基于大功率LED光強(qiáng)調(diào)制的可見(jiàn)光通信研究

潘國(guó)興　田豐　李軒　王茹鈺　張龍飛

摘要：大功率LED不僅可以提供室內(nèi)照明，而且可以應(yīng)用到無(wú)線光通信系統(tǒng)中，滿足室內(nèi)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求。文章對(duì)基于大功率白光LED的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究，對(duì)LED用作通信時(shí)的輻射模式及機(jī)理做了理論上的探討，進(jìn)而研究了通信系統(tǒng)的通信信道，對(duì)通信鏈路的構(gòu)成進(jìn)行了分析，給出了一種基于大功率LED光強(qiáng)調(diào)制的聲音信號(hào)無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大功率LED；光強(qiáng)調(diào)制；可見(jiàn)光通信；通信信道；輻射模式 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN929 文章編號(hào)：1009-2374（2015）27-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.27.013

基于大功率LED光強(qiáng)調(diào)制的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的在于幫助理解如何利用大功率LED傳遞聲音信號(hào)，如何進(jìn)行光強(qiáng)的處理和調(diào)制，聲音信號(hào)或聲波電信號(hào)如何調(diào)制LED光強(qiáng)；攜帶了聲音信號(hào)的光如何解調(diào)恢復(fù)原來(lái)的聲音信號(hào)。本文的設(shè)計(jì)思路來(lái)自于光纖通信技術(shù)課程以及其鼻祖貝爾博士的光電話裝置。本文采用10W大功率LED作為光源，采用以PT2201為核心芯片的開(kāi)關(guān)恒壓電源給整個(gè)系統(tǒng)供電，以實(shí)現(xiàn)LED的功率穩(wěn)定。設(shè)計(jì)獨(dú)特的大功率LED驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)的

調(diào)制。

1 方案論證與設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括可見(jiàn)光通信發(fā)端裝置、光通信收端裝置、可見(jiàn)光通道以TPS4021為核心芯片的開(kāi)關(guān)恒壓電源、8Ω揚(yáng)聲器等。

1.2 模塊功能與方案論證

1.2.1 電源模塊。大功率白光LED通信收發(fā)模塊的供電裝置。

方案一：開(kāi)關(guān)電源是直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電流，將電能儲(chǔ)存到電感、電容元件中，利用電感、電容的特性將電能按預(yù)定的要求釋放出來(lái)，以改變輸出電壓或

電流。

方案二：線性電源沒(méi)有高頻脈沖和儲(chǔ)存元件，它利用元器件線性特性在負(fù)載變化時(shí)瞬間反饋控制輸入達(dá)到穩(wěn)定電壓和電流。

比較兩種方案，開(kāi)關(guān)電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。開(kāi)關(guān)電源效率高；線性電源效率低。開(kāi)關(guān)電源波紋大；線性電源控制速度快，波紋小。綜上所述，選擇方案二。

1.2.2 可見(jiàn)光通信發(fā)端模塊。通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成大功率LED等的光強(qiáng)變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的電光轉(zhuǎn)換。

方案一：數(shù)字信號(hào)傳輸。先將輸入的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)占空比的變化來(lái)控制LED的

亮度。

方案二：模擬信號(hào)傳輸。通過(guò)放大電路驅(qū)動(dòng)LED燈，直接將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。

通過(guò)比較兩種方案，數(shù)字傳輸干擾較少，靜噪功能較強(qiáng)，但是電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。而模擬傳輸雖然會(huì)產(chǎn)生噪聲，但是通過(guò)一些簡(jiǎn)單的電路就能達(dá)到很好的防干擾效果，且電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試及其他操作，故選方

案二。

1.2.3 可見(jiàn)光通信接收端模塊。將發(fā)端模塊傳輸?shù)墓庑盘?hào)轉(zhuǎn)換成電線號(hào)，再通過(guò)放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，還原輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)光電傳輸功能。

方案一：光敏電阻。電阻值根據(jù)光照強(qiáng)度發(fā)生

變化。

方案二：硅光電池。根據(jù)光照強(qiáng)度可以輸出電壓和電流。

方案三：光敏二極管。二極管反向電流根據(jù)光照強(qiáng)度發(fā)生變化。

方案四：太陽(yáng)能電池板。有光照就產(chǎn)生電勢(shì)差，可以輸出一定的電能。

理論上講，以上四種方案都可以完成所要求的功能，但這里主要是對(duì)電壓信號(hào)的控制，涉及到光強(qiáng)的高速調(diào)制，所以選用了精度、靈敏度較高的硅光電池來(lái)完成光電轉(zhuǎn)換。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 白光通信收發(fā)裝置示意圖

白光通信收發(fā)裝置示意圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)原理示意圖

2.2 發(fā)送聲音信號(hào)

一般采用麥克風(fēng)/MP3將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)或信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻模擬信號(hào)。受實(shí)驗(yàn)條件限制和簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)裝置采用電腦耳機(jī)輸出信號(hào)作為輸入信號(hào)，該信號(hào)是一個(gè)隨聲波信號(hào)振蕩的電壓信號(hào)。

2.3 驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化設(shè)計(jì)

電腦耳機(jī)接口輸出的是隨聲音信號(hào)振蕩的電壓信號(hào)（簡(jiǎn)稱聲波電信號(hào)），大約0.2V左右，聲波電信號(hào)為弱電壓信號(hào)，不足以直接驅(qū)動(dòng)LED工作，需要放大電路進(jìn)行電信號(hào)放大。以精密運(yùn)放OPA2227為核心的放大電路后的聲波電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電壓比較器將聲音信號(hào)做一個(gè)簡(jiǎn)單的調(diào)制，比較器輸出的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS管TPS28225驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)LED來(lái)閃爍，以完成對(duì)LED光強(qiáng)的調(diào)制。經(jīng)過(guò)這樣的一個(gè)調(diào)制過(guò)程，LED光源輸出的光強(qiáng)亦能隨聲波信號(hào)振蕩。調(diào)制帶寬是衡量LED的調(diào)制能力的參數(shù)，是LED用于無(wú)線光通信的重要參數(shù)之一，它關(guān)系到LED的數(shù)據(jù)傳輸速度大小。LED的調(diào)制帶寬主要受有源區(qū)載流子復(fù)合壽命和PN結(jié)電容的影響。在白光LED制造工藝上，除了減少載流子復(fù)合壽命和減小寄生電容，我們還可采用具有很大的潛在調(diào)制帶寬的多芯片型白光LED。

解調(diào)得到的聲波電信號(hào)，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號(hào)顯然無(wú)法驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器設(shè)備，需要放大電路進(jìn)行電信號(hào)放大。

2.4 白光LED的線性特性

圖2所示是通過(guò)白光LED的調(diào)制信號(hào)與輸出功率的關(guān)系曲線。為了獲得線性調(diào)制，使工作點(diǎn)處于輸出特性曲線的直線部分必須在加調(diào)制信號(hào)電流的同時(shí)加一適當(dāng)?shù)钠秒娏鱅，這樣就可以使輸出的光信號(hào)不失真。

圖2 LED的調(diào)制信號(hào)與輸出功率的關(guān)系曲線

2.5 半導(dǎo)體光源的調(diào)制

無(wú)論是LD或LED做光源，都要施加偏置電流，使工作點(diǎn)處于LD或LED的P-I特性曲線直線段，如圖2所示，其調(diào)制線性好壞與調(diào)制深度m有關(guān)：

2.6 接收LED光源信號(hào)

要把攜帶了聲音信號(hào)的LED光接收下來(lái)，需要光敏元器件，一般采用硅光電池（光敏二極管）或光敏電阻，太陽(yáng)能電池板也可以，由以上論證可選擇靈敏度較高的硅光電池。

2.7 解調(diào)LED光源信號(hào)及聲音還原

硅光電池將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，相應(yīng)地?cái)y帶了聲音信息的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成為聲波電信號(hào)，解調(diào)得到的聲波電信號(hào)，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號(hào)顯然無(wú)法驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的揚(yáng)聲器設(shè)備，需要經(jīng)OPA222為核心的放大電路放大，以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器還原出聲音。

圖3

3 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)測(cè)量，該裝置達(dá)到并且很多地方超過(guò)了設(shè)計(jì)要求，但仍然有很多提升空間，例如硅光電池接收信號(hào)以后的電路所驅(qū)動(dòng)的喇叭聲音不是很大、靜噪部分做得也不夠完善等，可通過(guò)增加功放、靜噪模塊來(lái)完善聲音效果和提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用大功率LED做光源既增大了傳輸距離，又可以很好地排除外界光的干擾，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（2）采用了較少的元器件和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了聲光調(diào)制、LED光的空間傳輸、光聲解調(diào)，對(duì)于很好地理解光電特性、光信息處理、對(duì)大功率LED光的調(diào)制解調(diào)、光信息傳輸具有一定的意義；（3）本設(shè)計(jì)電源采用開(kāi)關(guān)恒壓電源，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓，大功率白光通信收發(fā)模塊采用大功率LED將輸入的聲音信號(hào)或單頻聲信號(hào)，通過(guò)高精度的硅光電池接收，然后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)喇叭還原輸入信號(hào)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)能夠完成大功率LED可見(jiàn)光通信功能，并且所有指標(biāo)都已達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)想要求。

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作者簡(jiǎn)介：潘國(guó)興（1992-），男，山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院學(xué)生，研究方向：光信息科學(xué)與技術(shù)。

（責(zé)任編輯：周 瓊）