基于幅度調制的可見光通信演示儀

李智豪,蒲小年,勞健濤,戚慧珊

(華南師范大學 物理與電信工程學院,廣東 廣州 510006)

可見光通信技術在近些年來已得到較好的發展和應用，但目前該技術的實驗演示裝置仍多采用非信號調制等傳統方式[1]，此類傳統演示儀局限性較大，易受到外界噪聲光線的干擾. 本文在傳統可見光音頻傳輸演示儀基礎上，設計了利用頻譜搬移原理的抗干擾的實驗演示儀，該演示儀可在正常的室內照明條件和有外界光線干擾等條件下穩定地工作.

1 實驗裝置的原理與設計思路

1.1 光電轉換原理

載有信息的電信號幅值不斷地變化，由于LED的光照強度與輸入信號的電壓成正比，因此幅值不同的電信號驅動LED光源后會產生強度不同的光信號. 光敏器件的輸出電壓與接收到的光線的光強成正比，因此高靈敏度的光電傳感器可將強度不同的光信號轉換為電信號. 電信號經濾波放大等處理后輸出載有信息的電信號，從而實現信號的傳輸.

1.2 幅度調制原理

幅度調制是指用需要被傳輸的基帶信號去控制載波信號的振幅，使基帶信號的頻譜搬移到較高頻率上，增加信號帶寬，以提高抗干擾能力. 幅度調制可分為平方律調幅、斬波調幅和模擬乘積調幅3種. 模擬乘積調制是指利用模擬乘法器來實現基帶信號和載波信號的乘積[2]，模擬乘積調制的特性方程為

uAM(t)=[Ucm+kauΩ(t)]cos (ωct)，

(1)

式中，uΩ(t)為基帶調制信號，uc(t)=Ucmcos (ωct)為載波信號，ka為模擬乘積調制的比例系數. 可見光通信演示儀選用模擬乘積調制的方法，將需要被傳輸的音頻信號的頻譜搬移到較高頻率的載波信號之上.

1.3 實驗裝置的設計思路

傳統的可見光通信演示儀一般將信號功率放大后直接驅動LED光源進行信號傳輸[3]. 由于信號的頻譜在50～4 000 Hz的范圍內，直接將低頻段的語音信號驅動LED光源進行信號傳輸[4]，將會產生裸眼可辨的頻閃光，同時自然光線與照明光線都會給傳輸信道帶來噪聲干擾.

針對此類傳統演示儀的缺點，實驗裝置采用幅度調制的方法，用低頻段的語音信號控制較高頻段的載波信號的幅度來產生調幅波，功率放大后的調幅波將用來驅動LED光源，并在接收端使用中頻濾波器LT465進行帶通濾波，濾除混雜在光電轉換信號中的信道噪聲，保留原始的調幅波信號. 接收端的調幅波信號經二極管檢波電路的還原后，最終可得到高保真的語音信號，實現了語音信號的可見光傳輸的整個過程.

2 實驗裝置的組成

2.1 可見光通信實驗演示儀的發射電路

如圖1所示，信號發射端由語音信號調制電路與LED光源驅動電路2部分組成. 前置放大電路對語音信號進行低噪放大，使其幅值大于模擬乘法器的輸入門限. 載波信號發生器由DDS數字信號合成芯片AD9854構成，能夠準確地輸出頻率1 kHz～180 MHz的正弦信號. AD9854恒定地輸出頻率為fω=465 kHz的正弦載波信號. 模擬乘法器輸出的調幅信號經過功放電路放大后驅動LED光源，向外界發射出載有語音信息的光信號.

圖1 信號發射端的組成框圖

2.1.1 語音信號調制電路

如圖2所示，信號調制電路由模擬乘法器AD835構成，其特性方程為

Wout=XinYin+Z，

(2)

式中，Xin與Yin分別為載波輸入信號與語音輸入信號；Z為偏置電平信號，可以使調幅輸出信號Wout保持在零電位之上. 模擬乘法器對語音信號與載波信號進行乘積運算后，輸出以語音信號為包絡、載波頻率為465 kHz的調幅波信號[5]，完成了將低頻段語音信息搬移到高頻段載波信號上的頻譜搬移.

圖2 模擬乘法器原理圖

2.1.2 LED光源驅動電路

LED光源驅動電路原理如圖3所示. LED光源驅動電路由運放電路與共源極放大電路2部分構成，其本質為高頻功率放大器[6]. 運放電路將模擬乘法器輸出的調幅信號進行放大，使其幅值保持在場效應管的柵極開啟門限電壓之上. 由于場效應管的源極電流與柵極信號電壓成正比，因此串聯在場效應管源極上的大功率白光LED的光線強度將隨著輸入的調幅信號的幅值而變化，發出載有語音信息的光信號.

圖3 LED 光源驅動電路原理圖

2.2 可見光通信實驗演示儀的接收電路

如圖4所示，高靈敏度的光電轉換電路將光信號通過光電效應轉換為相應的電信號. 在轉換有用的光信號的同時，光電轉換電路也會將太陽散射光及室內交流照明光等噪聲光信號進行轉換，從而使得轉換后的信號中混雜著高頻雜波分量與50 Hz的低頻雜波分量. 使用中頻帶通濾波器LT465可將光電轉換得到的原始信號中的雜波分量有效地濾除，得到載波頻率為465 kHz、包絡為語音信號的調幅波信號.

圖4 信號接收端組成框圖

2.2.1 帶通濾波電路

帶通濾波電路原理如圖5所示. 帶通濾波器選用中心頻率為465 kHz的陶瓷濾波器LT465，LT465常用于收音機等接收系統中，其價格低廉而且性能穩定，帶內平坦、矩形系數高，通頻帶約為3 kHz. 2臺濾波器串聯可以提高濾波電路的矩形系數，使得濾波選擇性更好，以便消除因外界干擾造成調幅信號頻偏的影響. 基于帶通濾波器的特性，中心頻率為465 kHz的調幅信號被保留，而其他頻率分量的噪聲信號均被濾除，此舉保證了通信系統的穩定性與抗干擾性，有效地提高了信噪比.

圖5 帶通濾波電路原理圖

2.2.2 峰值包絡檢波電路

陶瓷濾波器輸出的調幅信號經放大電路放大后，輸入到如圖6所示的二極管峰值檢波電路中進行包絡檢波. 檢波電路利用二極管的單向導通性與電容電阻的充放電過程，將調幅信號中的高頻載波分量濾除，將低頻語音信號從調幅信號包絡中提取出來，輸出原始的語音信號，完成了調幅信號的解調過程.

3 實驗裝置的操作方法與性能分析

3.1 可見光通信實驗演示儀的操作方法

可見光通信演示儀如圖7所示，將實驗演示儀的信號發射端與信號接收端相對放置. 使用移動設備向發射端輸入音頻信號，開啟設備電源，適當調整兩裝置角度，調節接收端音頻放大器的音量旋鈕，即可聽到揚聲器發出的低損聲音. 為探究外界光噪聲干擾對通信質量的影響，可使用手機閃光燈或手電筒等設備人為地制造光噪聲，此時除揚聲器音量有所降低外，聲音的音質并無顯著變化.

圖7 可見光通信演示儀實物圖

3.2 實驗演示儀的性能分析

為深入地探究實驗演示儀的抗干擾性能與影響其通信質量的因素，可利用函數信號發生器、數字示波器以及簡易光源等設備進行如下定量探究實驗.

3.2.1 實驗演示儀的幅頻特性

利用函數信號發生器產生幅值為2 V的正弦波信號，并且以適當步進間隔改變其頻率，使之在20 Hz～6 kHz變化. 在室內交流日光管照明并且伴有室外自然光的光線環境下進行實驗，分別在信號頻率為1 kHz及2 kHz附近使用手機閃光燈人為地產生強光噪聲. 調節適當的音頻放大倍數，使用數字示波器測量接收端音頻功放電路輸出的正弦波信號，記錄相應頻率所對應的輸出信號幅值，繪制如圖8所示的幅頻特性曲線圖.

圖8 幅頻特性曲線

由圖8可見，實驗演示儀的下限截止頻率fL=49 Hz，上限截止頻率fH=5 750 Hz，通頻帶約為5.7 kHz，通頻帶內波形平坦穩定. 在頻率為1 kHz及2 kHz附近的外界光噪聲干擾下，接收端的幅值出現明顯衰減，但波動幅度不大且迅速恢復正常值，這表明實驗裝置的抗噪性能良好，響應速度快.

3.2.2 探究發射端與接收端的距離對通信質量的影響

利用函數信號發生器產生頻率為2 kHz、幅度為2 V的正弦波信號，作為發射端的輸入信號. 在發射端與接收端保持平行的條件下，以合適的步進改變2者之間的距離，使用數字示波器測量接收端音頻功放電路輸出的正弦波信號，記錄不同位置對應的輸出信號幅值. 將發射端與接收端由平行位置改變成夾角為30°，重復上述步驟，記錄相應數據.

由圖9可得，當兩設備平行相對時，其有效傳輸距離可達65 cm. 在有效傳輸范圍內，兩端設備相距較近時輸出信號較穩定，隨距離的增加，信號幅值緩慢下降，且無明顯劇烈波動. 當兩端設備夾角為30°時，其有效傳輸距離縮短為47 cm，輸出信號幅值下降較快，這說明當兩端設備處于非正對位置時，仍能進行信號傳輸，但此時信號隨著距離的增加而迅速衰減.

圖9 發射端與接收端的距離與夾角對通信質量的影響

3.3 調制與解調中基帶信號的畸變分析

3.3.1 可見光通信系統的Simulink仿真

為定量地研究可見光通信系統調制與解調過程對基帶信號的影響,可使用Matlab軟件內的Simulink工具[7]對實驗系統進行建模與仿真. 仿真系統的參量設置與實際電路一致，選用高斯白噪聲模擬實際環境中的自然光噪聲，同時加入50 Hz的正弦信號模擬室內照明光源噪聲. 基帶信號設置成頻率為1 kHz的正弦信號，載波信號的頻率為465 kHz. 參量設置完畢后進行系統仿真，仿真結果如圖10所示.

圖10 可見光通信系統調制與解調的Simulink仿真

由圖10的仿真結果可以看出，解調輸出信號的相位滯后于調制輸入信號的相位，即基帶信號在調制與解調過程中發生了相移，兩信號相位差為φ1=19.5°. 同時，解調輸出信號混雜少量的噪聲信號，導致信號的時域波形上出現尖峰毛刺等信號畸變.

3.3.2 可見光通信系統的實際實驗測量

為探究仿真實驗系統與實際實驗系統的區別，可選用信號發生器與數字示波器對可見光通信實驗演示儀進行定量測量. 設定基帶信號頻率為1 kHz，按照實驗要求接線后進行測量操作.

如圖11所示，基帶信號的波形為黃顏色曲線，解調輸出信號的波形為藍顏色曲線. 解調輸出信號明顯滯后于基帶信號，兩信號的相位差為φ2=41.7°.

圖11 可見光通信系統調制與解調實驗的時域波形

圖12為解調輸出信號的傅里葉變換頻譜圖，由頻譜圖12可知，解調輸出信號除了含有1 kHz的基帶信號成分，還有強度較低的其他頻率的噪聲信號.

圖12 接收端解調輸出信號的傅里葉變換頻譜

3.3.3 Simulink仿真與實際實驗的對比分析

由Simulink仿真結果與實際實驗結果的對比分析可知，實際實驗中解調輸出信號與基帶信號的相位差大于仿真實驗中的兩信號的相位差，并且其噪聲信號強度也大于仿真實驗的噪聲信號強度.

產生相移的原因除了有濾波器的延遲效應，還有光電轉換過程的響應滯后等因素. 實際測量結果的相位差大于仿真結果的相位差，其原因是實際實驗比仿真實驗多了光電轉換與信道傳輸的過程. 光電轉換的響應速率取決于信號發送端的LED光源驅動電路的開關性能與接收端的硅光板的光電轉化速率，因此該過程會給基帶信號的傳輸帶來較大的時間延遲. 同時，濾波器在濾除通頻帶之外的信號、保留通頻帶之內的信號時也會產生較大的延遲. 因此，造成解調信號相對于基帶信號發生相移的主要原因有光電轉換過程的響應滯后與濾波器的延遲效應.

由于實際應用中的濾波器無法完全濾除通頻帶之外的噪聲信號，故仍有少量的噪聲能通過濾波器，使得解調結果有微小的噪聲畸變，但此類噪聲信號的強度較低，一般對解調信號的影響不大. 演示儀電路系統屬于有源系統，因此其工作時會受到電路內部的電源熱噪聲的干擾，這由電路板布線設計以及電源濾波電容的性能等因素決定.

綜上所述，基帶信號在可見光通信系統的調制與解調過程中會存在相位滯后與尖峰噪聲等畸變現象，這與實驗演示儀中光電轉換的響應速率、濾波器的性能以及電路系統設計和外界信道噪聲相關.

3.4 實驗裝置的優點

1)幅度調制技術與帶通濾波方法的結合，可以有效地濾除信道噪聲，提取高保真的調幅信號，保證了通信系統的穩定性，提高了儀器的抗干擾能力；

2)幅度調制可使驅動光源的功率信號幅值保持在發光二極管的導通電壓之上，使得光源發出的光信號更加穩定且不閃爍；

3)有效地消除自然光與交流照明光等光噪聲干擾，降低了對實驗場地光線條件的要求；

4)實驗演示儀的組成結構清晰，模塊化的設計降低了制作難度，可復制性強.

4 結束語

基于幅度調制的可見光通信演示儀在設計時充分考慮了實際實驗中可能遇到的外界干擾，并且在傳統演示裝置的基礎上進行改進設計，使其適應絕大多數的室內光線條件. 演示儀對光線條件要求的降低，使得可見光通信演示實驗能夠在普通的教室內正常進行，因此學生能夠近距離地接觸到可見光通信技術，并且初步了解調制解調技術在通信系統中的廣泛應用，領會對傳統實驗儀器進行創新性再設計的思想.

參考文獻：

[1] 宋小慶,趙梓旭,陳克偉,等. 可見光通信應用前景與發展挑戰[J]. 激光與光電子學進展,2015,52(8)：30-38.

[2] 李潮銳. 電光調制通信的頻譜測量[J]. 物理實驗,2017,37(6)：28-31.

[3] 劉澤暢,馮雅莉,張尊,等. 基于LED可見光波分復用的音頻傳輸演示儀[J]. 大學物理實驗,2017,30(4)：23-26.

[4] 薛德寬,黃興洲,位浩杰,等. 基于LED可見光通信的音頻傳輸演示儀[J]. 物理通報,2015(8)：82-85.

[5] 陳啟興. 通信電子線路[M]. 北京：清華大學出版社,2008:111-125.

[6] 康華光. 電子技術基礎(模擬部分)[M]. 北京：高等教育出版社,2013:101-111.

[7] 王正林,王勝開,陳國順,等. MATLAB/Simulink與控制系統仿真[M]. 北京：電子工業出版社,2017：44-73.