基于大功率LED的可见光通信系统设计

李　伟,　孙二杰,　石　震



基于大功率LED的可见光通信系统设计

李伟,孙二杰,石震

李　伟(1990—),男,硕士研究生,研究方向为建筑智能用电。

(山东建筑大学 信息与电气工程学院, 山东 济南250101)

摘要：设计了基于大功率LED的可见光通信系统,利用LED高速调制特性,可将音频信号调制到LED可见光上实现信息传输,减少了搭建通信链路的时间,降低了通信成本,减少了电磁辐射对环境的影响。测试结果验证了系统的可行性。

孙二杰(1989—),男,硕士研究生,研究方向为建筑节能技术。

石震(1990—),男,硕士研究生,研究方向为建筑物智能用电与电源优化。

关键词：可见光通信; 大功率LED; 音频; 关键技术

0引言

目前,利用LED优良的特性,可将信号调制到LED可见光上进行传输,实现一种无线光通信技术,即可见光通信(Visible Light Communication,VLC)。可见光通信技术具有对人眼安全、发射功率高、无需申请无线电频谱证、无电磁干扰等优点,为光通信提供了一种全新的数据接入方式,已被人们广泛关注。

本文利用白光LED设计室内短距离可见光音频传输系统,同时利用白光LED高速调制特性,将音频信号调制到LED可见光上,实现信息传输。这种通信方式不再依赖传统有线传输的模式,具有快速便捷、高可靠性、低能耗等优点,为“绿色通信”的实现提供了一种新思路。

1大功率LED的辐射模式

LED灯具有辐射特性,发光强度随辐射角度的变化而变化,因此接收端在不同角度时接收到的光强度不同。一般认为,白光LED服从朗伯辐射模型,而模型中朗伯分量和朗伯模式的方向性是由发光芯片参数决定的; 白光LED 发光模式中的高斯分量和高斯模式的方向性则由 LED 自身结构中的反射片、密封层和透镜参数决定。其中 LED的发光模式是旋转对称的。

LED发光强度有高斯类与余弦类发光模型,可分别表示为

(1)

(2)

式中:g1i、g2i、g3i——高斯发光模式参数;

c1i、c2i、c3i——余弦发光模式参数;

θ——发射角;

I(θ)——发光强度分布函数;

i——模式序号。

对不同分量的高斯模式进行线性叠加,可得出一种通用的发光模型:

(3)

式中:k——高斯模式分量中的数量;

ωi——高斯发光模式中光的光斑半径;

φi——高斯模式光中心位置偏移角;

m——朗伯模式方向性指数,与芯片表面的粗糙度有关;

ηi——高斯模式权重系数;

η0——朗伯传递函数。

2可见光通信系统设计

可见光采用10 W、1 A的大功率LED作为光源,大功率LED可见光音频传输系统包括光源大功率白光LED、可见光发射端、可见光接收端等。发射端电路将待传输的音频信号转换成便于在光载波上传输的信号,经白光LED驱动电路将电信号调制成LED的光载波强度变化的光信号,以光束的形式发射到大气信道中进行传输,再由接收端光敏二极管接收光信号,转换成电信号,并对转换后的信号进行放大、整形处理,将音频信号解调还原出来。

2.1　可见光通信的关键技术

LED可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术。

(1) 可见光信道。可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应,两者具有不同的特性,这两种系统中引起码间串扰(Intersymbol Interference,ISI)的原因也不相同,需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI作深入研究,从而解决 ISI 的影响。

(2) 码间干扰克服技术。由于LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致不同的传输延迟,光脉冲会在时间上延伸,每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内,产生码间干扰,导致系统性能恶化。

(3) 光源的选择与布局。在可见光通信系统中,光源作为室内照明设备,具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点,同时作为光通信系统的光源,具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。因此,目前能满足要求的最好选择就是白光LED。实际系统中,由于各个房间的大小以及室内设施不同,因而要使通信效果达到最优,须使房间内的光强分布大致不变,尽量避免通信盲区的出现。因此,必须根据不同的房间,合理地安排LED灯的布局。

(4) 调制、编码以及解调技术。目前,可见光通信系统大多采用强度调制的直接检测非相干系统,编码方式大多为二进制启闭键控(On-Off Keying,OOK)编码。由于OFDM可以有效地对抗多径传播所造成的符号间干扰,其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多,因此采用正交频分复用(Orthogonal Frequenccy Division Multiplexing,OFDM)调制技术具有良好的发展前景。

2.2　发射端设计

可见光通信发射端如图1所示。手机输出音频信号接入发射端,该音频信号的峰峰值为100 mV的正弦波,音频信号经过前置放大电路放大,并给信号增加直流偏置使信号处于零电位以上,为信号的调制做准备;正弦信号再经过PWM进行调制,根据幅值的大小输出占空比变化的PWM波,然后通过LED驱动电路驱动LED工作,PWM波占空比大小决定着LED处于开、关状态时间的长短,因此可察觉LED的光照强度发生变化。

图1　可见光通信发射端

2.2.1前置放大

输入的音频信号电压峰峰值为100 mV,前置放大电路采用四运放芯片LM324,供电电源电压为3~32 V,静态功耗小,可单电源使用做两级放大50倍,使音频信号增大到5倍的峰峰值。

2.2.2PWM调制电路

放大后的音频信号经过TL494脉冲宽度调制电路,内置线性锯齿波振荡器,振荡频率可通过外部的电阻RT和电容CT进行调节,其振荡频率为

(4)

输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。为保证调制效果,调制频率设为300 kHz。

2.2.3LED驱动电路

LED驱动电路运用DD311恒流驱动器,可驱动高达1 A的输入电流,并可通过调整参考输入电流来任意设定输出电流的大小。电源输入部分加入100 μH的电感,来增加电压稳定性;输出电流使能端:VEN电压为0,输出电流关闭;VEN电压>3.3 V,输出电流导通。

2.3　接收端设计

可见光通信接收端如图2所示。接收端以最小的附加噪声及失真,恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息,因此接收端的输出特性综合反映了整个可见光通信系统的性能。接收端通过光敏二极管接收光信号,并转换成电信号,再通过前置放大电路放大,然后通过功率放大电路驱动扬声器工作。

图2　可见光通信接收端

2.3.1光电转换模块设计

光电转换模块的核心是光敏二极管,工作时需加上反向电压。采用的 PIN 探测器感光面积为1 mm×1 mm,响应波长为400~1 100 nm,覆盖整个可见光波段。无光照时,有很小的饱和反向剩余电流(暗电流),此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向剩余电流大大增加,形成光电流,随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时,可以使PN结中产生电子-空穴对,使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移,增加反向电流。根据可见光的强弱,光电流的强度发生变化,连接电路上的负载输出带直流偏置的正弦信号。

2.3.2AGC电路设计

选用两片AD603作为主放大器,采用顺序级联形式。自动增益控制(Automatic Gain Control,AGC)检波由9018完成,9018同时送出AGC控制电压,经两级AD603放大的信号,一路由J2送入下一级信号通道,另一路则由C10输入到9018用于AGC检波。9018的发射极PN结完成AGC检波,并由集电极经电容滤波后送出AGC控制电压。 输入信号增大时,9018基极瞬时电流也增大,相应的集电极电流也跟着增大,从而两端的瞬时压降也增大,则集电极瞬时电压减小,经滤波后得到的AGC控制电压也相应减小;同样,输入信号减小时,AGC控制电压则会增大,即控制电压与输入信号的强度成反比,符合AGC电压反向控制要求。

3系统测试

为了验证可见光通信音频传输系统的传输效果,在室内对系统进行测试。将大功率LED放在距离光电二极管1 m处的直线上,用手机播放音乐作为音频信号输入,输出端波形如图3所示。

4结语

本文设计了基于白光LED的室内短距离可见光音频传输系统,为高速宽带的无线光接入提供一种新途径。要真正实现高速可见光通信,还需要进一步优化光源的带宽拓展技术、调制编码技术、无线信道传输技术等相关技术。

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Design of Visible Light Communication System Based on High-power LEDLIWei,SUNErjie,SHIZhen

(School of Information & Electric Engineering, Shandong Jianzhu University, Jinan 250101, China)

Abstract：This paper designed the visible light communication system based on high-power LED.By using of the high-speed modulation characteristics of LED,the audio signal was modulated to realize the information transmission.The communication system reduces the time of communication link,communication cost,and the effects of electromagnetic radiation on the environment.The test results verify the feasibility of the system.

Key words:visible light communication(VLC); high-power LED; audio; key technology

收稿日期：2015-04-25

中图分类号：TU 201.5

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)01-0037-03