應(yīng)用分集接收技術(shù)的LED可見光音頻傳輸演示裝置

劉澤暢，馮雅莉，張 尊，高洪民

(北京理工大學(xué)，北京 102488)

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應(yīng)用分集接收技術(shù)的LED可見光音頻傳輸演示裝置

劉澤暢，馮雅莉，張 尊，高洪民*

(北京理工大學(xué)，北京 102488)

演示裝置通過在接收端以多個(gè)光敏二極管進(jìn)行分集接收的形式完成信號接收，達(dá)到演示可見光光通信目的。該裝置性能穩(wěn)定、操作方便，能直觀演示整個(gè)傳輸過程，能夠使學(xué)生更深入全面地理解可見光通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

白光LED；可見光通信；分集接收技術(shù)

白光LED被稱為第四代環(huán)保照明產(chǎn)品。與傳統(tǒng)照明光源相比，白光LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)且可以實(shí)現(xiàn)高速調(diào)制，因此更適用于高速數(shù)據(jù)通信。將白光LED照明系統(tǒng)和通信技術(shù)結(jié)合為人們提供了一種全新的無線光通信技術(shù)——可見光通信VLC(Visible Light Communication，簡稱VLC)。分集技術(shù)是用來補(bǔ)償衰落信道損耗的，它通常利用無線傳播環(huán)境中同一信號的獨(dú)立樣本之間不相關(guān)的特點(diǎn)，使用一定的信號合并技術(shù)改善接收信號，來抵抗衰落引起的不良影響，傳統(tǒng)上用于短波通信來克服多徑衰落的影響。分集接收技術(shù)應(yīng)用于LED可見光音頻傳輸演示裝置，可以避免出現(xiàn)因光信號在傳輸過程中衰減、背景光干擾導(dǎo)致的傳輸中斷的情況，使演示過程高效準(zhǔn)確地進(jìn)行，從而加強(qiáng)演示裝置的精確度和可信度，在演示過程中有利于學(xué)生增強(qiáng)對通信技術(shù)的了解，深入理解可見光通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用[1-4]。

1 接收端分集接收的原理

裝置對接收端進(jìn)行了改進(jìn)，應(yīng)用多個(gè)光敏探測器進(jìn)行信號的多路分集式接收。這樣在信號傳輸過程中，只要不是所有的探測器都被遮擋，就能夠進(jìn)行正常的信號傳送，而且即使光源角度發(fā)生變化，也總會有探測器能夠接收到較強(qiáng)的光信號[5-8]。

在接收端，將多個(gè)探測器均勻放置在一個(gè)半球面上，它的個(gè)數(shù)和分布受具體的通信環(huán)境影響[9-12]。對于單個(gè)光敏探測器接收到的光功率滿足公式(1)：

(1)

其中，A1是光敏探測器的光敏面面積，Dd1是探測器到光源的距離，Φ1是光源的發(fā)光角度，ψ1是入射角。對于同一個(gè)白光LED光源，它的半值角是確定的，即對于不同的光電探測器m值相同。因此在下一個(gè)探測器處接收到的光功率滿足公式(2)：

(2)

公式(2)中各項(xiàng)的意義和公式(1)中相同。若選取的光電探測器的規(guī)格相同，則A1=A2，又因?yàn)樘綔y器所在半球面的半徑遠(yuǎn)小于光源到光接收機(jī)的距離，因此可以把探測器所在的半球面看成一個(gè)點(diǎn)，就有Dd1=Dd2，?1=?2，光集中器的增益只和探測器本身的接受視角有關(guān)[13-14]。綜合考慮接受效果和探測器個(gè)數(shù)后，選擇兩個(gè)探測器之間的位置關(guān)系滿足公式(3)：

(3)

圖1 分集接收時(shí)探測器的布局圖

2 實(shí)驗(yàn)裝置

總體工作流程框圖如圖2所示。

圖2 工程流程框圖

應(yīng)用分集接收技術(shù)的LED可見光音頻傳輸演示裝置包括發(fā)射模塊、接收模塊和外置電源模塊；發(fā)射模塊包括白光LED燈支架與白光LED燈106、白光LED燈驅(qū)動電路105、信號放大電路104、MP3語音播放模塊103；接收模塊包括分集接收模塊107、比較器108、繼電器109、揚(yáng)聲器112、多級放大電路110、功率放大器111；外置電源模塊包括5V直流電源適配器101、開關(guān)102。

分集接收模塊中光敏二極管的分布如圖3所示。

圖3 分集接收模塊中光敏二極管分布圖

分集接收模塊107包括三角支架207與四個(gè)光敏二極管；四個(gè)光敏二極管為四個(gè)相同的光敏二極管，分別為第一光敏二極管201、第二光敏二極管202、第三光敏二極管203和第四光敏二極管204；第一光敏二極管201、第二光敏二極管202、第三光敏二極管203均勻放置在一個(gè)半球面上，均與水平面呈60°夾角被安裝在三角支架207上，每個(gè)光敏二極管的表面均與球面半徑垂直；在三個(gè)光敏二極管的中間位置，即在球面頂部的水平位置，安裝第四光敏二極管204。白光LED燈206固定在另一豎直支架205上，兩支架相距1 m正對放置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在分集接收的電路設(shè)計(jì)中，需要從四個(gè)接收器接收到的四路信號中選取一路信號最強(qiáng)的，作為通信信號。如圖4所示。

四個(gè)信號發(fā)生器代表哥四個(gè)光敏二極管,1號和2號光敏二極管探測到的信號經(jīng)過比較器進(jìn)行比較選通信號強(qiáng)的一路； 3號和4號光電探測器比較后也選通信號強(qiáng)的一路；最后再比較兩路選通信號，從中選出信號最強(qiáng)的一路，進(jìn)行選通輸出。本文中某一路信號的導(dǎo)通或截止是通過繼電器來實(shí)現(xiàn)的。

在Multisim軟件中仿真設(shè)計(jì)的分集接收電路，仿真結(jié)果為：

1.當(dāng)四個(gè)信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號均是方波時(shí)(方波對應(yīng)于數(shù)字信號)，它們的幅值分別為10 V,8 V,6 V,4 V，最終輸出的是幅值為10 V的方波，如圖5所示：

圖4 多路信號選通電路設(shè)計(jì)圖

圖5 輸入方波仿真結(jié)果圖

2.當(dāng)輸入端均是正弦波時(shí)(即模擬信號)，它們的幅值分別為10 V,8 V,6 V,4 V，最終輸出的是幅值為10 V的正弦波，如圖6所示：

從圖6的仿真結(jié)果可以看出，不管輸入是正弦波還是方波，設(shè)計(jì)的分集接收電路都可以從接收到的四路信號中選通信號幅值最大的一路進(jìn)行傳輸，從而使演示過程順利進(jìn)行。

圖6 輸入正弦波仿真結(jié)果圖

5 結(jié) 論

利用LED燈發(fā)光強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)高速的特性，通過LED發(fā)出高速明暗閃爍信號來傳播信息；與現(xiàn)有技術(shù)相比，在接收端采用分集接收技術(shù)，增加接收端光電探測器的個(gè)數(shù)，增加了接收面積；對多個(gè)光電探測器進(jìn)行合理布局，克服不同路徑引起地碼間干擾的影響，避免出現(xiàn)因光信號在傳輸過程中衰減、背景光干擾導(dǎo)致的傳輸中斷的情況，保證信息傳遞的暢通，準(zhǔn)確接收信號，使演示過程高效準(zhǔn)確地進(jìn)行。能直觀高效地展示可見光通信技術(shù)，并應(yīng)用于可見光語音通信。

[1] 于志剛，陳長纓，趙俊.白光LED照明通信系統(tǒng)中的分集接收技術(shù)[J].無線光通信，2008,9(17).

[2] 云文岳．室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)研究：[D]．長春：長春理工大學(xué)，2008.

[3] 徐國芳，饒海波.白光LED的實(shí)現(xiàn)及熒光粉材料的選取[J].現(xiàn)代顯示,2007,78:59-63.

[4] 丁德強(qiáng)，柯熙政，李建勛.VLC系統(tǒng)的光源布局設(shè)計(jì)與仿真研究[J].光電工程，2007,34(1):131-134.

[5] 丁德強(qiáng)，柯熙政.一種通用白光LED數(shù)學(xué)發(fā)光模型研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010,30(9):2536-2540.

[6] 胡國永，陳長纓，陳振強(qiáng).白光LED照明光源用作室內(nèi)無線通信研究[J].無線光通信,2006,7:46-48.

[7] 傅倩,陳長纓.改善室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)性能的關(guān)鍵技術(shù)[J].自動化與信息工程,2010,2:4-7.

[8] 薛德寬,黃興洲,位浩杰,等.基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀[J].物理通報(bào),2015(8):82-85.DOI:10.3969/j.issn.0509-4038.2015.08.025.

[9] 劉宏展，呂曉旭，王發(fā)強(qiáng)，等．白光LED照明的可見光通信的現(xiàn)狀及發(fā)展[J]．光通信技術(shù)，2009(7)：53-56.

[10] 王虹，蔡喜平．基于白光LED的可見光通信研究進(jìn)展[J]．半導(dǎo)體光電，2014(01)：5-9．

[11] 張立,朱娜,張寧.ZHANG Li.ZHU Na.ZHANG Ning 室內(nèi)LED光無線通信多徑效應(yīng)抑制[J]．通信技術(shù)，2010,43(7):10-14．

[12] 任鳳娟,孫彥楷.Ren Feng-juan.Sun Yan-kai 白光LED可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J]．電子質(zhì)量，2010(5):42-45．

[13] 張林.虛擬仿真技術(shù)對大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)影響及探究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2015(2)：116-118.

[14] 張風(fēng)昀，王雪鵬，董開拓.不同光源對普朗克常數(shù)實(shí)驗(yàn)測量的影響[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2016(2)：98-100.LED Visible Light Communication Device Based on Diversity Reception

LIU Ze-chang,FENG Ya-li,ZHANG Zun,GAO Hong-min

(Beijing Institution of Technology,Beijing 102488)

In order to demonstrate the visible light communication,the device receives the signals by using diversity reception of photodiodes in the receiver.This device works steadily and operates easily,and it demonstrates the whole transmission process intuitively,which can help the students understand the practical application of visible light communication technology more deeply and more roundly.

white LED；visible light communication system；diversity reception

2016-04-14

北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(2015年-079)

1007-2934(2016)05-0015-04

O 4-33

A DOI：10.14139/j.cnki.cn22-1228.2016.005.004

*通訊聯(lián)系人