一種基于白光LED的無線光通信收發(fā)裝置

劉 嘉

(太原師范學(xué)院 物理系，山西 晉中 030619)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，可見光通信在近十年來發(fā)展十分迅速，它是通過將信號(hào)調(diào)制為可見光的光信號(hào).這樣一來，通過照明光源就可以實(shí)現(xiàn)信息的無線傳遞，進(jìn)而構(gòu)建可見光無線通信網(wǎng)絡(luò)[1].這一技術(shù)與白光 LED 相結(jié)合，則有更為明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì).由于白光LED照明設(shè)備具有污染小、長(zhǎng)壽命、低功耗、小尺寸等諸多優(yōu)點(diǎn)[2]，將可見光通信與白光LED相結(jié)合，以肉眼難以察覺的光強(qiáng)變化作為信息傳遞的載波，將有望利用光無線通信替代目前的無線局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)成本低廉、使用便捷的室內(nèi)無線通信網(wǎng)絡(luò).

本文設(shè)計(jì)了一套基于白光LED的語音無線通信收發(fā)裝置，并經(jīng)過測(cè)試.證明該系統(tǒng)能夠滿足無線語音通信的需求.

1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 發(fā)射部分電路

圖1 發(fā)射部分電路

發(fā)射部分用了一個(gè)基本的數(shù)字調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路.它采用了共發(fā)射極的接法，本質(zhì)是一個(gè)電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)的過程，具體結(jié)構(gòu)見圖1.該電路利用雙極型晶體管的通斷來控制LED的輸入電流，當(dāng)輸入低電平時(shí)，雙極型晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，LED與R1、R3構(gòu)成串聯(lián)電路.由于R3阻值遠(yuǎn)大于R1以及LED的正向?qū)娮?，射極輸出為高電平，LED處于滅的狀態(tài)；當(dāng)輸入高平時(shí)，雙極型晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)，發(fā)射極與集電極間電阻很小，VCC主要加在LED及R1上，流過LED的電流較大，LED點(diǎn)亮.電路中R1和R3分別起限流及偏置作用，電容C1為加速電容，在電平跳變的瞬間，由于電容電壓不能突變，因此會(huì)產(chǎn)生瞬間的大電流，這一瞬時(shí)電流可以使雙極型晶體管的開關(guān)狀態(tài)迅速改變，從而起到提高電路開關(guān)速率的作用.信號(hào)發(fā)生器XFG1代替的是輸入信號(hào)，測(cè)試用輸入信號(hào)為4 kHz的方波信號(hào).

1.2 接收部分電路

1.2.1 前置放大電路

在這一部分，本方案選擇了高速率的光電二極管作為接收端的接收器，具體結(jié)構(gòu)見圖2.它可以將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).由于一級(jí)放大后的電信號(hào)很小，圖2用了兩級(jí)放大電路來對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大.測(cè)試示波器XSC1的A通道所接就是該部分的輸出信號(hào).

1.2.2 比較器的設(shè)計(jì)

經(jīng)測(cè)試，前置放大器的輸出信號(hào)的高電平只有100 mv左右，為了與后級(jí)電路電平匹配，需要增加電平轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓比較器用來進(jìn)行電壓的轉(zhuǎn)換，如圖3所示.圖3所示的電路，滑動(dòng)變阻器的阻值為100 Ω時(shí)則整個(gè)電路構(gòu)成100 mV比較器.當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到100 mV時(shí)，輸出電壓為5 V；當(dāng)輸入信號(hào)低于100 mV時(shí)，輸出電壓為0 V.通過改變滑動(dòng)變阻器的阻值可以調(diào)整比較器的閾值.這樣就很好地使輸出信號(hào)達(dá)到了要求.

圖2 接收部分電路圖3 比較器電路

圖4為不同占空比輸入信號(hào)下比較器的輸出信號(hào)，可見雖然信號(hào)的高電平已經(jīng)由原來的100 mV左右變?yōu)楝F(xiàn)在的5 V左右，可是當(dāng)信號(hào)的脈沖變窄時(shí)，波形會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，這樣可能導(dǎo)致在實(shí)際傳輸語音信號(hào)時(shí)出現(xiàn)短脈沖不被識(shí)別，產(chǎn)生亂碼.所以，后續(xù)的波形整形，即減少波形的上升和下降時(shí)間尤為重要.

圖4 比較器輸出波形

1.2.3 施密特觸發(fā)器的設(shè)計(jì)

圖5 NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器

由上文可知，經(jīng)比較器輸出的波形很不標(biāo)準(zhǔn)，故而需要對(duì)其進(jìn)行整形，使之上升和下降是瞬間完成的.本文采用NE555定時(shí)器搭建的施密特觸發(fā)器來完成這一目標(biāo).圖5為電路圖.

圖6 施密特觸發(fā)器輸出波形

由圖6可知，施密特整形后的波形即使在占空比很小的情況下依然可以保證是標(biāo)準(zhǔn)的方波，且高電平達(dá)到了5 V，但有一點(diǎn)需要注意，由于施密特觸發(fā)器的特性，整個(gè)信號(hào)的相位發(fā)生了反轉(zhuǎn)，故而還需接反相器進(jìn)行還原.

1.2.4 反相器電路

本方案中反相器采用的是74LS04.74LS04是6非門反相器，工作電壓5 V，其內(nèi)部包含6個(gè)CMOS反相器.本方案中只用了一個(gè)非門來實(shí)現(xiàn)要求.圖7為74LS04反相器的內(nèi)部電路圖.

圖7 74LS04內(nèi)部電路圖

經(jīng)反相處理后，反相器的輸出信號(hào)，即接收部分的最終輸出信號(hào)與發(fā)射部分的輸入信號(hào)基本一致.

2 實(shí)際測(cè)試

到現(xiàn)在為止，整體的電路已經(jīng)大體實(shí)現(xiàn)了發(fā)射部分將輸入的數(shù)字信號(hào)加載到光上發(fā)射出去，接收部分可以將加載有數(shù)字信號(hào)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并很好地還原出輸入信號(hào).經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作在40 kHz的輸入信號(hào)下.

在使用40 kHz方波測(cè)試情況下，系統(tǒng)在發(fā)射端和接收端相距80 cm、160 cm、240 cm、320 cm、400 cm和480 cm的情況下都能較好地保證信號(hào)的波形不變.測(cè)試過程中還分別對(duì)不同情況下的光照度進(jìn)行了測(cè)量，依次為2310 FC、1920 FC、995 FC、528 FC、377 FC和259 FC.

在方波測(cè)試后，又采用實(shí)際音頻信號(hào)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試經(jīng)過測(cè)試，在接收端距發(fā)射端80 cm、160 cm、240 cm和320 cm下，系統(tǒng)可以有效的傳輸語音信號(hào)，輸入信號(hào)和輸出信號(hào)基本一致.同樣對(duì)幾種情況下的光照度進(jìn)行了測(cè)量，分別為2010 FC、1650 FC、720 FC、320 FC.

3 結(jié)論與討論

綜合上述設(shè)計(jì)，結(jié)合測(cè)試結(jié)果可知，本文所設(shè)計(jì)的無線光通信收發(fā)裝置能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)語音信號(hào)的無線傳輸，傳輸距離可達(dá)320 cm.當(dāng)發(fā)射端和接收端的距離太遠(yuǎn)時(shí)，接收端檢測(cè)到的光照度就會(huì)減少，前置放大器輸出信號(hào)高電平的電壓值也會(huì)相應(yīng)的減小，這時(shí)就需要將比較器的閾值調(diào)低，以保證比較器閥值低于前置放大器輸出的高電平電壓.雖然通過調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值可以改變這個(gè)閾值，但這樣做很不方便.所以下一步的方向應(yīng)該是在閾值電壓不是太低的情況下，結(jié)合不同的光照度讓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值電壓，做到自適應(yīng).同時(shí)盡可能地提高發(fā)射端的光功率，使整個(gè)系統(tǒng)的傳輸距離變遠(yuǎn).