基于LED可見光通信系統設計與實現

李濱 李鑫磊 李童 王夢迪

摘 要：為演示可見光通信原理，設計了一款簡易的基于LED的可見光通信系統，系統能夠將輸入的音頻信號調制為可見光進行無線傳輸；接收端將光信號轉換為攜帶信息的電信號，電信號再經濾波、解調、放大，最終還原出輸入的音頻信號。

關鍵詞：LED；無線通信；調制解調

中圖分類號：TN929.1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0104-03

Abstract： In order to demonstrate the principle of visible light communication， a simple LED visible optical communication system is designed， which can modulate the input audio signal into visible light for wireless transmission. The receiving end converts the optical signal into an electrical signal carrying information， and the electrical signal is filtered， demodulated and amplified， and finally the input audio signal is restored.

Keywords： LED； wireless communication； modulation and demodulation

1 研究背景及意義

目前比較成熟的可見光通信技術是光保真技術[1]，英文名LightFidelity（簡稱LIFI），是一種利用可見光進行數據傳輸的技術。這項技術利用LED燈泡快速閃爍來傳輸數據， 由于閃爍速度足夠快， 所以人的肉眼幾乎感知不到燈泡的亮滅[2]。相對于當前使用的WIFI通信技術[3]，LIFI通信技術具有以下幾個方面的優點：頻譜寬度方面，無線電波頻譜很緊密，而可見光的頻譜寬度約為400THZ，比無線電波多1000多倍；效率方面，無線電波基站的效率只有5%，大多數能量只是消耗在基站的冷卻上，而LiFi的數據可以并行傳輸，提供照明的同時進行高速的數據傳輸，安全性方面，無線電波很容易被截取，而可見光不能穿墻，甚至不能穿過窗簾，所以LIFI提供了網絡的隱私安全，方便等優點[4]。

本儀器能夠利用可見光（普通LED照明光、紅色激光）無線傳輸聲音信息，在發射端將聲音信息進行調制，加載到可見光上，再輸出端再將攜帶信息的可見光解調出來，處理后通過功放驅動揚聲器還原出原來的音頻信號，此實驗儀器采用可見光無線傳輸[5]，可以形象觀察到調制后的可見光，可見光的強度會隨著音頻信號的強弱變化而變化[6]，可以接入信號源和示波器，直觀地看到輸出信號波形。

基于LED可見光通信是一種新的通信技術，早在幾年前就有人提出可見光通信的設想[7]，但并沒有得到重視。隨著新時代科學技術的發展，可見光通信慢慢地進入學校課程，但卻沒有可以直觀的將可見光通信演示出來并且能將還原出來的信號展現在示波器上的實驗儀器。

2 實驗裝置設置

儀器主要由兩部分組成，分別是調制發送部分和接收解調部分。

發送部分主要有LED驅動電路、LED光源、信號輸入電路、信號調制電路、調制調整電路組成。LED驅動電路主要包括兩部分，一部分是可以遠距離發射的激光LED發送端；另一部分是近距離基本實現無失真的散光LED發送端，兩部分相互獨立，互不干擾。

接收部分主要有光學濾波器、光電轉換裝置、解調電路、解調調節電路、功率放大電路[8]和揚聲器組成。要發送的聲音信息在發射端經過調制加載到LED驅動上，通過可見光發送出去，并調節電位器不斷改變電壓值，尋找最佳音質并在屏幕顯示LED或激光頭兩端變壓值。在解調接收端通過光電轉換器將可見光信號轉化為電信號，然后經由解調電路、功率放大電路將信號解調、放大，最后通過揚聲器將還原的信息輸出。

2.1 實驗裝置器件

音頻功放模塊，電容若干，電阻若干，20k電位器，開關4個，杜邦線若干，電源座，開關電源，音頻線，2596降壓模塊。

其中，實驗系統用到的主要裝置元器件實物圖如圖1，圖2，圖3所示：

2.2 實驗裝置結構

輸入的音頻電信號經過調制電路調制后加載到LED驅動電路上，然后經由LED照射的可見光發送出去。被調制的可見光發散到周圍的空間，在解調接收端光信號被轉化成電信號，然后將攜帶的信息解調出來，為避免失真再通過功率放大電路將解調出來的頻率放大，最后將音頻信息通過揚聲器輸出。

實驗原理結構圖如圖4所示：

作品的實物圖如圖5所示：

2.3 調制電路

該電路實現將輸入的模擬聲音電信號加載到LED驅動電流上，調制電路原理圖如圖6所示。

2.4 解調與放大電路

接收端接收到光信號后首先用光敏元件進行光電轉換，然后進行解調與放大。解調放大電路基本原理電路主要由小功率集成放大器TDA2822功放組成，功率放大電路如圖7所示，TDA2822功放是雙通道單片功率放大集成電路，它的工作電壓低，外圍電路簡單，音質好，頻帶以及電壓范圍寬。

3 電路原理及原理圖

在發送端首先要把傳送的聲音信息變成電信號，然后通過調制電路調制加載到普通LED照明燈或者紅色激光器發出的可見光上，使光的強度隨電信號的頻率變化而變化；在接收端，光電轉換裝置接收到信息后把攜帶信息的光信號變換成電信號，經解調放大后恢復原聲音信息。

本實驗利用高頻電子線路中高頻功放和電路中的基本知識，采用集成電路的形式將電路連接而成，原理電路如圖8所示：

4 實驗調試與分析

4.1 使用的實驗方法

采用函數信號發生器產生標準正弦波信號，將信號接到發射端信號輸入端上和示波器的通道一，原聲音信號經過調制后加載到可見光信號上。在解調接收端將攜帶信息的光信號轉化為電信號后進入功放，放大后的信號接示波器的通道二，通過示波器觀察發送信號的波形和接收信號的波形，通過比較兩者波形的差異進行實驗。

4.2 發射與接收電路的調試

通過觀察輸入波形與輸出波形之間的差異發現，接收到的波形在電壓負半軸會有截止失真現象，如圖9所示：

調節發射端的LED驅動電路的靜態工作點調節旋鈕，直至調節至截止失真消失，然后便可以將音頻信號輸入到發射輸入端，在輸出端的揚聲器會還原出原來的音頻。還原出來的音頻信號如圖10所示：

利用示波器將輸出信號停止，能更清晰的將音頻信號波形展現出來，停止的音頻信號波形圖如圖11所示：

4.3 實驗分析

截止失真會導致傳輸音頻信號時聲音一部分失真，產生截止失真的原因主要是LED的靜態工作點過低，輸入信號的一部分負壓過高，調制后電壓低于LED的導通電壓，LED無法點亮，所以會導致一部分信號無法通過可見光傳輸，所以接收端的波形會有失真，通過調節LED的靜態工作點可以使截止失真消失。

5 結束語

LED可見光通信系統能夠利用可見光無線傳輸音頻信號，可以接入信號源和示波器，就能明顯地看到輸入輸出信號波形，信號失真率低，能夠直觀的演示出可見光通信的基本原理，只要有可見光，就有信息在傳播，應用前景十分廣闊。

LED可見光通信系統在第九屆山東省大學生科技節中榮獲一等獎。

參考文獻：

[1]吳剛.近地無線光通信技術研究[D].復旦大學，2009（03）.

[2]李升.LiFi技術淺析[J].中國無線電，2017（08）：38-72.

[3]王偉，陳超中.LiFi的光源要求（上）[J].中國照明電器，2015（11）：6-8.

[4]王偉，陳超中.LiFi的光源要求（上）[J].中國照明電器，2015（11）：1-3.

[5]蘇磊.無線光通信技術及其應用[J].光通信技術，2005（04）.

[6]陳金鷹.無線光通信技術應用與討論[J].通信與信息技術，2006（03）.

[7]秦玉娟.無線光通信的技術研究[J].考試周刊，2008（17）.

[8]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2006（04）.