基于大功率LED光強調(diào)制的可見光通信研究

潘國興　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)用到無線光通信系統(tǒng)中，滿足室內(nèi)個人網(wǎng)絡(luò)需求。文章對基于大功率白光LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)進行了研究，對LED用作通信時的輻射模式及機理做了理論上的探討，進而研究了通信系統(tǒng)的通信信道，對通信鏈路的構(gòu)成進行了分析，給出了一種基于大功率LED光強調(diào)制的聲音信號無線傳輸系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大功率LED；光強調(diào)制；可見光通信；通信信道；輻射模式 文獻標識碼：A

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

基于大功率LED光強調(diào)制的可見光通信系統(tǒng)的設(shè)計目的在于幫助理解如何利用大功率LED傳遞聲音信號，如何進行光強的處理和調(diào)制，聲音信號或聲波電信號如何調(diào)制LED光強；攜帶了聲音信號的光如何解調(diào)恢復(fù)原來的聲音信號。本文的設(shè)計思路來自于光纖通信技術(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為核心芯片的開關(guān)恒壓電源給整個系統(tǒng)供電，以實現(xiàn)LED的功率穩(wěn)定。設(shè)計獨特的大功率LED驅(qū)動電路來實現(xiàn)對光強的

調(diào)制。

1 方案論證與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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

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：開關(guān)電源是直流電轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖電流，將電能儲存到電感、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，以改變輸出電壓或

電流。

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

比較兩種方案，開關(guān)電源可以降壓，也可以升壓；線性電源只能降壓。開關(guān)電源效率高；線性電源效率低。開關(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 可見光通信發(fā)端模塊。通過驅(qū)動電路將輸入的電信號轉(zhuǎn)換成大功率LED等的光強變化，從而實現(xiàn)對聲音信號的電光轉(zhuǎn)換。

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

亮度。

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

通過比較兩種方案，數(shù)字傳輸干擾較少，靜噪功能較強，但是電路實現(xiàn)復(fù)雜。而模擬傳輸雖然會產(chǎn)生噪聲，但是通過一些簡單的電路就能達到很好的防干擾效果，且電路實現(xiàn)簡單，易于調(diào)試及其他操作，故選方

案二。

1.2.3 可見光通信接收端模塊。將發(fā)端模塊傳輸?shù)墓庑盘栟D(zhuǎn)換成電線號，再通過放大電路驅(qū)動揚聲器，還原輸入信號，從而實現(xiàn)光電傳輸功能。

方案一：光敏電阻。電阻值根據(jù)光照強度發(fā)生

變化。

方案二：硅光電池。根據(jù)光照強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)光照強度發(fā)生變化。

方案四：太陽能電池板。有光照就產(chǎn)生電勢差，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，但這里主要是對電壓信號的控制，涉及到光強的高速調(diào)制，所以選用了精度、靈敏度較高的硅光電池來完成光電轉(zhuǎn)換。

2 設(shè)計原理

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

一般采用麥克風(fēng)/MP3將聲音信號轉(zhuǎn)換成電信號或信號發(fā)生器產(chǎn)生的低頻模擬信號。受實驗條件限制和簡便起見，本實驗裝置采用電腦耳機輸出信號作為輸入信號，該信號是一個隨聲波信號振蕩的電壓信號。

2.3 驅(qū)動電路優(yōu)化設(shè)計

電腦耳機接口輸出的是隨聲音信號振蕩的電壓信號（簡稱聲波電信號），大約0.2V左右，聲波電信號為弱電壓信號，不足以直接驅(qū)動LED工作，需要放大電路進行電信號放大。以精密運放OPA2227為核心的放大電路后的聲波電信號，經(jīng)過電壓比較器將聲音信號做一個簡單的調(diào)制，比較器輸出的信號來驅(qū)動MOS管TPS28225驅(qū)動電路，進而驅(qū)動LED來閃爍，以完成對LED光強的調(diào)制。經(jīng)過這樣的一個調(diào)制過程，LED光源輸出的光強亦能隨聲波信號振蕩。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，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號顯然無法驅(qū)動傳統(tǒng)的揚聲器設(shè)備，需要放大電路進行電信號放大。

2.4 白光LED的線性特性

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

圖2 LED的調(diào)制信號與輸出功率的關(guān)系曲線

2.5 半導(dǎo)體光源的調(diào)制

無論是LD或LED做光源，都要施加偏置電流，使工作點處于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

要把攜帶了聲音信號的LED光接收下來，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光源信號及聲音還原

硅光電池將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，相應(yīng)地攜帶了聲音信息的光強轉(zhuǎn)換成為聲波電信號，解調(diào)得到的聲波電信號，即光電流，電流值很小，一般小于0.1mA。如此小的聲波電信號顯然無法驅(qū)動傳統(tǒng)的揚聲器設(shè)備，需要經(jīng)OPA222為核心的放大電路放大，以驅(qū)動揚聲器還原出聲音。

圖3

3 結(jié)果分析

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

4 結(jié)語

（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，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（2）采用了較少的元器件和設(shè)備，實現(xiàn)了聲光調(diào)制、LED光的空間傳輸、光聲解調(diào)，對于很好地理解光電特性、光信息處理、對大功率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)計電源采用開關(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將輸入的聲音信號或單頻聲信號，通過高精度的硅光電池接收，然后由驅(qū)動電路驅(qū)動喇叭還原輸入信號。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能夠完成大功率LED可見光通信功能，并且所有指標都已達到設(shè)計預(yù)想要求。

參考文獻

[1] 蓬田宏樹.太陽誘電試制采用白色LED.數(shù)據(jù)傳輸速度100Mbps的通信系統(tǒng).

[2] 胡國永，陳長纓，陳振強.白光LED照明光源用作室內(nèi)無線通信研究[J].光通信技術(shù)，2006，30（7）.

[3] 丁德強，柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2006，（2）.

[4] 唐亞明，葛松華，朱國全.基于能量轉(zhuǎn)換原理的白光通信演示裝置[J].物理通報，2012，（3）.

作者簡介：潘國興（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）