基于可見光LED的無線語音通信系統的設計*

朱濤(南京曉莊學院，江蘇南京211171)

基于可見光LED的無線語音通信系統的設計
*

朱濤
(南京曉莊學院，江蘇南京211171)

常見的無線通信有射頻通信、紅外等，但是射頻通信受無線頻段限制，紅外對人眼有很多影響，而且功率受限，本系統采用可見光LED實現無線通信，屬于模擬通訊，利用VCO實現調頻，PLL實現解調，使用基本光學及電子元件，包括發光二極管(LED)、光電接收二極管、電壓控制振蕩器(VCO)、鎖相環(PLL)，具有優良的信噪比(S/N)的特點的語音傳輸.作為一個光電的設計方案，該系統成功的集成了自由空間光通信、頻率調制、信號處理和模擬電子設計.

無線語音通信;光發射器;光接收器

引言

在現有的無線技術當中，除去基于電磁波傳輸信息的傳統射頻通信外，還有基于光的無線通信，其中，有基于紅外激光等的通信技術，還有基于可見光的無線通信技術.可見光通信技術，是利用發光的二極管發出的肉眼覺察不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的.將需要傳輸的數據加載到光載波信號上，并進行調制，然后利用光電轉換器件接收光載波信號并解調以獲取信息.可見光通信系統能夠覆蓋燈光所能達到的范圍，不需要電線連接.光通信技術具有極大的發展前景，將為光通信提供一種全新的高速數據接入方式，已經引起了人們的廣泛關注和研究.

1 白光LED的結構與工作特性

1.1 白光LED的發光原理

1.1.1 白光LED的發光原理

圖1 LED發光原理

半導體發光二極管發光原理:發光二極管是由m～IV族化合物，如GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化嫁)等半導體制成的.發光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的品片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結，因此它具有一般PN結的I一U特性，即正向導通、反向截止、擊穿特性;此外在一定的條件下，它還具有發光特性.制作半導體發光二極管的材料是多重摻雜的，熱平衡狀態下的N區有很多遷移率很高的電子，P區有較多的遷移率較低的空穴.由于PN結阻擋層的限制，在常態下，二者不能發生自然復合.當在發光二極管PN結加正向電壓時，空間電荷層變窄，載流子擴散運動大于漂移運動，致使P區的空穴注入N區，N區的電子注入P區.于是在PN結附近稍偏于P區一邊的地方，處于高能態的電子與空穴相遇復合時會把多余的能量釋放并以發光的形式表現出來，從而把電能直接轉化成光能，這種復合所發出的光屬于自發輻射.當在發光二極管的PN結上加反向電壓，少數載流子難以注入，故不發光.

1.1.2 實現白光LED的技術途徑

目前的發光二極管一般只有紅、綠、藍三種，不存在直接發射白光的LED，要得到白光LED，必須將紅、綠、藍三原色LED芯片或三原色LED管混合實現白光，前者為三芯片型，后者為三個發光管組裝型，如圖2所示:

圖2 白光LED實現示意圖

三芯片型發光材料主要有GaAsP、AlGaAs、GaP:Zn2O等，發紅光AlGalnP/GaAs、AlGalnP/GaP等，發紅光和橙光; GaP:N發綠光;InGaN發藍光.紅、綠、藍LED封裝在一個包內，光效可達20lm/W，發光效率較高，顯色性好.三原色LED混合，通過紅、綠、藍三原色光調整可控制色彩.但三芯片型三原色混合成本較高，并有紅、綠、藍LED芯片光衰不

同而易產生變色現象等缺陷.

1.2 白光LED的物理特性和發光特性

白光LED的物理特性包括其伏安特性、調制特性、發光特性等1251，對其物理特性的研究是利用白光LED搭建室內可見光通信系統的基礎.下面我們分別對其進行介紹.

1.2.1 伏安特性

LED芯片是由半導體無機材料構成的單極性PN結二極管.伏安特性(即電流、電壓之間的關系)是表征LED芯片PN結性能的主要參數，伏安特性同時也反應出PN結性能的優劣.一般而言，LED的伏安特性都具有非線性、整流性質以及單向導通性等特點，外加正偏壓時表現為低接觸電阻，反之為高接觸電阻.單片LED的伏安特性如圖3所示:

圖3 LED的伏安特性曲線

1.2.2 調制特性

白光LED的響應時間在納秒級，因此，白光LED擁有極高的調制速率，白光LED的最大調制速率是指在保證調制度不變的情況下，當白光LED輸出的光功率下降到某一低頻參考值的一半時的頻率就是其最大調制速率.

白光LED的調制速率主要由LED芯片的特性決定.在注入電流較低時，單片LED的調制速率主要受結電容的限制，即零偏壓下LED的電容值.而在偏置電流較高時，調制速率主要由注入有源區載流子的壽命決定.

1.2.3 光譜特性

單個LED芯片的發光光譜取決于構成PN結的半導體材料的能帶結構.由于LED沒有光學諧振腔選擇波長，所以白光LED光譜是以自發輻射為主的光譜，白光LED為非相干光源.當器件工作溫度升高時，光譜曲線會隨之向右移動.

對于單個LED芯片，其光譜曲線上都有一個相對光強度最強處〔光輸出最大)，與之相對應有一個波長，此波長叫峰值波長，用λp表示.由關系式hv=Eg(Eg為能級禁帶寬度，v=，C為光速)確定峰值波長值.

2 系統設計

2.1 系統框圖

我們設計的基于可見光LED的無線語音通信系統框圖如圖4所示.對于系統的發射部分，麥克風采集的音頻信號被低噪聲功率放大器放大后，通過壓控振蕩器(VCO)產生FM調頻信號，并通過LED驅動電路，驅動LED，產生調制可見光，可見光在自由空間傳輸.對于接收部分，自由空間傳輸的調制可見光被光電檢測管(PD)檢測，產生電壓小信號，經4級放大后，通過鎖相環(PLL)解調FM信號，輸出重建的音頻信號，再經過濾波和音頻信號放大器放大后，傳輸到耳機設備.

圖4 系統框圖

2.2 系統原理

基于可見光LED的無線語音通信系統屬于模擬調頻系統，此系統屬于非線性調制.系統模型如圖5所示:

圖5 模擬調制通信系統

此系統的調制器為壓控振蕩器(VCO)，解調器為鎖相環(PLL).

2.2.1 調制器

音頻信號通過壓控振蕩器產生調制信號.VCO即壓控振蕩器，指輸出頻率與輸入控制電壓有對應關系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數的振蕩器VCO，振蕩器的工作狀態或振蕩回路的元件參數受輸入控制電壓的控制，就可構成一個壓控振蕩器.其特性用輸出角頻率ωc與輸入控制電壓uc之間的關系曲線來表示，如6所示.即

KVCO稱為控制靈敏度.人們通常把壓控振蕩器稱為調頻器，用以產生調頻信號.

圖6 壓控振蕩器的壓控特性圖

2.2.2 解調器

此調頻信號的解調通過鎖相環(PLL)解調.

鎖相環路是一種反饋控制電路，簡稱鎖相環.鎖相環的特點是:利用外部輸入的參考信號控制環路內部振蕩信號的頻率和相位.因鎖相環可以實現輸出信號頻率對輸入信號頻率的自動跟蹤，所以鎖相環通常用于閉環跟蹤電路.鎖相環在工作的過程中，當輸出信號的頻率與輸入信號的頻率相等時，輸出電壓與輸入電壓保持固定的相位差值，即輸出電壓與輸入電壓的相位被鎖住，這就是鎖相環名稱的由來.

鎖相環通常由鑒相器、環路濾波器和壓控振蕩器三部分組成.鎖相環中的鑒相器又稱為相位比較器，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差，并將檢測出的相位差信號轉換成ud(t)電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓ud(t)，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制.

鎖相環中的鑒相器通常由模擬乘法器組成.

3 單元設計

3.1 發送部分設計

為了實現以上所述的頻率調制方案，電壓控制振蕩器選擇中心頻率為100Kz.這個頻率可以在系統的動態范圍內優化音頻選擇，得到了VCO約為6.6Kz/v的靈敏度.VCO的頻率在控制電壓作用下，在中心頻率附近變動.運算放大器LF353將麥克風發出的信號放大.因此，當人對著麥克風說話時，放大的音頻信號的變化使VCO的頻率隨著麥克風產生的電壓的函數而變化.并可從制造商的數據表中得到.在這種情況下，為了使頻率歸為統一，則令V8= 10V，在5腳直流偏置應約為8.5V，V8–V5的差應為1.5V.這用了接在VCO5引腳上的一個兩電阻分壓器來實現，這個分壓器分別由6.8 K歐和47 K歐姆的電阻組成.VCO芯片的輸出(引腳3)是一個方波電壓，其頻率變化隨著麥克風信號的幅度變化因子的變化的.

3.1.1 LF353放大器

LF353的總體電路設計還是比較簡潔的，此類拓撲在目前的功率運算放大器設計中是主流:輸入放大級是由兩只P溝道JFET組成的共源極差分電路，并且用鏡像恒流源做負載來提高增益;在輸入差分放大級和主電壓放大級之間是一個由射極跟隨器構成的電流放大級，用來提高主電壓放大級的輸入阻抗和共源極差分電路的負載增益;主電壓放大級是一個簡單的單級共射級放大電路，為了保證放大器的穩定性，在主電壓放大級的輸出端到輸入差分放大級的輸出端加入了一個電容補償網絡，跟補償電容并聯的二極管保證單級共射極放大電路構成的主電壓放大級不進入飽和狀態工作;輸出電流放大級是NPN和PNP構成的互補射極跟隨器，兩個100Ω的電阻用來穩定輸出電流放大級的靜態電流，200Ω的電阻用來限制輸出短路電流.

3.1.2 (VCO)壓控振蕩器LM566

壓控振蕩器即輸出頻率與輸入控制電壓有對應關系的振蕩電路(VCO)，頻率是輸入信號電壓的函數的振蕩器VCO，振蕩器的工作狀態或振蕩回路的元件參數受輸入控制電壓的控制，就可構成一個壓控振蕩器.其特性用輸出角頻率W0與輸入控制電壓uc之間的關系曲線來表示.LM566本質是一種頻率調制器，它也是一種積分－施密特觸發電路型的單片集成VCO電路，其芯片圖，管腳排列和外部連接圖分別見下圖7，圖8.

圖7 管腳圖

圖8 LM566內部結構圖

3.1.3 開關

我采用的是晶體管(德州儀器2N2222)和場效應管來做開關電路，因為晶體管提供的驅動電流可以來開關高電流功率場效應管.不同于傳統的晶體管，功率場效應晶體管要求非常低的驅動電流，而且可以非常迅速地切換到高負載電流.事實上，這里選擇的場效應管，在邏輯電路的電壓下控制可產生約2V的柵源電壓.因為它有一個比較大的，約為1NF輸入電容.因此，為了關閉場效應管和減少相關的RC電路時間常數，必須使用小電阻值.1N4148二極管，放在晶體管Q1的基極發射極交界處，用于過載保護.

場效應管

場效應管屬于電壓控制元件，這一點類似于電子管的三極管，但它的構造與工作原理和電子管是截然不同的，與雙極型晶體管相比，場效應晶體管具有如下特點:

(1)場效應管是電壓控制器件，它通過UGS來控制ID;

(2)場效應管的輸入端電流極小，因此它的輸入電阻很大.

(3)它是利用多數載流子導電，因此它的溫度穩定性較好;

(4)它組成的放大電路的電壓放大系數要小于三極管組成放大電路的電壓放大系數;

(5)場效應管的抗輻射能力強;

(6)由于不存在雜亂運動的少子擴散引起的散粒噪聲，所以噪聲低.

3.1.4 LED發光二極管

它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能;常簡寫為LED.發光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性.當給發光二極管加上正向電壓后，從P區注入到N區的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數微米內分別與N區的電子和P區的空穴復合，產生自發輻射的熒光.不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態不同.當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發出的光的波長越短.常用的是發紅光、綠光或黃光的二極管.我采用的就是市場上的普通LED，每個LED的驅動電壓為2.7V.

3.2 接收部分設計

探測光傳輸的信號，由光電二極管(PD)產生的電流放大，解調信號，然后放大的音頻信號最終驅動耳機.為達到此目的，我采用的是一個光電二極管(NEC PH302)，最大敏感度選擇波長940nm.該器件還具有一個與發光二極管(LED)密切配合的光譜靈敏度.選擇特定的光電二極管的基礎是需要獲得快速調制載波信號，使之能夠發送.原則上，該發光二極管可調制到兆赫頻率.在反向偏置和光導模式下，光電二極管的響應速度就可以和操作探測器的規范相匹配.

3.2.1 光電檢測管(PD)接收管PH302常用于電視遙控器中來關斷電器電源電路.其暗電流Irmax=30nA，最大波長為940nm.

3.2.2 鎖相環LM565

鎖相環是指一種電路或者模塊，它用于在通信的接收機中，其作用是對接收到的信號進行處理，并從其中提取某個時鐘的相位信息.或者說，對于接收到的信號，仿制一個時鐘信號，使得這兩個信號從某種角度來看是同步的.

LM566是一種單片集成PLL電路.它包括鑒相器(PD)、放大器(AMP)和壓控振蕩器(VCO)3部分.鑒相器為雙平衡模擬相乘電路，它的作用是檢測輸入信號和輸出信號的相位差并將檢測出的相位差信號轉換成Ud電壓信號輸出，該信號經低通濾波器濾波后形成壓控振蕩器的控制電壓Uc，對振蕩器輸出信號的頻率實施控制.壓控振蕩器為積分—施密特電路.鑒相器有兩路輸入:一路是外加的FM/RF差分輸入，另一路是5腳的PD輸入.輸出由4腳取出.

3.2.3 LF357放大器

LF357能偏置調整不可降解漂移或共模抑制，輸出電路級允許大電容負載(5000pF)的使用，而且無穩定性的問題，同時具有內部補償和較大的差分輸入電壓能力，具有對數放大器、光電放大器、采樣保持電路的共同特點.

TN929.1

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