn)光通信性能的性能產(chǎn)生巨大的影響。接收端設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：

1、AGC電路設(shè)計(jì)。接收端的主放大器為兩片AD603，采用順序級(jí)聯(lián)方式，由9018完成自動(dòng)增益控制檢波，并且送出控制電壓，通過(guò)兩級(jí)AD603放大的信號(hào)一路由C10傳輸至9018進(jìn)行AGC檢波，另一路由J2送到下一級(jí)通道。隨著信號(hào)輸入增大，9018的瞬時(shí)電流和相應(yīng)的集電極電流也會(huì)隨之增大，同時(shí)增大兩端的瞬時(shí)壓降，降低集電極的瞬時(shí)電壓，隨之降低AGC控制電壓。當(dāng)輸入信號(hào)降低時(shí)，會(huì)增加AGC控制電壓，即輸入信號(hào)的強(qiáng)度和控制電壓成反比，能夠很好的滿(mǎn)足AGC電壓反向控制要求。

2、光電轉(zhuǎn)換模塊。光敏二極管是光電轉(zhuǎn)換模塊的核心，為了保證其能夠正常的運(yùn)行需要加上反向電壓。光電轉(zhuǎn)換模塊采用規(guī)格為（1×1）mm的PIN探測(cè)器，相應(yīng)波長(zhǎng)介于400nm-1000nm之間，對(duì)可見(jiàn)光波段進(jìn)行覆蓋。當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，只有很小的暗電流（飽和反向剩余電流），此時(shí)截止光敏二極管。當(dāng)有光照時(shí)，會(huì)顯著的增加暗電流，產(chǎn)生光電流，并且隨著入射光強(qiáng)度的變化發(fā)生相應(yīng)的變化。如果光線照射PN結(jié)，能夠讓PN結(jié)形成電子空穴對(duì)，在一定程度上能夠增加載流子的密度。在反向電壓的作用下，這些載流子會(huì)隨之漂移，導(dǎo)致反向電流增大，光電流的強(qiáng)度隨著可見(jiàn)光的強(qiáng)弱發(fā)生變化。

四、系統(tǒng)測(cè)試

為了保證基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)具有良好的音頻傳輸功能，則應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)好的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，在距離光二極管1m的位置放置大功率LED，并采用手機(jī)在室內(nèi)進(jìn)行播放音樂(lè)作為輸入信號(hào)，通過(guò)測(cè)試獲得輸出端的波形圖，如圖1所示：

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在進(jìn)行基于大功率LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)LED輻射模型，并嚴(yán)格的控制各個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，主要包括可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)射端設(shè)計(jì)要點(diǎn)、接收端設(shè)計(jì)要點(diǎn)等，并且當(dāng)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成之后，為了驗(yàn)證其音頻傳輸功能，還應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)好的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)測(cè)試獲得的輸出端波形圖，判斷其音頻輸出性能是否符合實(shí)際通信要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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