基于LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李濱 李鑫磊 李童 王夢(mèng)迪

摘 要：為演示可見(jiàn)光通信原理，設(shè)計(jì)了一款簡(jiǎn)易的基于LED的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)⑤斎氲囊纛l信號(hào)調(diào)制為可見(jiàn)光進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸；接收端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為攜帶信息的電信號(hào)，電信號(hào)再經(jīng)濾波、解調(diào)、放大，最終還原出輸入的音頻信號(hào)。

關(guān)鍵詞：LED；無(wú)線(xiàn)通信；調(diào)制解調(diào)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）22-0104-03

Abstract： In order to demonstrate the principle of visible light communication， a simple LED visible optical communication system is designed， which can modulate the input audio signal into visible light for wireless transmission. The receiving end converts the optical signal into an electrical signal carrying information， and the electrical signal is filtered， demodulated and amplified， and finally the input audio signal is restored.

Keywords： LED； wireless communication； modulation and demodulation

1 研究背景及意義

目前比較成熟的可見(jiàn)光通信技術(shù)是光保真技術(shù)[1]，英文名LightFidelity（簡(jiǎn)稱(chēng)LIFI），是一種利用可見(jiàn)光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。這項(xiàng)技術(shù)利用LED燈泡快速閃爍來(lái)傳輸數(shù)據(jù)， 由于閃爍速度足夠快， 所以人的肉眼幾乎感知不到燈泡的亮滅[2]。相對(duì)于當(dāng)前使用的WIFI通信技術(shù)[3]，LIFI通信技術(shù)具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：頻譜寬度方面，無(wú)線(xiàn)電波頻譜很緊密，而可見(jiàn)光的頻譜寬度約為400THZ，比無(wú)線(xiàn)電波多1000多倍；效率方面，無(wú)線(xiàn)電波基站的效率只有5%，大多數(shù)能量只是消耗在基站的冷卻上，而LiFi的數(shù)據(jù)可以并行傳輸，提供照明的同時(shí)進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸，安全性方面，無(wú)線(xiàn)電波很容易被截取，而可見(jiàn)光不能穿墻，甚至不能穿過(guò)窗簾，所以L(fǎng)IFI提供了網(wǎng)絡(luò)的隱私安全，方便等優(yōu)點(diǎn)[4]。

本儀器能夠利用可見(jiàn)光（普通LED照明光、紅色激光）無(wú)線(xiàn)傳輸聲音信息，在發(fā)射端將聲音信息進(jìn)行調(diào)制，加載到可見(jiàn)光上，再輸出端再將攜帶信息的可見(jiàn)光解調(diào)出來(lái)，處理后通過(guò)功放驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器還原出原來(lái)的音頻信號(hào)，此實(shí)驗(yàn)儀器采用可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)傳輸[5]，可以形象觀察到調(diào)制后的可見(jiàn)光，可見(jiàn)光的強(qiáng)度會(huì)隨著音頻信號(hào)的強(qiáng)弱變化而變化[6]，可以接入信號(hào)源和示波器，直觀地看到輸出信號(hào)波形。

基于LED可見(jiàn)光通信是一種新的通信技術(shù)，早在幾年前就有人提出可見(jiàn)光通信的設(shè)想[7]，但并沒(méi)有得到重視。隨著新時(shí)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，可見(jiàn)光通信慢慢地進(jìn)入學(xué)校課程，但卻沒(méi)有可以直觀的將可見(jiàn)光通信演示出來(lái)并且能將還原出來(lái)的信號(hào)展現(xiàn)在示波器上的實(shí)驗(yàn)儀器。

2 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置

儀器主要由兩部分組成，分別是調(diào)制發(fā)送部分和接收解調(diào)部分。

發(fā)送部分主要有LED驅(qū)動(dòng)電路、LED光源、信號(hào)輸入電路、信號(hào)調(diào)制電路、調(diào)制調(diào)整電路組成。LED驅(qū)動(dòng)電路主要包括兩部分，一部分是可以遠(yuǎn)距離發(fā)射的激光LED發(fā)送端；另一部分是近距離基本實(shí)現(xiàn)無(wú)失真的散光LED發(fā)送端，兩部分相互獨(dú)立，互不干擾。

接收部分主要有光學(xué)濾波器、光電轉(zhuǎn)換裝置、解調(diào)電路、解調(diào)調(diào)節(jié)電路、功率放大電路[8]和揚(yáng)聲器組成。要發(fā)送的聲音信息在發(fā)射端經(jīng)過(guò)調(diào)制加載到LED驅(qū)動(dòng)上，通過(guò)可見(jiàn)光發(fā)送出去，并調(diào)節(jié)電位器不斷改變電壓值，尋找最佳音質(zhì)并在屏幕顯示LED或激光頭兩端變壓值。在解調(diào)接收端通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器將可見(jiàn)光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后經(jīng)由解調(diào)電路、功率放大電路將信號(hào)解調(diào)、放大，最后通過(guò)揚(yáng)聲器將還原的信息輸出。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置器件

音頻功放模塊，電容若干，電阻若干，20k電位器，開(kāi)關(guān)4個(gè)，杜邦線(xiàn)若干，電源座，開(kāi)關(guān)電源，音頻線(xiàn)，2596降壓模塊。

其中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用到的主要裝置元器件實(shí)物圖如圖1，圖2，圖3所示：

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

輸入的音頻電信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制電路調(diào)制后加載到LED驅(qū)動(dòng)電路上，然后經(jīng)由LED照射的可見(jiàn)光發(fā)送出去。被調(diào)制的可見(jiàn)光發(fā)散到周?chē)目臻g，在解調(diào)接收端光信號(hào)被轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，然后將攜帶的信息解調(diào)出來(lái)，為避免失真再通過(guò)功率放大電路將解調(diào)出來(lái)的頻率放大，最后將音頻信息通過(guò)揚(yáng)聲器輸出。

實(shí)驗(yàn)原理結(jié)構(gòu)圖如圖4所示：

作品的實(shí)物圖如圖5所示：

2.3 調(diào)制電路

該電路實(shí)現(xiàn)將輸入的模擬聲音電信號(hào)加載到LED驅(qū)動(dòng)電流上，調(diào)制電路原理圖如圖6所示。

2.4 解調(diào)與放大電路

接收端接收到光信號(hào)后首先用光敏元件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行解調(diào)與放大。解調(diào)放大電路基本原理電路主要由小功率集成放大器TDA2822功放組成，功率放大電路如圖7所示，TDA2822功放是雙通道單片功率放大集成電路，它的工作電壓低，外圍電路簡(jiǎn)單，音質(zhì)好，頻帶以及電壓范圍寬。

3 電路原理及原理圖

在發(fā)送端首先要把傳送的聲音信息變成電信號(hào)，然后通過(guò)調(diào)制電路調(diào)制加載到普通LED照明燈或者紅色激光器發(fā)出的可見(jiàn)光上，使光的強(qiáng)度隨電信號(hào)的頻率變化而變化；在接收端，光電轉(zhuǎn)換裝置接收到信息后把攜帶信息的光信號(hào)變換成電信號(hào)，經(jīng)解調(diào)放大后恢復(fù)原聲音信息。

本實(shí)驗(yàn)利用高頻電子線(xiàn)路中高頻功放和電路中的基本知識(shí)，采用集成電路的形式將電路連接而成，原理電路如圖8所示：

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與分析

4.1 使用的實(shí)驗(yàn)方法

采用函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)，將信號(hào)接到發(fā)射端信號(hào)輸入端上和示波器的通道一，原聲音信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后加載到可見(jiàn)光信號(hào)上。在解調(diào)接收端將攜帶信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后進(jìn)入功放，放大后的信號(hào)接示波器的通道二，通過(guò)示波器觀察發(fā)送信號(hào)的波形和接收信號(hào)的波形，通過(guò)比較兩者波形的差異進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4.2 發(fā)射與接收電路的調(diào)試

通過(guò)觀察輸入波形與輸出波形之間的差異發(fā)現(xiàn)，接收到的波形在電壓負(fù)半軸會(huì)有截止失真現(xiàn)象，如圖9所示：

調(diào)節(jié)發(fā)射端的LED驅(qū)動(dòng)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，直至調(diào)節(jié)至截止失真消失，然后便可以將音頻信號(hào)輸入到發(fā)射輸入端，在輸出端的揚(yáng)聲器會(huì)還原出原來(lái)的音頻。還原出來(lái)的音頻信號(hào)如圖10所示：

利用示波器將輸出信號(hào)停止，能更清晰的將音頻信號(hào)波形展現(xiàn)出來(lái)，停止的音頻信號(hào)波形圖如圖11所示：

4.3 實(shí)驗(yàn)分析

截止失真會(huì)導(dǎo)致傳輸音頻信號(hào)時(shí)聲音一部分失真，產(chǎn)生截止失真的原因主要是LED的靜態(tài)工作點(diǎn)過(guò)低，輸入信號(hào)的一部分負(fù)壓過(guò)高，調(diào)制后電壓低于LED的導(dǎo)通電壓，LED無(wú)法點(diǎn)亮，所以會(huì)導(dǎo)致一部分信號(hào)無(wú)法通過(guò)可見(jiàn)光傳輸，所以接收端的波形會(huì)有失真，通過(guò)調(diào)節(jié)LED的靜態(tài)工作點(diǎn)可以使截止失真消失。

5 結(jié)束語(yǔ)

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)能夠利用可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)傳輸音頻信號(hào)，可以接入信號(hào)源和示波器，就能明顯地看到輸入輸出信號(hào)波形，信號(hào)失真率低，能夠直觀的演示出可見(jiàn)光通信的基本原理，只要有可見(jiàn)光，就有信息在傳播，應(yīng)用前景十分廣闊。

LED可見(jiàn)光通信系統(tǒng)在第九屆山東省大學(xué)生科技節(jié)中榮獲一等獎(jiǎng)。

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